空间机械臂捕捉空间目标分析

基于建立的空间机械臂系统的运动学与动力学模型,以及动量守恒关系,对空间机械臂抓取空间目标进行了分析。讨论了两关节机械臂4种碰撞力方向及其对应的机械臂系统耦合角动量、关节转角的变化,提出了直臂抓取方案。仿真结果表明：通过控制碰撞力方向可有效减少碰撞力对系统耦合角动量、关节转角的影响,进而避免混合体控制的关节与力矩限制。     

空间机器人抓取未知目标的质量特性参数辨识

根据动量守恒定理,研究了单臂自由飘浮空间机器人抓取未知目标的质量特性参数辨识问题。已有文献中基于动量守恒原理进行的参数辨识只适用于系统线动量和角动量为零的情况,当两者不为零时无法得到正确的辨识结果。为解决此问题,本文首先在惯性系而非本体系下推导得到了机械臂抓取未知目标后的系统线动量和角动量,保证了其各分量的守恒特性。然后基于此特性,通过在轨测量两个时刻机器人本体的线速度、角速度以及机械臂各关节的角速度和转角信息,建立了含有未知目标质量特性参数的动量增量方程。最后根据三组测量信息,从联立的动量增量方程组中求解得到未知目标的质量特性参数。数值仿真表明,此方法在系统线动量和角动量为零和不为零两种情况下都能实现高精度的参数辨识,同时还避免了方程求解的奇异问题。     

细胞化卫星分布式角动量平衡力矩分配算法

针对细胞化卫星姿态控制系统中细胞模块数量多、控制器细胞通信压力大的问题，提出了一种分布式控制力矩分配算法。该力矩分配算法先将力矩分配问题转化为带耦合等式约束的凸优化问题，然后通过分布式的方式求解该优化问题。在力矩分配过程中，控制器细胞只需要提供期望力矩，因此降低了通信压力。同时，该算法在优化目标函数中引入角动量能力因子，使飞轮细胞可以根据自身的角动量水平决定其力矩输出。数值仿真结果表明，该分布式分配算法可以保证分配后的力矩与期望力矩相等，且实现了平衡飞轮系统角动量的目的，进而可以通过卸载部分细胞的角动量来卸载整个飞轮系统的角动量。     

低轨偏置动量卫星气动干扰力矩补偿控制研究

针对低轨卫星由于气动干扰力矩较大导致偏置动量控制精度较低的问题,理论分析了气动干扰力矩并进行建模,讨论了基于角动量与角速率作用产生陀螺力矩的影响。固定偏置动量卫星X、Z轴基于磁力矩器控制,气动干扰力矩严重时又处于磁不可控区,为确保姿态控制精度,考虑增加1台反作用飞轮抑制气动干扰力矩,反作用飞轮可与偏置动量轮组成单自由度偏置动量控制,反作用飞轮用作补偿轮,沿X轴安装。采用飞轮角动量补偿和磁补偿方法提高固定偏置动量控制精度:为防止赤道上空X轴处于磁不可控区时补偿轮角动量变化对X轴的干扰,对补偿轮角动量输出进行限幅,给出了补偿算法;为防止反作用飞轮限幅后角动量对Z轴产生干扰,设计了磁补偿控制策略。仿真结果表明:在同时采用角动量补偿和磁补偿后三轴姿态控制精度0.2°,较无补偿时有大幅提高。     

欠驱动航天器飞轮控制方法

针对应用任意剪刀对构型飞轮群的欠驱动刚体航天器姿态控制问题,将飞轮群与航天器看作整体系统进行建模,从整体系统可控性角度分析采用传统模型进行控制系统设计存在的局限性。随后通过对飞轮群角动量集合描述,得出航天器姿态可机动集合。由于飞轮群构型的任意性及航天器的欠驱动特性,导致具有初始角动量的整体系统难以针对系统状态方程采用Lyapunov函数方法进行状态反馈控制器设计,同时为了保证存在外扰动力矩的航天器姿态机动精度,采用非线性预测控制方法实现系统的反馈控制。所提控制算法实现了任意飞轮群剪刀对构型、飞轮群角动量非饱和条件下,任意系统初始角动量欠驱动航天器在姿态可机动集合中的机动控制。仿真结果表明,系统具有良好的控制性能及精度。     

