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。     

空间机械臂关节动力学建模与分析的研究进展

空间机械臂的机械部分是一个由关节和臂杆等结构、机构部件组成,在空间零重力环境下运行的多体系统。关节是空间机械臂的核心部件,在机械臂动力学特性中起着重要的作用。准确全面地了解关节的动力学特性,是正确分析与模拟机械臂系统空间运动特性的关键,而建立精确的关节动力学模型,是机械臂系统设计、分析和控制的基础。文章结合空间应用的特殊性,对机械臂关节动力学建模方法的发展过程和研究成果进行了总结;并讨论了关节模型的求解算法;最后,对空间机械臂关节动力学建模与分析方面有待进一步研究的问题进行了展望。     

柔性机械臂关节作动的振动抑制方法和原理性验证

空间机械臂具有柔性大、振动频率低等特点，受激后振动的持续时间长、自然衰减慢。针对空间机械臂运行完成后留存的残余振动，采用固定界面子结构方法推导出关节转动与航天器-机械臂组合体振动的动力学显式关系。从中发现了控制关节转动并使其角速度正比于组合体振动的模态坐标，便能消耗组合体的机械能，加速组合体振动衰减的力学机理。据此，设计了逻辑关系简洁的机械臂关节角速度控制律，分别通过数值仿真和试验件实测对航天器-机械臂组合体的原理性模型开展了振动抑制效果的验证。结果表明:机械臂关节作动可以显著缩短受激后组合体残余振动的持续时间。     

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。     

考虑关节柔性的双连杆机械臂振动控制及实验研究

为了研究含有柔性关节的双连杆柔性机械臂的振动控制问题,采用绝对坐标方法对臂杆和关节进行建模,得到了刚柔耦合的双连杆机械臂动力学模型;对比研究了PD和LQR控制方法对柔性机械臂主动控制效果,针对柔性机械臂的实际工程需求,提出了一种LQR-PD联合控制策略,设计了相应的控制器并进行了仿真控制研究,同时结合搭建的双连杆柔性机械臂地面模拟平台进行了模拟实验。研究结果表明,该控制策略不仅能实现关节轨迹的精确跟踪,而且能有效抑制臂杆末端的残余振动,具有重要的工程价值和良好的应用前景。     

柔性航天器动力学模型的模态综合—混合坐标法建模研究

针对现代航天器中包含复合柔性结构的特点,本文通过将柔性航天器动力学建模的混合坐标法与结构动力学分析的模态综合法相结合,提出了模态综合—混合坐标建模方法。此方法拓宽了混合坐标法的应用范围,使其适用于包含刚体和复合柔性结构的航天器的动力学建模。     

平面型两关节空间机器人的自适应轨迹控制

基于参数线性分离方法，得到了平面型两关节空间机器人线性参数化形式的动力学模型，这种模型非常适合于采用自适应控制方法。控制策略考虑了机器人各关节之间的耦合及机械臂与基座航天器之间的耦合，对航天器姿态的控制和机械臂的控制进行综合，在满足手端跟踪期望轨迹的同时，保证航天器姿态基本不变。控制器由一个PD反馈项和一个补偿动力学不确定性的非线性自适应反馈项构成，能够保证对期望关节轨迹的全局渐进跟踪，提高了空间机器人操作的适应性和安全性。     

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。     

机械臂初始构型对航天器姿态干扰力矩的影响研究

针对机械臂在笛卡尔空间的轨迹规划,文章提出一种初始构型的最优化方法。首先,采用牛顿-欧拉法建立七自由度空间机械臂的逆动力学方程,从而得到机械臂的反作用力、力矩和机械臂的运动学参数之间的对应关系。其次,利用关节角参数法得到七自由度冗余机械臂的各种初始构型,并基于速度级逆运动学对机械臂进行不同初始构型下的轨迹规划。仿真表明:在不同的初始构型下对机械臂末端进行轨迹规划,机械臂在运动过程中对基座产生的反作用相差较大。因此,通过调整机械臂的初始构型,能大大减小其在运动过程中对航天器的干扰力矩。最后,给出算例验证了方法的有效性,按此方法可找到一种使航天器所受反作用力矩峰值最小的初始构型。     

