空间非合作目标在轨光学捕获方法研究

针对空间非合作目标尺寸和运动特性差异大、现有基于单一特性的捕获方法适应性差的问题,设计了星图信息和运动特性相结合的非合作目标光学捕获方法。并结合硬件电路特性,提出了一种基于DSP+FPGA异构双核目标捕获嵌入式平台架构,解决了在轨应用难题。通过全物理仿真试验对实现的非合作目标嵌入式捕获系统的功能和性能进行了全面测试。结果表明,系统具备1024×1024@20p格式视频的实时处理能力。且对于不同运动速度、不同尺寸的非合作目标均能够准确捕获。采用蒙特卡罗方法随机生成了1000个初始视轴指向进行测试,基于电子星图模拟器和光学星图模拟器的目标捕获正确率均达到99.8%。综合而言,该解决方案的计算精度高,鲁棒性好,适应性强,能够有效应用于执行高精度非合作目标在轨监测和清理等任务。     

空间非合作目标物柔性捕获技术进展

分类探讨了近年来出现的多种空间柔性捕获技术的原理及性能特点,给出了一些具有代表性的案例,结果表明：空间绳系捕获技术在理论及试验研究方面都相对成熟,是未来行之有效、可工程实现的柔性捕获方式之一。重点针对空间非合作目标物捕获中容易出现的翻滚问题,对比分析现有的几种常用的接触式消旋方法,分析表明能同时实现捕获+消旋的一步式消旋法更具有应用前景。以空间绳系捕获技术作为空间柔性捕获的代表,对其捕获后的空间绳系组合体动力学模型建立过程中的系绳模型进行了综述,指出了各种系绳模型的优缺点及适用条件。对系绳控制机构进行了分类综述,给出了设计系绳控制机构需重点关注的问题。最后对空间绳系捕获技术的发展方向做了展望。     

非合作式自主交会对接的终端接近模糊控制

研究了非合作式自主交会对接（AR＆D）的终端接近问题。文中根据视线相对运动方程，设计了一个模糊控制器来实现终端接近制导。通过选择合适的模糊输入变量，设计了三个通道独立的模糊规则库。用乘积推理机、单值模糊器和中心平均解模糊公式获得模糊控制器输出。最后，本文用精确的轨道模型进行了数值仿真，验证了该模糊控制器是可行的，该控制器满足非合作式自主交会对接终端接近的高精度、安全无碰撞的要求。     

对接机构隔框锁的接触碰撞动力学研究及仿真

为了给空间对接飞行器提供地面试验的参考依据。验证隔框锁结构设计的正确性和对接过程的可行性。本文针对隔框锁实例，在其运动平面内以均匀B样条曲线抉合锁钩外轮廓。并建立起接触碰撞动力学微分方程和仿真模型，分析了刚体碰撞的过程，刚性接触的单边约束条件和考虑变形接触的法向计算方法，文章还提出了基于几何引擎的接触点的实时判别算法，并给出了对接完成锁钩的接触力，动能及动量的仿真曲线图。计算过程稳定，所得结果合理，具有重要的参考价值。     

类杆锥式对接机构捕获动力学分析与参数设计

针对面向在轨服务的小型航天器上使用的类杆椎式对接机构,给出了其参数设计及其 动力学分析方法。采用虚功率原理和赫兹模型建立了对接机构的整体接触碰撞动力学模型, 通过对不同初始条件下捕获阶段动力学仿真评价完成了缓冲阻尼参数的设计,实现了对接机 构的整体性能满足设计目标要求。     

对接捕获过程中相互接触作用点的确定

针对周边式对接机构,首先给出了其可能的接触区域和接触点的基本类型,然后逐一建立了各类可能接触点的空间解析描述,最后建立了确定各类接触点的数学模型,并对接触点的判解方法进行了简要叙述。     

