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。     

双连杆柔性机械臂的动力学仿真

基于柔性杆件的有限段模型，利用Lagrange方程建市了包含刚性支座的双连杆柔性机械臂的刚、柔混合多体系统动力学模型并完成了系统的动力学仿真。仿真结果表明，有限段方法用于处理含柔性杆件的多柔体系统动力学问题是行之有效的，既可在宏观层次上模拟各柔性臂的大范围刚体运动，又可在微观层次上模拟各柔性臂的弹性振动，能够准确地反映此类系统刚柔耦合运动特性。     

柔性空间机械臂动力学模型

本文叙述三种柔性空间机械臂的动力学模型,它们的差异在于用不同的方法描述机械臂的弹性变形,即用有限元法、集中参数法和解析法。     

目标捕获后航天器组合体的角动量转移与抑振规划

针对失稳目标捕获后航天器组合体的位姿调整与稳定问题，提出一种组合体角动量转移与振动抑制复合规划方法。首先建立了同时考虑了空间机械臂、目标卫星太阳翼、服务卫星太阳翼等柔性构件的航天器组合体动力学模型。然后提出角动量转移优化方法，规划机械臂最终构型，保证组合体相对稳定后的角速度最小；基于粒子群算法设计了机械臂最优抑振轨迹规划方法，抑制角动量转移过程中的机械臂和太阳翼的柔性振动。最后通过数值仿真验证了规划方法的有效性。仿真结果表明，该方法能够有效实现组合体的角动量转移，并显著降低组合体的柔性振动，具有工程实用性。     

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。     

考虑臂杆柔性的空间机器人逆动力学仿真研究

本文在考虑臂杆柔性的情况下，利用拉格朗日公式推导出空间机器人操作臂的动力学方程。基于所得到的非线性模型，在最优控制理论的基础上，用Ｔｒｅａｎｏｒ法结合打靶法研究了其动力学逆问题的解法及振动的有效控制问题，并以平面二臂杆空间机器人操作臂为例进行了逆动力学仿真的研究，仿真结果很好。     

航天器机械臂柔性力控辅助装配方法

文章从装配的实际需求出发,提出一种航天器机械臂柔性力控辅助装配方法:通过在机械臂末端法兰与负载之间安装的六维力传感器感知作用力与力矩信息,人手直接作用于机械臂末端的负载,系统通过负载的重力补偿算法获得人手作用的力与力矩信息,而后以力/力矩信息作为输入来控制机械臂进行移动或转动,使负载柔性跟随人手运动。文章给出了装配方法的详细设计方案与相关算法,并进行了初步试验验证。试验表明,该装配方法可以有效提高在航天器狭小空间内进行大重量工件安装的效率,且安全可靠。     

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。     

含板类柔性附件的充液航天器动力学研究

对含有板类柔性附件和曲壁轴对称充液储腔的复杂航天器系统进行动力学建模和耦合机理研究。首先，采用Kirchhoff-Love薄板理论对航天器的板类柔性附件进行研究，通过D’Alembert原理得到柔性附件的振动方程，运用模态假设法将混合方程转换为常微分方程。其次，通过推导充液航天器储腔内任意点的运动，得到储腔液体的牵连速度势函数，采用Gauss超几何级数得到液体相对速度势函数的解析形式，通过Hamilton变分原理推导液体晃动的运动方程，以及液体速度势函数模态系数的控制方程。最后采用准坐标Lagrange方程得到耦合航天器系统的状态方程，通过数值仿真校验系统动力学模型的有效性。研究结果表明，刚性平台、液体、柔性附件的相互耦合效应使得航天器系统存在复杂动力学行为，在复杂航天器系统动力学建模过程中需要充分考虑液体晃动和柔性附件振动的影响，柔性附件的安装位置对于耦合航天器系统的动力学行为也有着重要影响。     

