面向空间机械臂任务验证的硬件在环半物理仿真系统研究

针对空间机械臂在轨任务进行高保真地面仿真和验证的需求,搭建了空间机械臂操作任务验证平台(MTVF)系统。该系统基于硬件在环技术,将空间机械臂动力学仿真模型、两台地面模拟机械臂和测量系统通过实时仿真计算机实现软硬件的整合,具有响应速度快、跟踪精度高的特点。开发了闭环稳定算法和阻抗控制算法以保证MTVF系统的高保真性能,并通过搭建仿真计算模型以及设计地面试验等方法对MTVF系统的性能进行验证,结果表明,该系统能够反映真实微重力环境下空间机械臂的动力学特性,能够实现对真实微重力环境下的空间机械臂在轨操作任务进行高保真的地面试验和验证。     

空间机械臂技术综述及展望

介绍了国外空间机械臂在轨技术验证与工程应用的概况,从任务类型、构型配置、末端执行器与操作方式方面分析了空间机械臂技术的发展趋势。综述了空间机械臂的任务规划、系统控制、路径规划、视觉感知、末端执行器、遥操作控制及地面试验验证7项关键技术。介绍了中国试验七号与天宫二号空间机械臂在轨验证情况,重点介绍了正在研制的中国空间站机械臂基本方案。最后,总结了目前空间机械臂技术存在的问题,并对中国未来空间机械臂技术发展提出了建议。     

3D双臂空间机器人广义雅克比矩阵推导与运动学特性分析

基于智能机器人空间在轨服务任务,对空间机械臂系统进行了一种新的3D双臂空间机器人广义雅克比矩阵推导方法研究和简单的运动学特性定量分析,并使用Simulink与ADAMS完成了3D双臂多自由度空间机器人的运动仿真和运动特性定性分析的验证。与以往对多臂机器人广义雅克比矩阵推导的单臂化或平面化处理不同,该方法适用于任意多臂多自由度空间机器人广义雅克比矩阵的推导,是一种普遍通用的推导方法,当臂的条数增多时相应修改对应参数即可。     

空间机器人的若干前沿领域:研究进展和关键技术

基于空间环境和在轨任务的特殊性导致的空间机器人不同于地面机器人的特点,讨论了面向航天产业的核心技术路线图的确定方法,论述了航天员心理陪护机器人的要求和研究方法,重点分析了非合作目标捕获过程面临的非线性碰撞接触动力学等前沿科学问题和冲击载荷下空间漂浮系统的稳定控制等关键技术;并针对未来空间装备巨型化趋势,介绍了大型机械臂研制、多机器人协调和大延迟下对机器人系统智能化的研究进展。     

空间机械臂地面装调与空间应用迭代学习控制

针对空间机械臂系统地面装调和空间应用两阶段的末端轨迹控制问题,提出了采用闭环PD型迭代学习控制算法对空间机器人进行轨迹跟踪控制,从而使在地面重力条件下装调好的空间机械臂能够在空间微重力条件下实现在轨操控任务。建立了空间机械臂在地面装调阶段和空间应用阶段的运动学与动力学模型,给出了控制算法和控制结构,并通过对控制器的收敛性进行分析,给出系统收敛的充分条件。仿真结果表明,采用闭环PD型迭代学习控制算法对轨迹跟踪是有效可行的。     

参数不确定空间机械臂系统的增广自适应控制

讨论了载体位置与姿态均不受控制的漂浮基两杆空间机械臂系统的控制问题,为此对系统的运动学、动力学作了分析。结果表明 :结合系统动量守恒及动量矩守恒关系得到的系统广义Jacobi关系、以及系统的动力学方程将为系统惯性参数的非线性函数。证明了借助于增广变量法可以将增广广义Jacobi矩阵以及系统动力学方程表示为一组适当选择的惯性参数的线性函数。在此基础上,给出了系统参数未知时,空间机械臂末端抓手跟踪惯性空间期望轨迹的增广自适应控制方案。通过仿真运算,证实了方法的有效性。     