周边式对接机构对接捕获阶段的三体力元动力学模型

在空间交会对接过程中，从首次接触碰撞到完成捕获这一阶段称为对接捕获阶段，对对接捕获阶段动力学性态的研究是空间交会对接技术的关键，建立动力学模型进行仿真是研究的一个有效途径。以有内导向瓣异体同构周边式对接机构为研究对象，从机构的物理模型出发建立了对接捕获阶段的三体力元模型。该模型考虑了缓冲系统六个方向之间的耦合和缓冲系统中齿轮等转动部件惯量的影响。并在动力学仿真软件DADS的接口上开发相应的用户模块。在DADS平台上完成对接过程的动力学仿真。     

弱撞击对接机构捕获系统运动空间研究

以弱撞击对接机构（LIDM）捕获系统的运动空间为研究对象,提出了影响运动空间的主要因素如驱动臂长度、转动副转角、结构框内径等对运动空间的限制。在此基础上,对捕获系统运动空间及其各截面进行了分析,并详细讨论了结构框内径对运动空间的影响,对LIDM的设计和优化具有重要意义。     

主动控制式对接机构对接预捕获阶段的仿真

介绍了主动控制式对接机构对接的基本操作过程，并以具有六个作动阻尼器的主动接制式对接机构为例，对对接预捕获阶段作了详细的研究。 该阶段两对接飞行器的运动方程，给出了作动／阻尼器为满足捕获条件所需达到的长度的计算方法，设计了控制回路，在此基础上作了数值仿真。仿真结果表明，建立的数学模型是正确的，设计的控制系统控制效果良好。     

非合作目标自主交会对接的椭圆蔓叶线势函数制导

针对非合作式航天器自主交会对接任务的安全性要求,提出了一种基于椭圆蔓叶线的人工势函数制导方法。首先根据视线坐标系建立了相对动力学方程与状态方程。进而应用人工势函数制导方法解决了非合作目标航天器自主交会对接与静态障碍物躲避问题,并且把势函数方法与椭圆蔓叶线函数相结合,解决了追踪航天器在接近目标航天器时运行在安全走廊中的安全性要求。应用Lyapunov稳定性理论证明了在所提出的制导方法控制下系统的稳定性。最后,用精确的数学模型进行了计算机数值仿真,验证了所提出的制导控制方法的正确性和有效性。
     

非合作目标卫星三臂型对接机构及其力学分析

针对非合作目标卫星对接机构的特点及设计要求,选择发动机喷管作为对接接口,设计了一种三臂型非合作目标卫星对接机构,进行了相关运动学和动力学分析。用D-H矩阵法分析了对接机构的正运动学和逆运动学,建立了末端执行器的位姿与关节变量的关系。用拉格朗日方程分析了机械臂关节所受力矩,推导出了关节力矩与运动学参数间的关系,验证了对接机构的捕获能力,用ADAMS进行了对接仿真。理论分析和仿真结果验证了设计机构的正确性,为非合作目标卫星对接机构的后续设计提供了依据。     

空间对接机构螺旋电缆设计

对一种用于空间对接机构的螺旋电缆设计进行了研究。介绍了电缆的材料选择、结构设计和生产制造工艺。给出了材料蠕变、伸缩性能和空间环境等试验结果,均符合设计要求,并成功地用于神舟八、九、十号飞船与天宫一号目标飞行器的空间交会对接。应用情况表明:该电缆的结构紧凑,伸缩性能良好,满足低轨空间环境使用要求。     

柔性锥-杆式对接机构碰撞过程仿真研究

以中小型航天器普遍采用的锥-杆式对接机构为研究对象,提出一种柔性对接锥作为缓冲系统的方案,用柔性锥变形吸收撞击能量作为缓冲。用有限元法对碰撞过程进行仿真,讨论了柔性对接锥作为缓冲系统的性能对对接过程的影响。仿真结果表明:与普通对接锥相比,柔性锥能减小碰撞力峰值50%多。     

