一种复杂空间飞网系统参数优化设计方法

由轻质软绳索编织而成的空间飞网是为非合作目标捕获而提出的空间系统概念,在空间碎片和废弃航天器处理方面具有很大的应用潜力。从平台抛射出后,飞网在空间形成不稳定的网形,且网形变化规律受初始参数设计的影响较大。针对空间飞网系统设计与试验中系统参数匹配问题,本文提出以容错值作为飞网展开性能的定量描述,从捕获任务的层面,建立面向捕获容错的空间飞网系统参数优化数学模型;以抓捕固定距离、确定大小的目标任务为算例,联合Isight优化平台与ANSYS/LS-Dyna求解,得到飞网系统最优参数匹配,算例仿真结果表明结果的适用性;最后,利用试验设计和极差分析方法验证最优点的稳定性。研究的模型与方法为开展空间飞网系统地面及空间试验等工程应用提供理论依据。     

漂浮基空间机器人捕获卫星过程动力学模拟及捕获后混合体运动的RBF神经网络控制

 讨论了漂浮基空间机器人在轨捕获目标卫星过程的碰撞动力学建模,以及捕获操作结束后空间机器人与卫星混合体的稳定控制问题。首先采用多刚体动力学建模方法并结合空间机器人捕获目标卫星过程中的碰撞动力学特性,建立了漂浮基空间机器人在轨捕获漂浮卫星过程的动力学模型,并在此基础上计算出完成捕获操作后空间机器人与目标卫星混合体关节的运动速度。然后针对卫星及空间机器人系统惯性参数均是未知的复杂情况,应用上述模型、神经网络控制理论和Lyapunov稳定性理论,设计了空间机器人与卫星混合体在捕获过程碰撞冲击影响下稳定运动的高斯径向基函数神经网络控制方案,以达到对捕获卫星的有效控制。此外,高斯径向基函数神经网络控制方案具有不需要测量和反馈载体位置、移动速度与加速度的显著优点。系统数值仿真证实了上述控制方案的有效性。     

“绳网飞行器+绳系机械爪”捕获近地小行星的新概念方案

以近地小行星重定向任务为背景,分析了仅采用机械臂或大型口袋捕获小行星将会遇到的潜在技术困难,提出了利用释放绳网飞行器与绳系机械爪捕获小行星的新概念方案。当探测飞行器接近小行星后,其捕获目标的过程主要包括三个步骤:1)探测飞行器释放绳网飞行器,绳网飞行器接近小行星并转移至姿态同步跟踪;2)绳网飞行器捕获小行星并实施收口操作;3)探测飞行器释放绳系机械爪抓取绳网节点实现拖曳。基于"绳网飞行器+绳系机械爪"捕获小行星新方案,对绳网飞行器的收口机构和绳系机械爪进行了针对性设计,主要体现在对收口机构更新了能量储存方式以及将绳系机械爪的捕获对象设定为绳网结点。"绳网飞行器+绳系机械爪"捕获小行星的新概念方案强调了捕获过程中探测飞行器的安全性问题,值得进一步深入研究。     

基于仿章鱼软体机器人空间碎片柔性自适应捕获装置的设想

针对空间碎片跨尺度、柔性、自适应捕获的需求,根据任务功能分析及仿生学启示,提出了一种基于仿章鱼充气软体机器人的碎片捕获装置,主要由仿章鱼触手和伸展臂组成,具备远距离可达、末端位姿调整、跨尺度碎片抓捕、目标碎片的测量与识别等能力。捕获装置采用仿章鱼单支链捕获及多支链协同缠绕的方式实现对跨尺度目标的可靠、灵活捕获。捕获触手采用充气软体机器人的机理实现对非结构化碎片的可靠捕获、相容,可实现捕获过程中对碰撞冲击的减缓和能量吸收。伸展臂采用充气驱动的方式展开,具有轻质、大收缩比的特点。触手表面还采用仿壁虎脚趾刚毛实现对碎片的可靠粘附,进一步确保抓取的可靠性。最后通过任务仿真验证了碎片柔性自适应捕获装置的可行性和先进性。     

