对接机构动力学仿真

以神舟飞船的对接机构为研究对象,介绍了不同研制阶段仿真的任务规划,给出了研究中的对接机构仿真分析的捕获缓冲参数设计、数字样机、对接过程动力学仿真评估、试验验证与模型修正,以及对接动力学试验等。     

周边式对接机构对接捕获阶段的三体力元动力学模型

在空间交会对接过程中，从首次接触碰撞到完成捕获这一阶段称为对接捕获阶段，对对接捕获阶段动力学性态的研究是空间交会对接技术的关键，建立动力学模型进行仿真是研究的一个有效途径。以有内导向瓣异体同构周边式对接机构为研究对象，从机构的物理模型出发建立了对接捕获阶段的三体力元模型。该模型考虑了缓冲系统六个方向之间的耦合和缓冲系统中齿轮等转动部件惯量的影响。并在动力学仿真软件DADS的接口上开发相应的用户模块。在DADS平台上完成对接过程的动力学仿真。     

空间对接机构技术综述

对空间对接机构及其技术进行了综述。将空间对接机构分为载人大型对接机构和非密封小型对接机构两大类,阐述了空间对接机构的物资补给与人员轮换、大型航天器或平台在轨装配、航天器在轨服务,以及探测器飞行过程构型优化等主要用途。将空间对接技术划为早期探索、实用、发展成熟和深入发展4个阶段。归纳了主要空间对接机构的特点。分析了空间对接技术中的总体设计、关键部件研制、对接力学仿真、对接机构试验等难点。回顾了我国空间对接技术的发展历程,以及突破的总体技术方案、捕获与缓冲设计、连接设计,以及其它设计要素等关键技术。给出了我国空间对接机构应用取得的重大成就。介绍了国外载人弱撞击式对接机构、停靠性对接机构和卫星对接机构等新型空间对接机构的研究背景、进展和涉及的关键技术。提出了未来我国空间对接技术发展路线,建议开展弱撞击对接系统、卫星对接机构的研究,并将合作目标对接技术向非合作目标捕获方向拓展。     

空间对接机构技术及其研制

给出了空间对接机构的传动缓冲、捕获、连接密封、结构与附件，以及控制等子系统的组成和功能，阐述了对接和分离基本过程。以及其中的备份操作。分析了对接机构的总体设计、动力学仿真、部件研制和地面试验等关键技术。     

空间飞行器对接动力学研究

异体同构周边式对接机构是目前飞船对接已经采用了的一种对接机构。本文详细地分析了具有这种对接机构的飞船的对接动力学。对接过程分三个阶段进行,捕获与接触;调整对接环;对接成功后的飞船姿态调整。 本文根据Jourdain—Bertrand原理推导并给出这三个阶段的对接动力学模型。同时,给出一组数字仿真结果。     

面向智能微纳星站的锥-杆型对接机构设计

针对传统杆-锥对接模式,提出了一种用于智能微纳星站母星与子星的对接、装载、存储与分离的新型锥-杆对接机构方案.母星接收杆能与子星的对接锥实现自主捕获与对接,且能作为子星的入舱导轨和停靠支架,完成装载、存储与分离.给出了新型锥-杆对接机构设计,用参数化方法建立了虚拟样机模型.基于捕获阶段动力学建模,用Adams解算器对对接与分离过程进行仿真.结果表明:该锥-杆对接机构满足设计指标.     

空间对接机构结构锁传动原理分析

针对异体同构周边式对接机构，提出了两种结构锁主动锁钩传动方案，分别对其运动原理及特点进行分析比较。数值仿真结果表明，在不同的电机驱动功率、作动时间和执行端行程等条件下，结构锁传动系统应采用不同传动方案。     

类杆锥式对接机构捕获动力学分析与参数设计

针对面向在轨服务的小型航天器上使用的类杆椎式对接机构,给出了其参数设计及其 动力学分析方法。采用虚功率原理和赫兹模型建立了对接机构的整体接触碰撞动力学模型, 通过对不同初始条件下捕获阶段动力学仿真评价完成了缓冲阻尼参数的设计,实现了对接机 构的整体性能满足设计目标要求。     

碰撞触发式非合作目标对接捕获机构设计

针对非合作目标航天器对接与捕获,设计了一种新型的对接机构.根据非合作目标不配合对接过程,且一直处于运动状态的特点,进行了概念设计.采用了自主的、依靠碰撞触发瞬时触发的对接模式.基于对机构动力学建模分析,用Adams解算器完成了对接过程的数学仿真,验证了机构能有效进行对非合作目标的自主捕获,确定了对接机构的正常工作相对速度范围.     

对接机构综合试验台运动模拟器建模分析

空间对接机构六自由度综合试验台，是对接机构研制所必须的地面试验设备之一，用于对接机构空间对接过程的仿真试验，全面考核对接机构的捕获与缓冲校正能力。利用虚功原理建立了对接机构综合试验台运动模拟器的多体动力学模型，该模型全面地表征了六自由度运动模拟器的动力学特性，且具有简单、通用的形式，对六自由度运动平台的液压驱动系统进行了建模，从而建立六自由度运动模拟器系统模型。在建立该模型的基础上，使用Simulink对运动模拟器的位置跟踪特性进行了仿真分析，结果表明所设计的控制系统满足工程试验的需求。     

Variable structure maneuvering control with time-varying sliding surface and active vibration damping of flexible spacecraft with input saturation