基于干扰补偿的航天器直接自适应模糊控制

带有活动式有效载荷和挠性附件的大型航天器在动力学上具有非线性、大挠性、强耦合等特点,这给控制系统的设计带来了较大难度。其突出特点是要求控制系统在控制量受限的情况下克服各种未知复杂干扰力矩的影响。本文针对这类大型复杂航天器,提出了一种基于直接型自适应模糊逻辑和干扰补偿的控制方法。在控制律的设计中,将自适应模糊系统直接用作系统的主控制律,利用扩张状态观测器对模糊系统的逼近误差和内外干扰力矩进行观测并予以实时补偿。仿真结果表明了方法的有效性。     

大型空间电站在轨展开与组装动力学与控制

针对大型空间电站在轨展开与组装过程中复杂的动力学环境，将桁架类大型空间电站视为一个刚柔多体系统，采用自然坐标法对刚性构件建模，基于绝对节点坐标方法描述柔性桁架结构，编写了一套动力学仿真软件，实现了大型空间电站在轨展开与组装动力学的精确仿真。仿真结果表明，采用摆线运动插值函数作为控制方程有利于提高多级展开过程的稳定性；在结构组装过程中，减小组装速度，增大组装机构阻尼系数与劲度系数，有利于提高结构稳定性。最终集成了一套针对大型空间电站的动力学仿真平台搭建方法，为大型空间电站在轨展开与组装动力学预示提供了理论依据和方法指导。     

可变构型复合柔性结构航天器动力学建模研究

针对中心刚体加复合柔性结构类航天器采用混合坐标法和子结构模态综合法，建立了可变构型复合柔性结构航天器低阶动力学模型。获得的柔性动力学方程及其各类耦合系数矩阵，适用于全星级可变构型系统和部件级复合柔性附件系统的控制系统设计与仿真，该模型具有阶数低和工程实用的特点。     

General background and approach to multibody dynamics for space applications

Multibody dynamics for space applications is dictated by space environment such as space-varying gravity forces, orbital and attitude perturbations, control forces if any. Several methods and formulations devoted to the modeling of flexible bodies undergoing large overall motions were developed in recent years.Most of these different formulations were aimed to face one of the main problems concerning the analysis of spacecraft dynamics namely the reduction of computer simulation time. By virtue of this, the use of symbolic manipulation, recursive formulation and parallel processing algorithms were proposed. All these approaches fall into two categories, the one based on Newton/Euler methods and the one based on Lagrangian methods; both of them have their advantages and disadvantages although in general, Newtonian approaches lend to a better understanding of the physics of problems and in particular of the magnitude of the reactions and of the corresponding structural stresses. Another important issue which must be addressed carefully in multibody space dynamics is relevant to a correct choice of kinematics variables. In fact, when dealing with flexible multibody system the resulting equations include two different types of state variables, the ones associated with large (rigid) displacements and the ones associated with elastic deformations. These two sets of variables have generally two different time scales if we think of the attitude motion of a satellite whose period of oscillation, due to the gravity gradient effects, is of the same order of magnitude as the orbital period, which is much bigger than the one associated with the structural vibration of the satellite itself. Therefore, the numerical integration of the equations of the system represents a challenging problem.This was the abstract and some of the arguments that Professor Paolo Santini intended to present for the Breakwell Lecture; unfortunately a deadly disease attacked him and shortly took him to death, leaving his work unfinished. In agreement with Astrodynamics Committee it was decided to prepare a paper based on some research activities that Paolo Santini performed during almost 50 years in the aerospace field. His researches spanned many arguments, encompassing flexible space structures, to optimization, stability analysis, thermal analysis, smart structure, etc. just to mention the ones more related to the space field (Paolo Santini was also one the pioneers of the studies of composite wing structures, aeroelasticity and unsteady aerodynamics for aeronautical applications). Following notes have been prepared by Paolo Gasbarri who was one of Paolo Santini collaborators for almost 15 years, they will attempt to offer a sketch of Professor Santini's activity by focusing on three main topics: the stability of flexible spacecrafts, the dynamics of multibody systems and the use of the smart structure technology for the space applications.     

