捕获目标后组合体航天器抗干扰自适应控制

针对空间机器人系统捕获非合作目标后由于质量特性参数和动量突变影响导致的组合体系统失稳问题,提出了一种基于系统动力学模型的抗干扰自适应控制方法。利用拉格朗日方法对系统进行动力学建模,通过冲击动力学建模分析得到了捕获目标后组合体系统的初始状态;基于系统动力学模型设计了线性反馈控制方法,考虑组合体质量特性参数不确定性以及外在干扰不确定性,对组合体系统动力学模型进行了不确定参数线性化,设计了参数自适应线性反馈控制方法;最后以平面三关节机械臂系统捕获旋转目标为例进行了仿真计算。组合体系统的运动状态量趋于期望值,速度级状态变量误差量级控制在10-4以下,位置级状态变量误差量级控制在10-3以下,说明该控制方法可以很好地保持捕获目标后组合体系统的稳定。     

径向共线多星库仑编队飞行构型保持研究

本文研究了多星库仑卫星编队在地球同步轨道处径向轨道动力学与控制问题.首先建立了N颗卫星在同步轨道点处的动力学模型,然后以只在库仑力作用下的四颗卫星编队为例,对共线四星编队模型进行线性化处理.针对其动力学模型设计了LQR控制器.考虑到建模误差,利用误差最大有界范围的二范数设计了改进型的LQR控制律,针对变量引入积分项对扰动误差进行补偿以提高控制精度.数值仿真结果表明,所建立的多星编队动力学模型是正确的,引入积分项的控制减少了编队构型稳定所需时间,且有效维持了编队构型.     

一种机器人球腕的模型优化方法

许多机器人的共同特点是在操作臂末端安装了球腕.球腕是机器人上一个重要的独立结构,它的静态误差必然影响操作臂末端执行器的位姿精度.以机器人末端的球腕作为独立的研究对象,在静态误差分析的基础上,提出了一个评价球腕精度的综合指标.根据这一指标建立优化模型,对存在静态误差的球腕模型进行优化,从而建立新的球腕运动学模型.应用新模型进行运动学及动力学解算,可以减小机器人球腕的位姿误差,特别是减小具有较大静态误差的机器人球腕的位姿误差.通过对机器人球腕进行的局部优化,整个机器人末端执行器的运动精度将在一定程度上有所提高.      

直线电机定位平台的摩擦建模与补偿

介绍了一种由双边直线电机驱动的H型精密定位平台,为了减小运动平台的速度跟随误差和定位误差,研究了该精密定位系统的摩擦建模和补偿问题.由于工作台的滑块在导轨的不同位置表现出不同的摩擦特性,为改善补偿效果,提出了一种基于经典Stribeck摩擦力模型和工作台运动副位置参数的摩擦建模新方法,通过实验和回归的方法辨识出了工作台双边导轨的改进型Stribeck摩擦模型.基于建立的摩擦模型,采用前馈技术进行摩擦力补偿控制.实验结果表明,基于模型的摩擦补偿提高了系统的控制性能;改进型Stribeck摩擦模型比传统Stribeck摩擦模型有更好的补偿效果,适合具有大行程工作台的摩擦建模与补偿.      

大型控制力矩陀螺动力学精细建模与仿真

控制力矩陀螺（CMG,control moment gyro）系统存在多种误差与扰动,影响航天器的姿态控制精度.分析了大型单框架控制力矩陀螺（SGCMG,single gimbal control moment gyro）各主要组成部分的特性、误差及扰动,包括转子动静不平衡、转子轴的安装误差、轴承摩擦、转子电机特性、框架电机特性和谐波减速器特性.通过建立大型SGCMG的动力学精细模型并进行数学仿真,得到了大型SGCMG主要误差与扰动对其输出力矩的影响：在框架伺服系统加装谐波齿轮减速机构可以明显提高SGCMG输出力矩精度,同时也给框架带来高频谐振;转子动不平衡造成的扰动力矩是导致SGCMG在其力矩输出轴和框架轴方向产生输出力矩偏差的主要原因.     

大型控制力矩陀螺动力学精细建模与仿真

控制力矩陀螺(CMG,control moment gyro)系统存在多种误差与扰动,影响航天器的姿态控制精度.分析了大型单框架控制力矩陀螺(SGCMG,single gimbal control moment gyro)各主要组成部分的特性、误差及扰动,包括转子动静不平衡、转子轴的安装误差、轴承摩擦、转子电机特性、框架电机特性和谐波减速器特性.通过建立大型SGCMG的动力学精细模型并进行数学仿真,得到了大型SGCMG主要误差与扰动对其输出力矩的影响:在框架伺服系统加装谐波齿轮减速机构可以明显提高SGCMG输出力矩精度,同时也给框架带来高频谐振;转子动不平衡造成的扰动力矩是导致SGCMG在其力矩输出轴和框架轴方向产生输出力矩偏差的主要原因.     

