一种柔性多体动力学建模方法及其工程应用

针对具有多轴天线驱动、机械臂运动、空间站舱段转位等多体运动特征的航天器,提出了一种基于浮动基座和树形拓扑结构的柔性多体动力学建模方法,用于计算机建模和与控制系统联合仿真。基于拉格朗日方程和有限元方法所建立的动力学方程考虑了大角度刚体相对转动、弹性部件振动、柔性关节变形特性。将此建模方法程序化并应用于工程实际,可解决此类航天器复杂的机构运动与弹性振动的耦合动力学建模问题,实现完全自主的动力学建模、模型代码输出和控制联合仿真功能,为此类航天器的动力学特性分析及其控制系统设计与系统级仿真验证服务。结合带多轴驱动天线和大型柔性天线的整星对象,采用该方法建模并就系统频率、频率响应、时间响应与商业柔性多体软件Adams进行对比,结果显示二者一致性良好,验证了该建模方法及其软件实现的正确性和通用性。     

基于等效质量的太空机械臂多体系统碰撞分析

从等效质量角度出发,针对不同的操作环境,提出多体系统离散碰撞动力学建模及连续碰撞动力学建模方法,并分析碰撞对系统造成的影响。首先,由系统动力学方程及能量方程推导出太空机械臂末端等效质量,在此基础上,针对刚/柔环境,分别建立多体系统离散碰撞动力学模型和连续碰撞动力学模型,并针对七种连续碰撞模型提出选取标准,以便更真实地模拟实际碰撞过程。最后,以典型的太空七自由度机械臂为例开展仿真试验,两种方法的对比结果校验了该算法的正确性。     

柔性绳网动力学建模与天地差异性分析

采用有限元模型研究了柔性绳网系统的动力学特性。针对空间绳网直接弹射展开方式,首先将绳网离散为若干单元,各单元处理为非线性“半阻尼弹簧”模型,然后分别计算各单元所受气动力和重力,最终建立绳网系统多柔体动力学模型。基于所建立的动力学模型分别对柔性绳网在地面和太空展开的动力学过程进行了仿真分析,研究了绳网在展开面积、空间位形和飞行距离等方面的天地差异性及其动力学机理,为未来空间绳网系统的分析设计提供理论参考。     

柔索并联式导弹自动抓取装置动力学仿真

针对导弹质量大、作业环境复杂等形成的难以自动装填问题,融合钢丝绳柔性浮动对位原理,对柔索并联式导弹自动抓取装置进行动态特性分析。基于有限段离散建模方法,对该抓取装置钢丝绳进行柔性体建模,进而建立了该抓取装置的多体动力学模型。通过仿真计算,分析了抓取装置和导弹模块,在处于不同的对位姿态时,钢丝绳柔性和结构接触耦合作用下,抓取装置下放-抓弹-吊弹过程中的运动和受力特性,验证了引入钢丝绳柔性环节的抓取装置方案,针对对位时姿态偏差的自适应调整能力,为该导弹自动装填系统设计提供了参考。     

柔性多体航天器单向递推组集建模方法

本文提出一种面向计算机建立柔性多体航天器动力学方程的新方法，其特点是完成运动学正向递推同时实现动力学方程的组集。这种方法不仅可提高航天器、空间机械臂动力学仿真的计算效率，而且可有效地克服数值积分病态的困难。文末一个空间四杆柔性机械臂的算例验证了这种建模方法的上述优点。     

载人航天器柔性机械臂的动力学建模方法

空间机械臂在载人航天活动中有着迫切的应用需求。航天器尺寸、质量等因素的限制使得空间机械臂具有大柔性的特点。文章结合空间机械臂应用环境的特殊性,论述了空间柔性机械臂多体动力学和关节的动力学建模方法,分析比较了不同建模方法的特点。为了满足未来空间机械臂在航天器工程应用的要求,文章指出,空间柔性机械臂宜采用混合坐标法描述臂杆刚性运动与柔性变形的耦合;开展关节精细动力学研究,宜将重点放在齿轮传动系统的低速级上。     

空间机械臂建模方法与控制策略研究

针对刚柔耦合空间机械臂动力学建模中对柔性体采用的传统描述方法（有限元法、模态综合法以及集中参数法等）并不足以精确描述柔性大变形的问题,采用绝对节点坐标法描述柔性体,采用自然坐标法描述刚性体,建立了末端带集中质量的双连杆柔性机械臂的动力学模型并且研究了机械臂的空间定位问题。结合广义α法以及工程上常用的Scaling技术,开发了计算程序,实现了动力学方程的高效精确数值求解。针对机械臂的空间定位以及柔性变形问题,提出了一种运动规划方案,采用PD控制策略,实现了机械臂的运动跟踪控制;仿真结果表明：提出的运动规划方案能有效地减弱机械臂的柔性变形。     