挠性航天器混合H2/H∞输出反馈姿态控制（英文）

研究一类带有挠性附件的航天器的H2/H∞输出反馈姿态控制问题,所涉及的挠性航天器由刚性本体和挠性附件构成。由于挠性附件的振动和航天器本体姿态运动的耦合,再加之振动模态难以测量,对挠性航天器的姿态控制带来困难。针对该问题提出了基于H2/H∞理论的动态输出反馈控制器设计方法。动态输出反馈在模态变量不能测量的前提下也能有效控制航天器本体姿态,而H∞控制器具有很好的抗干扰能力,能有效抑制空间环境干扰力矩和模型不确定性对控制系统稳定性的影响。和纯H∞输出反馈控制算法相比,基于H2/H∞的设计同时提高系统的动态性能。数值仿真验证了所设计的控制方法对挠性航天器具有很好的姿态控制效果。     

柔性空间结构时间-燃料多目标优化控制研究

针对柔性航天器的rest\|to\|rest机动问题,研究了基于最小时间-最少耗能的多目标优 化开环控制问题。提出了空间柔性结构最小时间-最少耗能的多目标优化控制模型;然后采 用非支配排序进化求解算法（NSGA-II）,对某柔性结构进行了多目标优化控制的分析设计; 通过典型算例证明了本文算法的正确性和有效性,并可应用于柔性航天器姿态机动控制器的 分析设计之中。
     

Stewart平台动力学建模及鲁棒主动隔振控制

未来复杂航天器低频模态密集,其敏感载荷要求很高的指向精度和稳定度,只对航天器本体姿态控制很难满足要求.本文采用Stewart超静平台对敏感载荷进行6自由度主动隔振,建立了非线性动力学模型,并根据线性模型设计了多变量鲁棒控制器,采用DK迭代算法求解.频域分析可得Stewart平台对3～800Hz的扰动主动隔振大于25dB,仿真证明Stewart平台对10Hz谐波扰动隔振性能优于40dB,对白噪声随机扰动隔振性能优于30dB,有效抑制了微小扰动,起到了6自由度超静隔振平台作用.     

Dynamics of the orbiter based construction of structural components for space platforms

A relatively general formulation for studying liberational dynamics of a large class of spacecraft during deployment of arbitrarily oriented beam and plate type flexible members has been developed by the authors. The formulation is applicable to a variety of missions ranging from deployment of antennas, booms and solar panels to manufacturing of trusses for space platforms using the Space Shuttle. The governing nonlinear, nonautonomous and coupled equations of motion are extremely difficult to solve even with the help of a computer, not to mention the cost involved. To get some appreciation as to the complex interaction between flexibility, deployment and attitude dynamics as well as to help pursue stability and control analyses, the procedure is applied to the Space Shuttle based deployment of plate-like members. Results suggest substantial influence of the flexural rigidity of the appendages, deployment velocity, initial conditions, and appendage orientation on the system response. Deployment maneuvers in conjunction with a typical controlled time history of permissible liberational rates suggest flexible plate members to be stable. In general, the instability is triggered through roll excitation leading to unbounded yaw due to coupling. The results should prove useful in planning of the Orbiter based experiments aimed at studying dynamics and control of flexible, deployable structural components needed in construction of space platforms.     

基于特征模型的挠性悬臂板控制

针对航天器上太阳帆板这种悬臂外伸薄板结构的挠性附件 ,存在环境扰动下所引起的振动 ,本文采用压电智能结构作为执行器对悬臂板进行主动振动控制。基于板系统的特征建模 ,并结合自适应控制对挠性板的主动控制进行了研究。通过仿真研究结果与应变律反馈控制比较 ,表明该方法的有效性     

低轨航天器磁推进方法

基于地球空间磁场的磁作用效应,提出了一类低轨航天器无工质消耗的磁推进方法,并对航天器的高度保持进行了研究。该方法具有作用机理明晰、物理结构简单、控制策略灵活等特征。以磁场对磁体作用的磁矩理论为基础,建立了带磁航天器飞行的磁推力模型,提出了基于磁力线追踪策略的轨道高度保持方法。利用熟知的IGRF11地磁模型,通过数值仿真计算,验证了磁推进方法对于600～1000km圆轨道航天器进行高度保持的有效性。