低温推进剂在轨贮存与管理系统方案研究

为解决空间恶劣热环境和微重力环境下推进剂大量蒸发损耗及推进剂的气液两相混合等问题,低温推进剂在轨贮存与管理系统应具备绝热、贮箱压力控制、推进剂管理、热量转移及制冷等功能。以载人月球探测任务、载人火星探测任务中低温轨道转移级为背景,阐述了低温推进剂在轨贮存与管理系统的方案:低温贮箱采用泡沫+多层隔热材料复合结构、基于碳纤维复合材料的V20型杆系连接支撑结构、可充填式启动篮推进剂管理装置等方案;载人月球探测任务中低温轨道转移级压力控制可采用推进剂沉底排气方案;对于载人火星探测任务,低温轨道转移级压力控制可采用热力学排气方案,并采用低温制冷机主动制冷。     

空间站舱体转位试验系统动力学匹配设计与仿真

针对空间站舱体转位地面试验二维模拟空间三维动力学特性的等效性问题,通过第二类拉格朗日动力学方法,建立起在轨与地面试验系统之间的动力学关系,进行了质量特性匹配性设计。基于设计的质量特性,进行了在轨转位和地面试验转位两种仿真分析,仿真结果表明,在轨与地面动力学仿真结果在趋势和峰值两方面一致性很好,所设计的实验舱模拟器质量特性可以用于地面试验系统的研制。     

基于深度图推理的卫星背板部件检测方法

在轨加注是一种典型的在轨服务操作,它对于降低空间运输成本和任务风险起着重要的作用,视觉感知系统可以感知操作任务周围环境并提供给控制系统。目前在轨加注依赖于人,在人员监控下完成或通过遥操作完成,缺乏自主性。本文围绕未来高自主性的基于深度强化学习的在轨加注方法,对基于深度学习的视觉感知方法展开了研究,针对基于深度学习的方法对相似实例的检测存在精确率低、对光照变化敏感等缺点,提出了基于深度图推理的卫星背板部件检测方法。提出的方法可以有效地检测复杂形状的目标,不依赖于手工设计的特征;提高了复杂光照环境下部件的检测正确率;可以有效区分外形相似的不同部件;其有效性在数学仿真和物理仿真中均得到了验证。     

基于碰撞检测的自适应阻抗控制机械臂系统(英文)

针对柔性关节机械臂,本文阐述了机械臂能够像人手一样安全操作的方法。3种方法相结合,以便机械臂能够柔顺的接触操作对象并控制接触力在预设定范围内。首先,提出采用虚拟分解法的笛卡尔阻抗控制用来实现机械臂在笛卡尔空间的柔顺控制。其次,引入自适应关节动态补偿器使得机械臂能够实施更为精确的控制。最后,设计了基于笛卡尔力反馈的实时路径规划,从而使机械臂能够检测碰撞并控制接触力。基于碰撞检测的自适应阻抗控制器能够简化其在机械臂上的实施,保持机械臂对环境的友好操作,并且严格满足系统的全局稳定性。实验在4自由度的卫星在轨自维护机械臂平台得以验证。碰撞检测实验和轨迹跟踪实验结果证明了所提出方法的有效性和可行性。     

低温推进剂在轨贮存与管理技术研究

低温推进剂由于其比冲高、无毒无污染,是载人和深空探测的首选推进剂。为解决空间恶劣的热环境和微重力环境下推进剂大量蒸发损耗及推进剂的气液两相混合等问题,以低温推进剂的在轨贮存与管理技术为研究对象,给出低温推进剂绝热的贮存方案和微重力气液分离的管理方案。并对其中的适用中短期任务的方案进行日蒸发率等指标核算,然后对方案中的热力学参数变化对系统方案中的蒸发量控制等影响进行讨论。最终给出针对载人登月等短期项目的低温推进剂在轨贮存与管理的推荐方案。     

基于迭代滑模的机械臂控制策略

针对机械臂这类非线性的不确定性系统,基于迭代学习控制与滑模控制策略,提出了一种有效的迭代滑模控制方法。该控制方法通过将滑模控制律引入到迭代学习控制中,并运用Lyapunov理论对控制律进行证明,从而确保系统的稳定性。基于拉格朗日力学法建立动力学模型,得到相对简化的n关节机械臂模型。以一个二关节机械臂为例,通过MATLAB仿真验证所提控制策略可有效提高关节的跟踪速度与跟踪精度,并且在一定程度上可减缓传统滑模控制的抖振现象,与传统迭代学习控制相比,系统具有鲁棒性。物理试验验证了所提控制策略的有效性。     

