基于空间算子代数的空间多体系统动力学递推计算

应用空间算子代数方法对空间多体系统进行动力学建模、分析与仿真。空间算子代 数 作为基于李群及旋量方法的算子理论,采用估计理论中卡尔曼滤波及平滑方法,实现了具有 明确物理含义的O(n)计算效率的动力学实时递推求解算法。首先使用空间算子代数理论 对多体系统动力学进行递推形式的描述、建模及分析,并通过与估计理论对比提出了质量矩 阵求逆的高效递推算法,而后基于面向对象技术编制了软件,并通过漂浮基双臂机器人典型 算例的求解,与商业动力学软件Simpack进行对比,验证了软件及算法的正确。结果表明, 空间算子代数方法概念清晰、推导方便,计算效率及精度能够满足工程需求,可用于空间多 体系统动力学实时仿真及控制系统设计。〖JP〗     

基于星箭对接环同心圆结构的卫星姿态估计方法

针对基于星箭对接环单圆特征进行姿态估计具有二值性的问题,文章根据空间同心圆环的代数约束关系求解出空间圆环法向量,从而利用单一的星箭对接环结构,计算出目标卫星与追踪卫星之间的相对姿态。仿真试验计算了在不同测量距离及噪声情况下,星箭对接环定姿的误差,并进行分析,实现了在不依靠额外测量信息的情况下,利用单目视觉系统独立对圆心未知、半径未知的星箭对接圆环平面法向量求解,并得到目标卫星相对于跟踪卫星的姿态角,从而为空间非合作目标的姿态估计提供参考。     

计及关节及杆柔性的空间机械臂抓取控制

针对考虑关节及杆柔性的空间机械臂动力学与抓取控制问题,以三连杆柔性机械臂为研究对象,考虑臂杆的横向弯曲变形、纵向拉伸变形及由于横向变形引起的轴向收缩的二阶耦合量等,并通过引用转子扭簧模型来考虑柔性关节的影响,应用Lagrange方程和假设模态法建立动力学模型.引入“动态抓取域”来描述机械臂的抓取过程,采用关节主动阻尼控制来抑制抓取过程中的碰撞激振力,分析了匀速抓取和加速抓取两种策略的机械臂柔性关节的变形特性.仿真结果表明:关节柔性减小了整体碰撞力,在碰撞过程中起到一定的缓冲作用;加速抓取控制下比匀速抓取控制下的关节变形小,前者整体优于后者.     

基于机器人柔性毛刷的空间翻滚目标消旋

设计了一种柔性减速刷消旋机构，将其安装于七自由度机械臂的末端，通过与翻滚目标帆板之间的接触碰撞进行消旋。利用绝对节点坐标法推导了柔性减速刷的动力学模型，并对其接触碰撞进行分析。针对自由漂浮空间机器人动力学建模和基座姿态的控制进行了研究，采用基于计算力矩法的滑模控制策略，对末端参数不确定的七自由度机械臂进行控制。滑模控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏等特点，确保了系统的全局鲁棒性和稳定性。有利于节省消旋时间，提高消旋效率。通过PD控制和滑模控制消旋仿真验证，该消旋策略能够成功消除初始旋转速度，消旋程度达90%以上，具有可行性与有效性。     

空间大型末端执行器捕获动力学与实验研究

以绳索式末端执行器为研究对象,基于离散化方法,采用六维弹簧柔性连接方式建立了绳索动力学模型,并引入绳索与目标间的非线性接触碰撞力和摩擦力模型,获得末端执行器捕获动力学模型,并设计了末端捕获冲击实验,验证了模型的正确性。所建模型可充分考虑绳索的空间运动状态以及捕获过程中绳索与目标间的接触碰撞过程,基于此模型可预示并预防捕获过程中瞬时的较大冲击。对于机构设计和控制器调试具有一定意义,并可作为物理试验的有效补充,解决我国未来空间大型目标捕获任务地面试验验证困难的问题。     

绝对节点坐标列式实体梁单元建模方法及应用

在多体系统动力学建模方法中,传统非等参梁单元的建模方法主要基于Euler-Bernoulli梁或Timoshenko梁理论,无法准确描述截面变形;而传统绝对节点坐标列式索梁单元虽然能够准确描述截面变形,但需引入额外描述及处理闭锁问题;与上述单元不同,绝对节点坐标列式实体单元可以通过节点坐标直接描述截面变形,避免单元变形带来的闭锁问题。本文在实体单元方法基础上,首次提出了考虑单元连续性条件和黏弹性阻尼模型的绝对节点坐标列式实体梁单元,并使用实体梁单元实现了对多体系统的建模。仿真结果表明,对比传统有限单元及绝对节点坐标列式单元,实体梁单元能够更好地表征柔性梁的非线性特性,满足大变形柔性计算的需求。