This paper presents a dual-stage control system design method for the three-axis-rotational maneuver and vibration stabilization of a spacecraft with flexible appendages embedded with piezoceramics as sensors/actuators. In this design approach, attitude control system and vibration suppression were designed separately using lower order model. The design of attitude controller was based on variable-structure control (VSC) theory leading to a discontinuous control law. To accomplish asymptotic attitude maneuvering in the closed-loop system and be insensitive to the interaction of elastic modes in the presence of unknown disturbances/uncertainty and input saturation as well, a switching mechanism is employed to design the attitude controller such that outside the sliding region VSC law with a time-varying sliding surface is implemented and inside the region the VSC law with a linear sliding surface is activated. Furthermore, a hyperbolic tangent function in conjunction with a sharpness function permitted to vary with time according to a set of user-defined parameters is implemented to offset the disadvantages of existing saturation-respecting controller and chattering. In addition, for actively damping the excited elastic vibrations during attitude maneuvering, modal velocity feedback and strain rate feedback control design methods are presented and compared by using piezoelectric materials as additional sensors and actuators bonded on the surface of the flexible appendages. Numerical simulations are performed to show that rotational maneuver and vibration suppression are accomplished in spite of the presence of disturbance torque, parameter uncertainty and control saturation nonlinearity.     

Decentralized vibration control of a multi-link flexible robotic manipulator using smart piezoelectric transducers

The work in this paper is aimed to investigate the use of a decentralized control system for suppressing vibration of a multi-link flexible robotic manipulator using embedded smart piezoelectric transducers. To achieve this, a non-linear dynamic model of a flexible robotic manipulator with smart piezoelectric actuators/sensors, is developed based on the co-rotational finite element method. The method incorporates multiple co-ordinate (co-rotational) systems which rotate and translate with each element, so that the geometric non-linearity present in rotating manipulator system can be dealt with efficiently. The placement of piezoelectric actuators and sensors over the flexible links are considered for the application of decentralized control system. A numerical study shows that the developed co-rotational finite element method can be utilized to investigate the piezoelectric actuator/sensor placement and vibration control performances for a multi-link flexible manipulator undertaking complicated motion.     

挠性结构主动控制系统中执行机构配置与系统可控性的关系研究

研究了挠性结构主动振动控制系统中执行机构的配置与系统可控性的关系,针对可以简化为梁结构的挠性结构,分析了为了保证系统可控性所需要配置的执行机构的具体数目,得到了定量的结论。     

航天器轨道控制系统的智能设计方法与仿真

本文介绍了将智能控制方法用于航天器交会对接段的轨道控制。通过建立系统的特征模型、知识库、数据库和规则库并且构造出相应的推理机构和控制逻辑,为航天器的轨道控制过程设计了一种专家式智能控制器。仿真结果表明了此系统具有较好的跟踪性能。     

基于Hexapod的精密跟瞄平台研究

针对精密光学设备的空间应用,设计了基于并联机构的空间高稳定精密跟瞄系统。利 用所设计的宏／微双重驱动复合作动器和精密铰接元件,研制了精密跟瞄Hexapod平台原理 样机,考虑到精密跟瞄系统的特点,开发了包括宏动控制系统、微动控制系统和检测系统在 内的实验测试系统,并利用实验初步测试了Hexapod平台原理样机关键性能。由实验结果可 知,平台原理样机的转动范围超过10°,最高开环转动速度大于5 deg／s,经压电微动部 分补偿后的平台静态定位误差小于5 μrad,通过主动控制使扰动振幅衰减至噪声水平 ,可用于驱动有效载荷以较高的速度在较大范围内搜索目标并具有较好的静态定位精度和稳 定性。
     

对接综合试验台轨迹规划算法研究

为实现模拟空间两飞行器对接动力学过程的对接综合试验台的平稳对接，提出了一种基于加速度控制的轨迹规划算法。给出了不同初始条件下的规划方法，以及时转动自由度的特殊处理。物理试验结果表明，规划模型能精确控制平台从初始零位运动到主被动对接机构初次接触位置，且最后时刻平台姿态与对接试验的初始条件完全吻合。该算法可直接用于对接综合试验台的控制。     

基于自抗扰技术的挠性航天器高精度指向控制

针对存在外部干扰和模型不确定性的挠性航天器,提出了一类新颖的基于自抗扰技术的控制方案,实现无姿态角速度反馈的航天器对目标高精度姿态指向控制。对目标相对姿态指向控制系统进行建模,引入一光滑连续秦函数,构造三阶扩张观测器,观测系统姿态角速度和总扰动,并利用其实现动态补偿线性化及扰动抑制。针对单框架控制力矩陀螺群作为执行机构常存在的奇异,引入零空间空转指令设计了一类奇异避免操纵律。将控制系统方案用于某挠性航天器模型,仿真结果验证了方案的有效性、合理性。     

考虑执行机构故障的导弹姿态控制系统的集成容错控制

研究了一类发动机十字型布局的导弹姿态控制系统的容错控制问题,提出了一种考虑执行机构故障的导弹姿态控制系统集成容错控制方法。该方法针对执行机构的恒增益变化故障和卡死故障,首先提出了集成容错控制的总体策略,然后分别基于线性矩阵不等式方法和故障补偿思想,给出了在圆盘极点指标和H∞指标两个相容指标约束下的状态反馈满意容错控制器和故障补偿器的设计方法。最后在Matlab/Simulink环境下将该方法应用于导弹姿态控制系统进行仿真实验,结果表明了该方法的有效性和可行性。     

大型柔性空间结构的极点配置变结构主动控制

本文针对大型柔性空间结构(LFSS)的主动控制问题,提出耦合主动控制的方法。该方法不要求对象模型解耦,而以结构动力学变量作为系统状态,通过敏感器和执行机构的协调配置,对各动力学变量进行直接测量和控制。基于该方法,本文设计了LFSS的多变量极点配置变结构主动控制系统,并针对对称型两板空间站进行了仿真,取得了满意的结果。