三自由度球形电机位置测量研究

非接触位移测量对实现球电机的闭环运动控制十分重要.对基于微处理器的光学传感器的测量原理作了分析,阐述了利用二自由度光学传感器测量球电机三自由度位移的测量原理,提出了传感器的安装和位移计算方法.这种方法是通过球面的几何关系,由检测到的x和y坐标方向的位置数据计算出z坐标方向的数据,并根据旋量理论建立球电机运动的旋转矩阵和计算出旋转矩阵的旋转角度.通过仿真结果验证了所提方案的实用性.     

Halo轨道间转移的显式制导方法研究

将显式制导方法应用于地月系统L1平动点Halo轨道间的转移问题,用以克服动力学建模误差.通过等时间间隔计算到达目标点的需要速度,得到当前速度与需要速度的矢量差,称为速度增益,其模即为控制冲量.需要速度通过应用Sukhanov-Prado方法求解三体Lambert问题获得.采用圆限制性三体模型(CR3BP)设计标称轨道和进行制导计算,双圆模型(BCM)作为考虑太阳引力的摄动模型进行仿真.结果表明,所提出的方法针对模型误差简单有效、计算速度较快并且所需能耗小.     

三维充液航天器的位置和姿态联合控制

考虑充液月球着陆器悬停避障阶段的控制问题,采用三维球摆作为液体晃动部分的等效模型.针对球摆与刚体耦合的三维动力学模型,给出动力学模型的矢量方程及各矢量在本体系的投影坐标,设计位置和姿态联合控制器.所设计的控制器可以稳定航天器刚体的位置和姿态,且只依赖刚体的位置和姿态,不依赖晃动角或者动力学方程,利于工程应用.利用LaSalle不变原理分析闭环系统的稳定性,给出期望姿态为竖直时系统渐近稳定的控制器参数选择依据.最后数值仿真验证控制方法的有效性.     

编队飞行航天器平均轨道根数非线性控制研究

基于非线性动力学模型,研究了环绕编队航天器的相对运动控制问题,介绍了一种基于平均轨道根数的航天器编队飞行非线性闭环控制方法。以航天器在惯性坐标系下位置速度向量误差为输入量,给出了一种全状态反馈控制律,利用Lyapunov方法证明该闭环系统是渐进稳定的;最后利用该方法对一个编队进行控制,仿真结果表明了该控制方法的可行性。     

动力翼伞纵向四自由度动力学仿真

在考虑载荷物和伞体相对运动的前提下,研究了动力翼伞纵向运动过程.将伞体和伞绳作为一个平面运动刚体,载荷物具有绕系挂点的摆动自由度,建立纵向四自由度动力学模型.求解翼伞从平飞至爬升状态推力阶跃操纵的动力学响应,由状态量的变化曲线得出动力操纵初期伞体失速倾覆的主要原因是迎角剧烈变化而超过失速边界.获得推力操纵值和推力增加速率所形成的操纵包线,当推力操纵幅度较小时,增加速率并无限制;当推力增加幅度较大时,增加速率的限制值随着增幅变大而减小.此外从能量角度计算了大动力快速操纵前后载荷物的机械能变化,并提出动力翼伞新的雀降操纵方式.计算表明该方法可以有效减少接地前后的能量,即可以减少接地后载荷物翻转对正面动力系统的冲击.     

6-DOF formation keeping control for an invariant three-craft triangular electromagnetic formation

Spacecraft relative motion with inter-craft electromagnetic force has distinct advantages, and its invariant shapes that are convenient for formation keeping ensure some potential significant applications. However, the electromagnetic actuators affect both the relative trajectory and attitude motion, complicating related researches on issues of invariant shape design and formation control. In this paper, the formation keeping problem for an invariant three-craft triangular electromagnetic formation is investigated on the basis of a 6-DOF full nonlinear dynamic model. Moreover, a combined control scheme consisting of feed-forward and feed-back control components is proposed to handle the high nonlinearity, strong coupling, model uncertainties and external disturbances. The feed-forward component is obtained through desired invariant shape design which is complicated by the coupling and superposition effects of any two distinct magnetic dipoles, and the feed-back component is developed with a combination of linear feed-back controller by the LQR method and active disturbance rejection by the extended state observer. Finally, the numerical simulation is presented to verify the feasibility and validity of the proposed 6-DOF combined control scheme.     

六自由度Stewart平台动力学模型的特性分析

根据六自由度Stewart平台的动力学模型,利用矩阵分析的方法详细分析和证明了动力学模型的一些物理特性:动力学模型系数矩阵的有界性,矩阵函数的斜对称性以及动力学模型的线性参数化. 这些工作为基于六自由度Stewart平台动力学模型的非线性控制器设计、系统稳定性的证明以及系统物理参数的辨识奠定了理论基础.      