空间柔性绳网多碎片捕获动力学研究

随着空间碎片数量的增加，其对近地轨道中的在轨卫星产生越来越严重的威胁，空间多碎片的高效清理在近年来也成为了学界关注的热点问题。针对柔性绳网在一次任务中同时对多个碎片进行捕获清理的问题，建立了柔性绳网的动力学模型和与碎片接触动力学模型，并对捕获过程中柔性绳网与碎片的运动进行了仿真模拟。针对绳网的最大拉伸力、质量块位移速度等变量，深入分析捕获过程中绳网与碎片的运动特性。数值仿真结果表明，在一次任务中，柔性绳网可以对多个旋转空间碎片进行捕获，并实现稳定的包裹缠绕，展示了柔性绳网良好的捕获能力。     

Dytran软件在发射箱柔体发射动力学分析中的应用研究

针对箱式发射的柔体动力学问题提出全套仿真分析解决方案，并用完整的实例阐述该方案的设计思想：以显式动力学求解器为分析的核心软件，以静力学分析、模态分析、刚体动力学分析为前期分析，将整个项目分为三个阶段，第一阶段对所设计的发射箱箱体进行前期分析从而确定核心软件工作所需的阻尼系数、预变形、求解结束时间等参数，以及导弹在刚性条件下的运动参数；第二阶段运用显式动力学求解器进行柔体动力学分析，计算出导弹在柔性条件下的运动参数；最后阶段进行各项数据对比工作以确定柔体发射动力学仿真分析的正确性，并对发射箱的结构设计做出评价。     

基于改进Craig-Bampton法的导弹发射过程多柔体动力学研究

应用刚柔耦合系统动力学方法,将车载导弹发射装置关键零部件如车架、起落架等作为柔性体,通过改进的Craig-Bampton方法融合在车载导弹发射系统多体动力学模型中,建立了柔性多体系统的动力学模型.进行了发射过程的动力学仿真,并和刚体模型的计算结果进行了对比,获得了导弹在发射过程中的姿态参数和发射系统的动力学特性.结果表...     

基于遗传算法的空间自由漂浮机械臂系统运动规划

为了研究空间自由漂浮机械臂系统的运动规划问题,本文将其动力学模型转化为以关节角速度为控制输入变量的非线性控制系统状态方程,确定了以能耗最小为主要目标,同时满足一定约束条件的多种目标函数,提出了运用遗传算法求解最优控制变量的运动规划方法。同时,以机械臂从初始位形运动至指定终端位形的过程为仿真算例,对上述规划算法及其应用进行了分析和验证。仿真结果表明该算法有效可行,能够为机械臂系统的空间操作提供理论参考。     

带柔性伸杆小卫星振动控制的半物理仿真实验

在空间探测任务中,为了避免卫星平台剩磁对空间待测信息的干扰影响,需采用轻质的伸杆机构支撑各类探测载荷远离卫星本体,而伸杆的弹性振动不可避免地会耦合作用到卫星本体,从而降低卫星本体的姿态控制精度和稳定度。针对此问题,提出了一种基于伸杆最优指令整形结合本体自适应扰动抑制滤波器的复合振动控制策略,即采用指令整形技术抑制柔性伸杆的弹性振动,同时设计自适应扰动抑制滤波器进一步抵消柔性伸杆残余振动对本体的干扰影响,最后在搭建的半物理仿真实验平台上对控制方法进行了实验验证。结果表明：此方法在有效抑制柔性伸杆残余振动的基础上,通过干扰抵消和抑制的控制策略可显著提高此类航天器的姿态控制精度和稳定度。     

空间站机器人最小振动操作动力学控制

提出两种空间站机器人最小振动操作动力学方法。一种是利用空间站灵活操作臂的运动学“自运动”快速消除空间机器人大型柔性机械臂的残余振动，同时使灵活操作臂在工作时不产生使柔性大臂变形和振动的激振力。第二种方法是利用灵活操作臂与空间站和柔性大臂之间的动力学耦合零空间运动进行空间站机器人的无振动操作。推导出空间机器人系统的动力学方程，得到了柔性大臂和灵活操作臂间的作用力与机器人运动之间的关系，基于渐进稳定的控制方法实现机器人的控制，以安装在弹性基础上的平面四自由度机器人进行了仿真验证。     