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。     

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。     

变拓扑多臂航天器高效统一动力学建模

针对多臂航天器在轨操控过程中可能存在的多链、闭环、环链混合等多种拓扑构型及相应的动力学模型变化,提出基于空间算子代数理论(SOA)的高效统一动力学建模方法。首先,提出了描述多臂航天器部件连接关系的构型参数,并基于构型参数提出了多臂航天器拓扑构型描述矩阵的自主生成方法。其次,基于空间算子代数理论,将通路矩阵与空间转移算子相结合,提出了变拓扑多臂航天器统一动力学建模方法。最后,将数值仿真结果与多体动力学仿真软件的仿真结果进行比对,验证所提方法的有效性。仿真结果表明,对于不同的拓扑结构,所提出的O(n)阶统一动力学建模方法能准确描述变拓扑情况下的多臂航天器动力学响应。     

面向空间近距离操作的机械臂与服务卫星协同控制

针对航天器在轨服务任务中涉及的空间近距离操作需求，提出一种机械臂与服务卫星协同控制方法。首先建立了机械臂和服务卫星组合体动力学模型以及服务卫星和目标卫星相对位姿耦合动力学模型。然后采用全局终端滑模控制设计了机械臂轨迹跟踪控制方法，采用PD控制设计了服务卫星相对位姿耦合控制方法，并将机械臂反作用力和力矩作为前馈补偿叠加到服务卫星控制系统中，实现了两者的协同控制。最后通过数值仿真验证了控制方法的有效性。仿真结果表明，该方法能够满足空间近距离操作任务对机械臂和服务卫星的控制精度、稳定性和误差收敛时间的要求，具有工程实用性。     

黏弹阻尼技术在航天器上的应用与展望

黏弹阻尼技术作为一种被动振动控制技术,可有效改善航天器的载荷环境.文章对黏弹阻尼技术在航天领域的应用(包括航天器发射段和在轨段)进行了综述,指出了航天黏弹阻尼技术发展的薄弱环节,提出了有针对性的4项建议,涵盖了建模、空间环境试验、优化技术和试验验证方面的内容,并对未来技术的发展作了展望.     

航天器力学环境分析与条件设计研究进展

航天器力学环境条件是航天器及其部组件设计和地面试验验证的主要依据,直接影响着航天器的总体设计水平。随着我国航天事业的飞速发展,对航天器及其有效载荷的设计提出了越来越高的要求,而力学环境分析与条件设计技术已经成为制约我国航天器荷载比提高的瓶颈技术。本文重点针对航天器力学环境分析与条件设计技术所涉及的航天器力学环境预示理论方法,高精度有限元建模与模型修正技术以及航天器力学环境条件设计技术三个方面国内外研究进展进行了回顾,特别是对近五年来我国航天工业部门在航天器力学环境分析与条件设计领域取得的成就进行了综合评述。在此基础上,结合我国航天工程的实际需求,分析指出了今后在航天器力学环境分析与条件设计领域的主要研究方向。     

空间机械臂辅助深层采样阻抗控制策略

针对空间机械臂辅助深层采样任务中的建模与控制问题,基于刚体李群SO(3)方法对机械臂进行建模。通过梯形规划对机械臂进行轨迹规划,采用阻抗控制方法控制机械臂运动。推导了李群SO(3)模型下机械臂关节空间与末端笛卡尔空间之间的雅可比矩阵,并且得到了两个空间的相互转换关系。采用锥互补方法计算采样机械臂与复杂接触面的碰撞力,并基于非光滑算法求解锥互补条件与系统动力学方程。通过对比位置控制与阻抗控制,证明了阻抗控制在实际应用过程中能够更加柔顺地控制机械臂与接触面进行接触。通过对控制参数进行调整,探究了不同控制参数对机械臂控制的影响,优化得到了合适的控制参数,从而能控制机械臂辅助完成深层采样的任务。     

新型柔索式杆束结构压紧释放装置

针对空间机械臂、空间可展开天线等空间机构在收拢状态的杆束结构压紧与释放问题，提出一种基于柔性索捆绑压紧与热刀释放的新型压紧释放装置。建立了柔索式压紧释放装置锁紧状态的力学模型，分析了静态压紧和考虑惯性载荷情况下的绳索预紧力变化情况，得到了满足可靠压紧的绳索预紧力设计值。基于质量和刚度等效，设计了机械臂杆束结构力学等效件，并进行了正弦与随机振动力学试验。试验结果验证了所设计的柔索式杆束结构压紧释放装置的可行性，并可以推广到具有复杂包络的杆束结构压紧释放中。