基于滚动信息反馈的偏置动量卫星滚动/偏航回路姿态控制器设计

以偏置动量卫星为背景,针对滚动/偏航回路的姿态控制,采用频率分离法分析设计了基于滚动信息反馈的控制器,并给出控制参数的合理选取范围。卫星俯仰回路采用常用的偏置动量轮控制,其滚动/偏航轴上各安装一个反作用飞轮以完成姿态控制。同时,卫星三轴配置磁力矩器以实现动量轮/反作用飞轮的角动量卸载。最后进行了数学仿真,结果表明,卫星滚动/偏航轴的姿态指向控制的精度和稳定度分别达到0.05°和0.001(°)/s,验证了所设计的控制规律的可行性以及控制参数分析的合理性,具有一定的理论意义和工程应用价值。     

基于iSIGHT的磁悬浮反作用飞轮优化设计

针对一种额定角动量为15Nms的磁悬浮反作用飞轮,分析了系统的控制模型,得知若飞轮转子质心位于上下径向磁轴承几何对称中心,可以减少控制参数的耦合,简化控制器设计。基于此分析结论,以优化设计软件iSIGHT为平台,对15Nms的磁悬浮反作用飞轮进行了多学科优化设计方法研究,改进了原有的优化设计方法,设计结果表明:在保证多约束条件下使转子质量达到最小,同时降低控制系统调试和检测的难度。此优化方法进一步提高了飞轮的设计和调试效率,有助于实现系统的高精度控制。     

自由漂浮空间机器人最小基座反作用轨迹规划

在自由漂浮空间机器人系统中,由于机械臂与基座之间存在动力学耦合,机械臂运动会对基座产生不期望的反作用干扰,因此必须最小化基座反作用。为此,提出了一种关节空间内点对点轨迹规划的方法。首先,利用sin函数参数化关节轨迹;然后根据基座反作用和运动约束定义适应函数;最后利用混沌粒子群优化(CPSO)算法搜索空间机械臂的全局最优轨迹,使基座反作用最小。该方法考虑了机械臂的关节角、关节速度和加速度约束。给出一个仿真算例来验证该方法的有效性。规划的轨迹连续平滑,适用于多自由度空间机械臂。     

使用混合执行机构的快速机动卫星力矩分配算法

针对单框架控制力矩陀螺群（SGCMGs）存在奇异和单框架控制力矩陀螺（SGCMG）存在框架转速死区的问题,研究了SGCMG与飞轮联合作为执行机构的控制力矩分配算法,以SGCMG功耗、飞轮功耗和飞轮角动量的二次型加权矩阵求和为性能指标,提出了一种形式简洁的混合执行机构力矩分配算法,通过分析,证明该分配算法能够有效的避免SGCMGs的奇异;设计了一种SGCMG功耗加权矩阵的调节策略,解决了SGCMG陷入转速死区的问题,设计了一种飞轮角动量加权矩阵的调节策略,通过对加权矩阵的实时调节实现了对飞轮角动量的管理,解决了飞轮转速的饱和与过零问题。数学仿真结果验证了该力矩分配算法的有效性。     

角动量包及斜装飞轮的卸载系统

研究和设计以飞轮作为执行机构的卫星姿态控制系统要利用角动量包的概念。本文定义了两类不同的角动量包。一类取决于飞轮的安装形式,可应用于姿态捕获和姿态机动的设计中;另一类取决于控制系统的分配规律,可应用于飞轮正常控制模式和各种故障模式及卸载的设计中。对角动量包的分类和研究为解决多个斜装飞轮的卸载奠定了理论基础。本文通过实例介绍一种最佳斜装飞轮的卸载规律。     

A near-optimal control approach to 3D ball-in-socket joint space robot models with initial angular momenta

Control of space robots in the 3D space is known as one of the difficult problems in nonlinear control theory, and if there exist initial angular momenta for space robots, the control problem becomes an increasing challenge. However, it is quite important to take into account the existence of initial angular momenta from the aspect of realistic situations. This paper deals with a control problem for a 3D space robot of two rigid bodies with an initial angular momentum. First, we give a model of a space robot with an initial angular momentum, called the ball-in-socket joint model. We next propose a near-optimal control method for general nonlinear affine control systems based on the finite dimensional orthonormal basis and give some theoretical analysis for the method. Moreover, a near-optimal control algorithm is also shown. Then, we apply the near-optimal control algorithm to a 3D attitude control problem of the ball-in-socket joint model with an initial angular momentum, and illustrate numerical simulations in order to show the effectiveness of our method.     

