基座与臂杆全弹性空间机器人的有限时间控制

探讨了基座、臂杆全弹性影响下,基于有限时间的漂浮基空间机器人系统轨迹跟踪以及柔性抑振问题.由于弹性基座与两柔性杆之间存在多重动力学耦合关系,此系统为高度非线性系统.将弹性基座与臂杆间的连接视为线性弹簧,利用拉格朗日第二类方程并结合假设模态法,推导出该系统的动力学模型;应用奇异摄动理论的两种时间尺度假设,将系统分解为表示刚性运动的慢变子系统和表示基座弹性、双柔杆振动的快变子系统.针对慢变子系统,设计了一种基于名义模型的有限时间控制器,保证完成刚性期望轨迹跟踪.设计的积分式滑模面具有有限时间收敛特性,比传统渐近收敛控制方法具有更快的收敛速度和更强的鲁棒性;对于快变子系统,采用线性二次型最优控制同时抑制弹性基座与两柔性杆的振动.Lyapunov理论证明了所提控制算法能使跟踪误差在有限时间内收敛到原点.仿真验证了控制方法的有效性.     

带有阻尼机构的多柔体航天器动力学建模

对通过阻尼机构连接的多柔体航天器动力学问题进行研究,考察的系统由航天器本体、若干六自由度刚性阻尼平台以及固连于阻尼平台的大柔性附件构成,阻尼平台与航天器本体之间以弹性 阻尼装置连接,为典型的多柔体系统.以混合坐标描述系统的运动,利用Kane方程建立了具有较强通用性且有利于系统控制器设计的含有约束阻尼的动力学模型.数值仿真结果表明,阻尼器可有效衰减柔性附件的振动,有利于星体受扰后的快速稳定     

柔性绳网动力学建模与天地差异性分析

采用有限元模型研究了柔性绳网系统的动力学特性。针对空间绳网直接弹射展开方式,首先将绳网离散为若干单元,各单元处理为非线性“半阻尼弹簧”模型,然后分别计算各单元所受气动力和重力,最终建立绳网系统多柔体动力学模型。基于所建立的动力学模型分别对柔性绳网在地面和太空展开的动力学过程进行了仿真分析,研究了绳网在展开面积、空间位形和飞行距离等方面的天地差异性及其动力学机理,为未来空间绳网系统的分析设计提供理论参考。     

飞机侧壁部件装配调姿机构的设计与分析

分析了等曲率和变曲率2类飞机侧壁部件的几何特点以及对柔性装配调姿的功能需求,设计了一种新型的面向大型飞机侧壁部件数字化装配的柔性工装机构;该机构基于精密三坐标定位器对侧壁部件进行装配调姿,可等效为6自由度并联机构,通过4条支撑臂对侧壁部件进行夹持;定位器呈前后2排、前低后高布局,能够实现对侧壁部件空间6自由度位姿调整;对工装机构进行了位姿反解,根据侧壁部件的初始位姿和目标位姿反向求解出各支撑臂的关节变量,并利用计算机仿真模型进行了验证,证明了反解算法的正确性,为侧壁部件调姿运动的精确控制奠定了基础.      

非均匀信道增益控制的多载波卫星容量分析

设置转发器最佳增益,减小功放非线性影响,提高系统容量是多载波卫星通信系统容量分析的首要问题。对于数字信道化转发器,采用非均匀子信道增益调整的思想独立设置各信道增益可以有效消除大小载波抑制问题,提高卫星系统容量。为此,提出一种直接计算求解各子信道增益的算法。该方法不需要采用复杂的优化过程以及矩阵求逆,因此适合求解任意数量链路增益。理论推导得到链路最佳发射功率为地面站最大可提供功率,通过直接计算非线性等式即可获得各子信道最佳增益。同时考虑到功率利用率问题,通过选取转发器最佳工作点,在最小转发器输出功率准则下可以有效提高卫星功率的利用率。实验结果表明,该算法在具有与优化算法相近性能的同时降低了求解复杂度。     

基于CFD/CSD方法的蜻蜓柔性翼气动特性分析

给出了一种基于计算流体力学/计算结构力学（CFD/CSD）的双向流固耦合方法.通过交替数字二叉树（ADT）搜索技术识别流固网格之间的宿主-受体关系.采用局部插值算法完成两套网格系统之间的数据交换,并使用Delaunay图映射方法来完成气动网格的移动.将自编的非线性结构有限元程序、接口程序与南京航空航天大学（NUAA）微型飞行器中心的流体计算程序3D2MUFS相连接,应用于蜻蜓柔性翼拍动飞行的气动计算中.计算结果表明:柔性变形使得蜻蜓翼的时均举力系数从0.31提高到0.53,时均推力系数从0.07提高到0.13,证实了柔性变形能改善扑翼的气动性能.      

柔性接头有效摆心漂移特性

设计了带缠裹式防热套的柔性接头,弹性件和防热套材料均采用硅橡胶.研究了柔性接头有效摆心和几何球心的关系,采用2阶四项式Mooney-Rivlin模型模拟弹性件的本构关系,利用ANSYS软件分别仿真计算柔性接头在压强为0,9MPa下不同摆角条件的有效摆心和几何球心漂移,得到了两者的漂移包络线,把仿真的有效摆心漂移结果与试验测量值进行比较,并利用间隙碰撞试验验证了几何球心漂移仿真结果的准确性,在此基础上研究了有效摆心漂移的原因.结果表明:摆心包络线的仿真结果与试验结果吻合较好,有效摆心和几何球心是两个不同的概念,柔性接头的有效摆心漂移在半径为2.5mm,高为1.4mm的圆柱包络面内,而几何球心的漂移在半径为0.013mm,高为0.6mm的圆柱包络面内,有效摆心漂移是由接头各层增强件和弹性件的变形不同引起的.      

基于干扰观测器的柔性空间机器人在轨精细操作控制方法

由于强非线性、强耦合和强时变等特征,柔性空间机器人的稳定精细控制问题一直是一个重大挑战。轻质小型化机器人受空间及重量限制,其关节柔性通常不可忽略,这部分柔性主要是由谐波减速器和力矩传感器的柔性造成的。传统的运动学控制在空载时能保持稳定,但是对大负载、快速运动时的适应性差,严重时机械臂抖动剧烈甚至发散。针对以上特征,提出了一种基于非线性干扰观测器和动力学极点配置的柔性空间机器人在轨精细操作控制方法。仿真实验证明,该方法可以有效地抑制柔性激振,保证响应的快速性和准确性,同时有较好的鲁棒性,能够适应不同类型扰动的影响和末端环境柔顺控制的要求,对工程应用具有一定的参考意义。     

基于QSS的自适应多步校正算法及其在柔性航天器动力学中的应用

量化状态系统（QSS）算法是一种基于状态变量离散化的数值积分方法,该方法与基于时间离散的传统方法显著不同,QSS通过计算状态变量每次跃迁所需的时间来推进下一步的积分。在求解非刚性常微分方程时,QSS算法比传统算法更具优势,但它不适合求解刚性问题。为此提出一种基于QSS的自适应多步校正算法（AMCQSS）,该算法以QSS为基础、结合隐式多步法思想,在计算过程中可以自适应选择二步法或三步法,以有效提高求解刚性问题的精度和效率。通过对柔性航天器动力学的仿真求解,验证了算法的可行性。将该算法与ODE23tb、ODE15s、ODE45以及QSS等算法进行对比,结果表明AMCQSS算法既能保证求解的效率及精度,又具有较好的收敛性和稳定性。