绳驱空间机械臂动力学建模与仿真效率分析

针对一种适用于在轨服务精细操作的绳驱空间机械臂进行讨论。建立该机械臂的动力学模型,将机械臂视为链式多刚体系统,认为绳索满足线弹性假设并忽略绳索的质量,利用空间算子代数方法推导了机械臂的动力学方程。分析动力学模型的数值仿真效率,求解出机械臂微振动的振动频率,将最高阶振动频率作为特征系数代入到微分方程数值算法的稳定区域,计算得到仿真步长的临界值;对动力学模型中的绳索模型进行改进,通过增大仿真时间步长临界值来提高动力学模型的数值仿真效率。仿真算例表明,改进后动力学模型的仿真效率最多可提高200多倍,并可以实现实时仿真。     

绳驱动拟人臂机器人的动力学建模及张力分析

与传统的机械臂相比,绳驱动拟人臂机器人采用串并混联的结构形式,模拟了人手臂肌肉的并联驱动方式,但是,绳索的引入也增加了动力学分析的难度.将绳驱动拟人臂机器人视为基座、大臂、小臂和末端四连杆串联机构,采用迭代牛顿-欧拉法建立动力学方程的递推形式,考虑绳驱动的冗余特性和绳索的单方向受力性,提出基于动态最小预紧力的张力分配算法,求解出各绳索的驱动力.与未进行张力分配的方法及基于静态最小预紧力的方法相比,所提出的算法可使各绳索驱动力根据动态最小预紧力进行实时调节,满足了不同工作条件下机构的刚度要求.     

绳驱动拟人臂机器人的动力学建模及张力分析

与传统的机械臂相比,绳驱动拟人臂机器人采用串并混联的结构形式,模拟了人手臂肌肉的并联驱动方式,但是,绳索的引入也增加了动力学分析的难度.将绳驱动拟人臂机器人视为基座、大臂、小臂和末端四连杆串联机构,采用迭代牛顿-欧拉法建立动力学方程的递推形式,考虑绳驱动的冗余特性和绳索的单方向受力性,提出基于动态最小预紧力的张力分配算法,求解出各绳索的驱动力.与未进行张力分配的方法及基于静态最小预紧力的方法相比,所提出的算法可使各绳索驱动力根据动态最小预紧力进行实时调节,满足了不同工作条件下机构的刚度要求.     

基于后推技术的绳驱动拟人肩关节动力学控制

针对并联式绳驱动机器人建模困难、控制复杂等问题,采用拉格朗日动力学建模方法,推导得到便于控制器设计的标准动力学方程,考虑绳驱动的冗余特性和绳索的单方向受力性,提出基于最小预紧力的张力分配算法,求解出各绳索的驱动力.针对机器人轨迹跟踪控制问题,设计了基于后推技术的系统模型控制律.仿真结果表明:后推技术法在收敛速度方面明显优于计算力矩法,且各绳索的驱动力皆能满足其张紧所需的最小张力.     

绳索断裂对二维二次太阳翼展开过程影响分析

为识别二维二次太阳翼关键环节和预示其在轨展开故障模式，开展不同位置绳索断裂失效对太阳翼展开的影响程度分析。采用考虑绳索断裂的绳索联动轮力学模型，建立了适应于不同联动轮半径的联动轮受力模型，提出角度触发约束消除方法，解决了太阳翼第2次展开过程连续仿真问题，建立了太阳翼第2次展开动力学方程，分析了不同位置绳索断裂失效对太阳翼各板展开角度、展开构型和其他绳索张力的影响。分析表明，越靠近星体的绳索联动机构失效对太阳翼展开过程的影响越大，其中连接架上绳索联动机构失效可直接导致二维二次太阳翼在轨展开失败。     

基于半刚性连接的提高星敏感器指向精度的安装设计

研究和分析了热变形引起的星敏感器和合成孔径雷达（SAR）天线的形变特点,设计了一种SAR天线与星体结构之间的安装方法,并以某卫星为例,将两者半刚性连接（横向游离）其安装设计方法在于将SAR天线框架与星体间的螺钉连接横向刚度减小,使星体的热变形与SAR天线产生了横向游离效果。计算分析和试验表明,这种安装设计方法有效地提高了星敏感器相对于SAR天线中板阵面的指向精度,可以满足高分辨率卫星成像的需求,为其他有较高指向精度要求的单机安装提供参考。     

绳驱动并联机器人张力约束工作空间分析

绳驱动三自由度机器人可以实现空间的自由转动.由于绳索只可拉伸不可压缩的单向特性,研究驱动绳索张力对机器人的控制具有重要意义.运用几何和矩阵的方法可以分析绳索的张力分配情况;在存在张力约束的条件下,提出张力系数作为评价张力分配优劣状况的指标,通过计算可以得到张力系数分布图,从而对机器人工作空间有直观的认识,进而提出有效的张力优化算法;通过对最小预紧力影响因素及选取方法的讨论,可以得到动态最小预紧力实时计算公式,保证绳索时刻处于张紧状态;通过样机的力检测系统张力反馈的实验可以验证理论推导.通过对以上几部分的分析和研究,可以对四绳驱动三自由度机器人的张力问题有综合全面的认识.      

挠性多体卫星星间跟踪天线回扫运动研究

针对耦合影响较严重的天线回扫过程展开研究.首先,将柔性支撑杆等效简化为悬臂梁结构,并基于拉格朗日方程建立多体耦合动力学模型.然后从耦合动力学模型出发,分析天线回扫运动对星体姿态稳定和柔性振动的影响,并根据分析结果引入命令预处理算法,规划天线回扫指令.最后对天线回扫运动进行仿真分析,仿真结果表明命令预处理算法能够有效地减小回扫运动对星体姿态稳定和柔性振动的影响.     