自由浮动空间机械臂的最优控制

自由浮动空间机械臂所满足的动量矩守恒方程是一个非完整约束条件。首先把铰关节角速度作为输入，建立起系统的状态方程。然后把输入表示成待定系数的Ｆｏｕｒｉｅｒ 基组合，从而将最优控制转化为对代数问题的求解。最后用非线性最小二乘法迭代求出同时使载体和铰关节达到预定位形，而且使输入能量最小的最优控制。仿真算例说明，本文的方法是有效的。     

Stability-based SDRE controller for spacecraft momentum management

Momentum management of spacecraft aims to avoid the angular momentum accumulation of control momentum gyros through real-time attitude adjustment. An attitude control/momentum management controller based on state-dependent Riccati equation is developed for attitude-stabilized spacecraft. The governing equations of the system are formulated as three-axis coupled with full moment of inertia, which fully capture the nonlinearity of the system and are valid for systems with significant products of inertia or strong pitch to roll/yaw coupling. The state-dependent Riccati equation algorithm brings the nonlinear system to a linear structure having state dependent coefficients matrices and minimizing a quadratic-like performance index. The system equations are nondimensionalized, which avoid numerical problems at the same time make the weighting matrix more predictable. To guarantee closed-loop system stability, the state-dependent Riccati equation algorithm is also modified based on pole placement technique. The state-dependent Riccati equation is online calculated through the computational-efficient θ-D technique which reaches a tradeoff between control optimality and computation load. The dynamic characteristics of the system at torque equilibrium attitude are analyzed. Constraints on moment of inertia for successful momentum management are provided. Simulations demonstrate the excellent performance of the controller.     

控制力矩陀螺群奇异角动量超曲面仿真分析

用角动量超曲面仿真分析了控制力矩陀螺构型奇异的产生机理。基于控制力矩陀螺群动力学总角动量和输出控制力矩,讨论了典型构型奇异存在的状况,并确定了奇异点存在的判断依据,对五棱锥构型的显奇异和隐奇异进行了角动量超曲面仿真,发现能通过零运动脱离奇异状态的隐奇异点,为控制力矩陀螺群的操纵律设计提供了重要依据。控制系统数学仿真结果表明该分析法有效。     

Study of singular surfaces of systems of unsupported gyrodynes by the parameter continuation method

A system of two-degree-of-freedom force gyroscopes (gyrodynes) is considered to be used for spacecraft attitude control. Possible values of its total angular momentum form some finite region P in the frame of reference rigidly connected with the spacecraft. Near the boundary of this region and singular surfaces located inside it the control of the angular momentum is complicated or impossible. The program angular momentum of the gyrodynes, realizing the law of variation of the spacecraft orientation, should lie inside P and outside some singular surfaces, and due to this fact the boundary and internal singular surfaces should be studied. This work is dedicated to the numerical construction of region P and its internal singular surfaces by the method of parameter continuation. Using the results by E.N. Tokar’ we formalize sufficient conditions which in some cases allow one to determine the type of the singular surface. As an example, a system of six gyrodynes is considered, for which the regions of variations of the intrinsic angular momentum and singular surfaces are constructed. The possibilities of the system are demonstrated for the case when one gyrodyne fails.     

基于输出反馈的编队卫星姿态同步和跟踪控制

研究了卫星编队无角速度测量信息且采用局部信息交互时的姿态协同控制问题.以四元数为姿态描述手段,采用超前滤波方法重构星体绝对和相对角速度信息,设计了基于输出反馈的分散姿态同步和跟踪控制器.利用Barbalat引理和代数图论等对闭环系统的全局渐近稳定性进行了理论分析和证明.以六星编队为背景的数值仿真进一步验证了算法的有效性.     

欠驱动刚性航天器姿态的非完整运动规划粒子群算法

研究欠驱动刚性航天器姿态的非完整运动规划问题。众所周知航天器利用三个动量飞轮可以控制其姿态和任意定位，当其中一轮失效，航天器动力学方程表现为不可控。在系统角动量为零的情况下，系统的姿态控制问题可转化为无漂移系统的运动规划问题。基于粒子群优化技术设计了欠驱动刚性航天器姿态的非完整运动规划算法。通过数值仿真，并和遗传算法进行了比较，结果表明该方法对欠驱动航天器姿态运动规划是有效的。