载人飞船推进剂剩余量在轨直接测量技术

在载人航天工程交会对接任务中,基于对载人飞船推进剂剩余量在轨实时高精度测量需求的背景,采用理论分析和试验验证相结合的方法,研究了剩余量直接在轨测量技术原理、影响测量精度的因素及解决措施等问题。研究表明,在轨推进剂剩余量直接测量系统方案具有易于实现,测量精度高,同时能够实时、直观反映系统中各贮箱推进剂消耗情况等特点。     

航天器在轨可更换模块机构与结构设计

航天器常在其任务中出现功能失效,造成巨大的损失,而在轨模块更换技术则是利用空间机械臂自主对可接受在轨服务航天器进行故障模块更换、升级、补充消耗品等。通过对在轨可更换模块在轨服务的任务、在轨可更换模块的组件构成,从而得出在轨可更换模块的机构设计方案,进而又对在轨可更换模块进行结构设计,利用 SolidWorks 软件建立该结构的三维模型,实物模型验证了其可行性。     

基于特征模型的失效航天器消旋控制

失效航天器一般有复杂的运动和较大的角速度,采用机械臂直接抓捕目标容易导致非预期碰撞,如果先采用接触式消旋操作降低目标角速度,会大大降低服务卫星抓捕目标的难度。针对空间翻滚非合作目标的接触式消旋控制存在接触动力学模型不确定性的问题,提出了一种基于特征模型的自适应控制方法。首先通过接触式消旋的物理机理分析,建立消旋系统动力学模型;进一步在动力学特性分析基础上构建描述接触碰撞后目标角速度的特征模型,并确定模型参数范围;然后基于该模型设计黄金分割自适应控制律。仿真结果表明,该方法有效克服了消旋过程中接触碰撞模型存在的不确定性,并且消旋速度快且消旋后的残余角速度小。     

基于在轨加注站的空间运输系统规模分析

针对基于在轨加注站模式的空间运输系统,分析了其执行地球空间任务、载人月球探测任务、载人小行星探测任务和载人火星探测任务时采用的不同空间运输系统组合,对比了反推减速和气动减速两种方式,得到了具体的加注站及其空间运输系统的规模和数量需求。结果表明基于在轨加注站的整个空间运输系统规模和在轨加注规模有限,数量可控,可实现性强,利用两个加注站和有限数量的空间转移运载器就能满足多种空间探测任务的需求。     

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。     

欠驱动机器人的动力学耦合奇异研究

欠驱动机械臂的运动只能从动力学水平进行控制,从动关节的运动是通过主动关节的动力学耦合间接控制的。主、被动关节之间的动力学耦合特征与机械臂关节空间的位形有关,因此在欠驱动机械臂运动过程中可能发生动力学耦合奇异,某些被动关节的运动变得不可控。从关节空间和操作空间两个角度分析了欠驱动机械臂的动力学耦合问题,给出从以上两种工作空间度量系统动力学耦合的指标。提出一种基于输入变量非线性变换的滑模变结构控制方法,用于实现欠驱动机械臂操作空间中的连续轨迹控制。通过平面二连杆欠驱动机械臂和只有一个主动关节的平面三连杆欠驱动机械臂进行了仿真,仿真结果证明提出的控制方法是可行的。     

自主空中加油变质量无人机建模与控制

针对空中加油任务中无人作战飞机(UCAV)的位置保持问题,进行了变质量UCAV的动力学建模与控制律设计.综合考虑了燃油传输对UCAV质量、惯性矩阵和质心位置的影响,基于相对惯性系的状态变量,推导了UCAV的动力学方程.建立了一个简单的油箱模型来模拟加油过程,设计了H∞最优控制律来实现UCAV的位置保持.通过非线性仿真,分析了燃油传输带来的动力学影响,仿真结果验证了模型的有效性和控制律的性能.     

一种以燃耗为优化目标的航天器在轨加注作业调度

针对基于空间燃料站的多目标航天器在轨加注任务,以GEO航天器为加注对象,对"多对多"模式的航天器在轨加注作业调度问题进行研究。首先以轨道转移燃耗为优化目标,考虑时间、燃料等约束条件,建立了在轨加注作业调度问题的数学模型。模型中,通过设计优化变量,结合多圈Lambert问题中速度增量与转移时间的关系,将航天器在轨加注作业调度问题转换成整数规划问题,在此基础上,采用遗传算法对其求解。然后以14颗GEO轨道航天器作为目标航天器进行数值仿真计算,并对仿真结果进行分析,验证解的正确性以及算法的可行性,结果表明算法能够有效地解决基于空间燃料站的在轨加注调度问题。