空间机器人抓捕目标星碰撞前构型优化

空间双臂机器人抓捕目标星会导致碰撞,针对碰撞引起机器人系统基座姿态变化的问题,提出一种基于粒子群算法的碰撞前构型优化方法。该方法首先给出了碰撞前和碰撞后的动力学模型,然后根据冲量-动量方程推导出碰撞阶段动力学方程,最后提出基于粒子群算法的最优碰撞前构型规划数值方法,使碰撞对机器人系统角动量的影响尽量小。通过计算校验了该方法的有效性,找到了用于空间机器人抓捕目标星的较理想的碰撞前构型。     

非线性相对运动的飞行器碰撞概率研究

发展了一种非线性相对运动情况下的飞行器碰撞概率描述和计算方法.采用拟最大瞬时碰撞概率和总碰撞概率两个主要指标来定量描述飞行器碰撞的危险性,并针对这两个指标发展了相应的计算方法.对于拟最大瞬时碰撞概率的计算,首先需要在相对轨迹上寻找最小相对距离或最大概率密度的点,然后在这个点上计算拟最大瞬时碰撞概率.对于总碰撞概率的计算,由于总碰撞概率的增量可以表示成一个时间的函数,因此总碰撞概率的计算就是一个在时间域上的积分.所建立的这种描述和计算方法适用于相对速度和误差协方差矩阵随时间任意变化的情况.数值算例表明所提出的指标比单纯采用总碰撞概率能够更好的描述飞行器的碰撞危险性,并且碰撞概率的计算方法和线性相对运动情况下的计算方法是兼容的.     

非线性相对运动的飞行器碰撞概率研究

发展了一种非线性相对运动情况下的飞行器碰撞概率描述和计算方法。采用拟最大瞬时碰撞概率和总碰撞概率两个主要指标来定量描述飞行器碰撞的危险性，并针对这两个指标发展了相应的计算方法。对于拟最大瞬时碰撞概率的计算，首先需要在相对轨迹上寻找最小相对距离或最大概率密度的点，然后在这个点上计算拟最大瞬时碰撞概率。对于总碰撞概率的计算，由于总碰撞概率的增量可以表示成一个时间的函数，因此总碰撞概率的计算就是一个在时间域上的积分。所建立的这种描述和计算方法适用于相对速度和误差协方差矩阵随时间任意变化的情况。数值算例表明所提出的指标比单纯采用总碰撞概率能够更好的描述飞行器的碰撞危险性，并且碰撞概率的计算方法和线性相对运动情况下的计算方法是兼容的。     

空间机械臂抓取目标动力学与寻的制导控制

针对安装有两连杆机械臂的航天器对地球圆轨道上的空间目标已形成自由绕飞（即满足齐次C-W方程）的情形,研究通过机械臂抓取该目标的系统动力学建模与制导控制问题。在目标固连旋转参考系下,运用非惯性系下的拉格朗日分析力学,建立了两连杆机械臂系统动力学方程。忽略惯性耦合影响,对模型进行了合理简化,在此基础上设计了机械臂末端执行器即机械手抓取目标的寻的制导控制规律。然后代入原始复杂模型,进行数值仿真校验。结果表明,在机械臂载体自由绕飞空间目标的条件下,机械手能够准确地抓住目标。     

空间对接机构缓冲系统及其运动学建模

以异体同构周边式对接机构差动式缓冲系统为对象，将缓冲机构分解成6个独立分支，通过设计立局部坐标系，建立缓冲系统运动学正，逆解模型。该建模方法可以消除各分支之间的耦合关系，使建模得以简化。算例说明这种缓冲系统运动学模型是正确有效的。     

面向智能微纳星站的锥-杆型对接机构设计

针对传统杆-锥对接模式,提出了一种用于智能微纳星站母星与子星的对接、装载、存储与分离的新型锥-杆对接机构方案.母星接收杆能与子星的对接锥实现自主捕获与对接,且能作为子星的入舱导轨和停靠支架,完成装载、存储与分离.给出了新型锥-杆对接机构设计,用参数化方法建立了虚拟样机模型.基于捕获阶段动力学建模,用Adams解算器对对接与分离过程进行仿真.结果表明:该锥-杆对接机构满足设计指标.