空间遥控作业机器人系统的内模控制研究

针对空间遥控作业机器人系统通讯时延严重破坏系统性能的问题，为力反馈遥作业系统建立了内模结构，对系统的透明性和稳定性进行分析并给出了控制器设计结果。给出的控制方法不仅能兼顾系统在时延下的稳定性和透明性，而且可以实现主从机械手速度与力的动静态跟踪，使系统具有良好的力觉临场感。借助于内模结构，以透明性为目标的控制器设计独立于稳定性来进行，降低了设计的复杂度，增强了控制的灵活性。理论分析和仿真实验证明该方法有效。     

柔性关节空间机械臂的自适应滑模控制

探究一类时滞柔性关节空间机械臂鲁棒自适应滑模控制问题。针对该种空间机械臂具有强非线性特点，同时考虑系统的未建模动态与扰动以及时滞影响，提出一种新的鲁棒自适应滑模控制器。基于Lyapunov-Krasovskii泛函和线性矩阵不等式等凸优化方法，给出滑动模态的鲁棒渐近稳定条件，并证明系统状态在有限时间内到达滑模面。最后，三组仿真校验表明了所设计的控制器可行。     

在轨模块更换任务动力学与控制仿真系统

航天器在轨模块更换任务的总体仿真是对总体方案进行系统性分析和论证的重要手段。文章基于天基平台在轨模块更换技术的研究,搭建了在轨模块更换仿真演示验证系统,介绍了仿真系统总体架构,建立了包括空间环境、轨道、动力学、控制、电源、测控等各分系统在内的仿真系统。重点对交会对接、在轨模块更换过程涉及的航天器平台及机械臂的动力学特性...     

Vibration control of a flexible space manipulator during on orbit operations

Space manipulators are complex systems, composed by robotic arms accommodated on an orbiting platform. They can be used to perform a variety of tasks: launch of satellites, retrieval of spacecraft for inspection, maintenance and repair, movement of cargo and so on. All these missions require extreme precision. However, in order to respect the mass at launch requirements, manipulators arms are usually very light and flexible, and their motion involves significant structural vibrations, especially after a grasping maneuver. In order to fulfill the maneuvers of space robotic systems it is hence necessary to properly model the forces acting on the space robot, from the main terms, such as the orbital motion, to the second order perturbations, like the gravity gradient and the orbital perturbations; also flexible excitation of the links and of the joints can be of great importance in the manipulators dynamics. The case is furthermore complicated by the fact that the manipulator, together with its supporting spacecraft, is an unconstrained body. Therefore the motion of any of its parts affects the entire system configuration. The governing equations of the dynamics of such robotic systems are highly nonlinear and fully coupled. The present paper aims at designing and studying active damping strategies and relevant devices that could be used to reduce the structural vibrations of a space manipulator with flexible links during its on orbit operations. In particular an optimized adaptive vibration control via piezoelectric devices is proposed. The number of piezoelectric devices, their placement and operational mode should be correctly chosen in order to obtain maximum performance in terms of elastic oscillations reduction and power consumption. Even though an optimal placement cannot have a universal validity, since it depends on the type of maneuver and on the overall inertial and geometrical characteristics, an approach to solve the problem is proposed.     

空间机械臂非完整运动规划的遗传算法研究

带空间机械臂航天器系统在无外力矩作用时，系统相对于总质心的动量矩守恒而变为非完整系统。由于非完整约束的不可积性，非完整系统的运动规划与控制比一般系统要困难得多。现利用非完整特性研究了自由漂浮空间机械臂的三维姿态运动控制问题。首先导出带空间机械臂的航天器三维姿态运动数学模型，并将系统的控制问题转化为无漂移系统的非完整运动规划问题。在运动规划中，根据最优控制原理和优化理论，提出基于遗传算法的最优运动规划数值算法。通过数值仿真，表明该方法对空间机械臂及航天器三维姿态运动的非完整运动规划是有效的。     

空间连续型机器人位姿与构型的能量整形控制

针对空间连续型机器人(SCR)位置和姿态机动、连续型机械臂变形控制以及系统受到外界干扰的问题，基于连接与阻尼配置-无源性控制(IDA PBC)方法设计了控制器。通过能量整形得到空间连续型机器人期望的能量函数，再对系统注入阻尼使其渐近稳定。利用非线性干扰观测器估计系统受到的干扰，并对外界干扰进行补偿。仿真结果表明：设计的控制器可以使空间连续型机器人机动到指定的位置和姿态，同时控制连续型机械臂变形为期望的构型，并且具有主动抗干扰的能力。通过选择合适的能量整形系数和阻尼注入系数，可使系统以期望的动态性能到达指定的平衡点。