RLV末端能量管理段轨迹实时生成算法研究

采用类似于航天飞机的末端能量管理段飞行轨迹结构,将可重复使用空间飞行器(RLV)飞行轨迹分为搜索飞行、航向校正以及预着陆飞行三段进行待飞距预测,并利用三次多项式表示飞行器高度-待飞距剖面。通过调节航向校正锥位置和半径的方法调整待飞距,提出了RLV末端能量管理段飞行轨迹的实时生成算法。该算法考虑了整个末端能量管理飞行阶段的轨迹约束,给定末端能量管理段的起始条件,能实时筛选并生成一条满足要求的参考轨迹线。计算结果验证了该方法的合理性。     

空间机器人捕获漂浮目标的抓取策略研究(英文)

空间机器人捕获漂浮目标时,机械臂手部与目标之间不可避免地发生频繁的接触碰撞,严重影响空间机器人本体的位姿与抓取安全。本文引入了"动态抓取域"描述机械臂抓取目标时的碰撞过程,建立了抓取域控制方程,并分析了抓取控制参数及基体和目标质量等对抓取过程的影响,结合生活经验发现当速度控制参数与调配增益系数乘积接近并小于最小抓取速度时,能够极大的减小抓取过程中的碰撞冲击,进而给出了理想的抓取策略。结果表明:在相同抓取时间下,应用抓取策略明显优于加速抓取,碰撞力幅值降低到加速抓取时的20%左右,且姿态控制力矩仅为加速抓取的15%,对空间机器人的激振冲击明显消除。抓取策略的研究对空间机器人的捕获抓取有着重要的理论价值及工程实际意义。     

基于阻抗控制的空间机械臂目标捕获技术研究

针对7自由度空间机械臂在目标捕获过程中的应用,根据机械臂末端执行器与目标适配器导向插入过程中存在接触碰撞的特点,提出一种阻抗控制方法,将机械臂末端测量的反作用力和力矩转化为位置增量,从而提高机械臂的主动柔性。并建立MATLAB/ADAMS联合仿真模型进行仿真验证,利用ADAMS的碰撞模型模拟接触捕获时的力学过程。仿真结果表明,本文提出的阻抗控制方法可以减小机械臂末端作用力和关节的驱动力矩,补偿了机械臂位置控制的误差,从而保证了机械臂对目标的捕获精度。     

绳系网捕系统的定位与测姿方法研究

基于双目视觉原理,建立了空间目标的三维坐标计算模型,利用安装在捕获端的摄像头对主星进行观测,建立了捕获端定姿方法.仿真算例验证了所提方法能够以较高的测量精度实现定位和测姿,可以满足绳系卫星捕获端的姿态确定精度需求.     

小型空间对接机构设计与仿真分析

针对航天器在轨服务过程中的捕获对接需求,设计了一种新型三爪式小型对接机构。该机构由主动捕获机构与被动适配器组成,通过主动捕获机构上圆周均布的3个捕获手抓与3个线性缓冲阻尼单元,实现航天器间的大容差与弱冲击捕获对接,建立了考虑接触、摩擦与碰撞等因素的对接机构动力学仿真模型。仿真结果表明,该主动捕获机构能够在最大位姿容差指标条件下实现对被动适配器的可靠捕获对接,对接机构中的阻尼缓冲单元能够有效消除对接过程中的碰撞冲击。     

系留气球升空过程的动态模拟

采用有限元方法,建立了系留气球的多质点动力学模型,研究了风场中某型系留气球的动态升空过程。模型中将柔性大变形的系留绳离散成若干绳段,各绳段假设为质量集中在端点的阻尼弹簧,各节点的运动由相应绳段的重力、气动力和张力确定。通过数值模拟给出并分析了系留气球轨迹、系留绳释放速度、张力、长度、形状和水平漂移距离等参数的变化规律。与国外典型算例进行对比,结果表明该模型对系留气球升空过程中的参数变化有较好的预测能力,对系留气球的释放控制有一定的指导作用。