平面并联机器人的轨迹控制与在线监控

提出了三自由度平面并联机器人的运动学控制方法,通过逆向运动学求解实现对机器人的轨迹规划;提出完成并联机器人在线监控的2个步骤:首先利用解析法实现并联机器人的正向运动学分析,再综合运用二分法和插值法进行正解的在线计算.还研究和完成了基于PC的模块化机器人控制系统设计,该设计主要包括使用C+ +语言完成并联机器人运动学控制算法编程和设计基于PMD(Performance Motion Devices)的模块控制器.该控制系统在三自由度模块化平面并联机器人上进行了演示,并将在MATLAB下实现的数值法与C+ +语言编写的解析法进行了比较,其结果验证了运动学算法和运动控制器的性能.      

滑翔再入飞行器横侧向耦合姿态控制策略

针对气动舵面仅为两片体襟翼的欠驱动构型可重复使用运载器(RLV)再入过程中的强耦合现象,提出一种基于此类布局飞行器耦合特性的横侧向控制策略。在分析惯性耦合、运动耦合和稳定性耦合的产生机理与规避方式的基础上,计算标称轨迹下的急滚稳定边界并将倾侧角指令速率限制在此边界内以稳定惯性耦合;针对现有的荷兰滚模态预测式不适用于此布局飞行器的问题推导出一种新的荷兰滚运动预判方法,并根据预判结果设计控制增益。最终得到低动压下体襟翼-反作用力控制系统(RCS)复合控制策略和高动压下体襟翼单独作用的横侧向耦合控制策略。六自由度(6-DOF)仿真结果表明该控制策略能很好地跟踪制导指令并且能最大限度利用气动舵面以减少RCS燃料的消耗。      

Matching trajectory optimization and nonlinear tracking control for HALE

This paper concerns optimal trajectory generation and nonlinear tracking control for stratospheric airship platform of VIA-200. To compensate for the mismatch between the point-mass model of optimal trajectory and the 6-DOF model of the nonlinear tracking problem, a new matching trajectory optimization approach is proposed. The proposed idea reduces the dissimilarity of both problems and reduces the uncertainties in the nonlinear equations of motion for stratospheric airship. In addition, its refined optimal trajectories yield better results under jet stream conditions during flight. The resultant optimal trajectories of VIA-200 are full three-dimensional ascent flight trajectories reflecting the realistic constraints of flight conditions and airship performance with and without a jet stream. Finally, 6-DOF nonlinear equations of motion are derived, including a moving wind field, and the vectorial backstepping approach is applied. The desirable tracking performance is demonstrated that application of the proposed matching optimization method enables the smooth linkage of trajectory optimization to tracking control problems.     

舵叶固定式液压球形关节运动学及性能分析

针对球面运动机构驱动方式问题,提出了一种新型的二自由度液压驱动球面运动关节机构,该机构利用超全周转动马达及舵叶摆动马达作为驱动,采用了滑轨支撑框架位置测量系统,可以实现超全周转动;给出了两驱动马达各自的油路设计方案,在机构的不同部位采取了合理的密封方法;由机构的工作原理推导了正逆运动学方程及速度雅可比矩阵,得出了机构的奇异位形;分析了机构的灵巧度性能指标,通过仿真得到了机构性能较优时的工作空间.该球形关节机构具有结构紧凑、运动精度高、负载大、并且能够实现全方位输出的特点.     

基于起爆概率的无线电引信抗箔条干扰能力的量化表征方法

针对现有量化无线电引信抗箔条干扰方法的缺少，以防空导弹引信为例，结合箔条云运动轨迹模型和概率统计手段，提出基于起爆概率的无线电引信抗箔条干扰能力的量化表征方法。首先，在对单根箔条丝的螺旋下降运动进行分析的基础上，结合6-DOF非线性差分方程迭代计算得到箔条云的运动轨迹。其次，通过拟蒙特卡罗算法推导出箔条云的动态体密度函数，以箔条云的运动模型和动态体密度函数分别计算引信在箔条云近区干扰和远区干扰2种干扰作用下的不起爆概率。基于MATLAB构建箔条云轨迹模型，详细分析后得到箔条云动态的点分布模型，在此基础上利用拟蒙特卡罗方法得到箔条云的动态体密度函数，利用八叉树算法及最小二乘曲面法得到箔条云体积。最后，根据概率定义公式计算出箔条云干扰引信起爆概率。结果表明:所提方法客观、合理，为今后设计无线电引信抗箔条云干扰算法的启动条件提供了理论依据。      

基于PCI总线的主从式多轴控制器开发

针对运动控制的高精度要求,介绍了一种基于PCI(Peripheral Component Interconnect)总线的实时多轴控制系统.为了在执行复杂任务时,减少主机的工作量以及充分利用数字信号处理器(DSP,Digital Signal Processor)的数字处理能力,多轴控制器采用了主从控制结构.这种控制器还可以根据用户的需要使用串行通讯控制来代替PCI总线控制.控制器硬件的研发主要集中在多轴控制器、PCI总线接口电路和PCI局部总线的控制逻辑电路上,这些是设计控制器的关键技术.通过一个三自由度机器人沿一个空间螺旋轨迹运动的实例验证,所研发的多轴控制器可以实现具有准实时性能的高精度协调运动控制.