空间绳系拖拽系统摆动特性与平稳控制

考虑了任务星与废星的姿态运动以及系统组合体的面内外姿态运动,建立了绳系拖拽离轨系统动力学与控制模型,以切向常值推力下绳系拖拽轨道转移为任务过程,分析了任务星在喷气和零动量轮的限制姿态反馈控制条件下飞行时,废星姿态摆动、系统组合体面内外摆动和任务星姿态运动的规律及相互影响关系。采用留位和阻尼控制相结合的系绳张力复合控制方法,并结合任务星姿态控制,确保绳系拖拽转移安全平稳进行。仿真结果表明:常值推力下绳系拖拽轨道转移时,牵挂点偏置诱发的废星姿态周期性摆动会激发绳系组合体的面内外同频率高阶摆动,星体姿态运动是任务星姿态扰动力矩产生的主要因素;采用张力复合控制可有效消除废星姿态摆动并保持星间相对距离,结合任务星姿态控制,可实现离轨过程的平稳与安全,大幅减少任务星的姿控能耗。      

航天趣闻(八)

神奇的太空飞绳 未来人们乘坐太空电梯到太空旅游,最多只能将你送到36000千米的对地静止轨道高度,如果你要到月球去旅游,月球与地球的距离平均为384400千米,中间还相差348400千米的路程,这段路程太空旅客将使用什么样的运输工具,7答案是“太空绳索”。     

绳系卫星部署阶段的动力学分析

绳系卫星系统部署阶段末时刻状态决定着其编队飞行的初始状态，为了研究不同因素对绳系卫星系统部署阶段运动的影响，本文建立了一种简单的平面哑铃模型，将系绳视作有阻尼的弹簧，两个卫星视作刚体，考虑重力梯度力矩。通过仿真，发现系绳释放的速度和副星推力是影响绳系卫星系统部署阶段稳定性的主要因素。     

系绳卫星控制系统可重构性评价指标

针对系绳卫星控制系统,展开系绳卫星控制系统可重构性评价指标的研究。首先建立了由三个子卫星组成的系绳卫星控制系统;然后针对该模型进行可重构性评价,给出可重构性评价指标,该指标不仅描述了系统的重构能力,同时还强化了可重构性评价对重构策略指导的作用,体现了重构设计对可重构性评价方法的依赖性。最后通过数值算例,分析了系绳卫星的可重构性指标,并对故障后的系统重新设计重构控制律使其保持稳定。     

基于非线性模型预测的绳系系统系绳摆振控制

针对绳系系统离轨稳定控制问题,开展了系绳和绳端卫星构成的绳系系统在拖拽离轨过程中系绳摆动稳定控制方法研究。在考虑拖拽离轨过程中约束下,首先建立了包含绳端卫星的姿态运动的模型,并建立了绳系系统的离轨动力学方程和便于控制器设计的简化动力学方程。其次根据模型预测原理以最优化方法设计参考轨迹,最后以模型预测控制方法为基础设计了稳定系绳摆动的非线性模型预测控制方法。使用MATLAB软件平台仿真,验证了所设计的参考轨迹能完成目标和模型预测控制器有好的跟踪能力。      

利用人工势函数法的卫星电磁编队控制

卫星电磁编队是指利用卫星之间相互作用的电磁力进行卫星相对运动控制,对控制律的要求主要是计算量小和能避免碰撞.以目标星对参考星的相对运动矢量作为控制对象,分析了使用电磁力控制卫星编队的可行性,结果是如果编队卫星磁矩能够任意控制,那么卫星相对运动也能完全控制.设计了人工势函数,以相对位置和相对速度矢量作为变量,人工势函数在达到控制目标时为最小值,在碰撞的位置具有局部最大值.设计的控制律能够实时调整控制参数,能够保证电磁线圈控制电流不至于饱和,以及人工势函数导数在控制过程中小于零.仿真表明,所设计的控制律能生成编队构型并避免碰撞,而且具有一定的抗干扰性.     

非合作失效航天器绳系拖曳系统研究

空间碎片的不断增加给人类航天活动的开展和在轨资产的安全造成严重威胁。在已经提出的多种空间碎片主动清除方式中,绳系拖曳（tethered space tug,TST）系统因有较好的应用前景而受到广泛关注。部分失效航天器因星上器件损坏且姿态控制系统异常,始终将姿态维持在某一特定指向,针对此类具有典型的非合作特征的大型空间碎片,开展绳系拖曳动力学与控制研究。将拖船和目标均视作刚体,用牛顿法建立了TST系统的动力学模型;根据目标姿态稳定方式分为自旋稳定和三轴稳定两种情况,开展了绳系拖曳动力学分析与控制设计,并考察了系绳在失效航天器表面连接点位置对系统稳定状态的影响。仿真结果表明,拖船和失效航天器会在系绳连接下表现出抗衡特点,最终系统会稳定在不同的均衡状态附近。此研究为安全清除尚有残余姿态控制能力的失效航天器中相关拖曳动力学与控制问题提供了参考。     

绳系微小卫星的旋转编队飞行

针对三星编队飞行问题,提出一种绳系控制方法,在自旋刚体卫星的平衡分析的基础上,建立了Thomson和Likins Pringle平衡构形的绳系三星编队模型,通过对编队系统的稳定性分析得到了两种构形下的稳定条件,并给出了三种控制策略用以解决Likins-Pringle构形不能满足平衡条件的问题。最后经过仿真验证了理论分析的正确性,并对三种控制策略进行了检验,结果表明Thomson构形无须辅助手段,在满足特定条件下可以稳定运行,Likins-Pringle构形采用弹簧系统和喷气辅助绳系控制时满足特定条件也可以稳定运行。     

单轴挠性卫星快速机动试验台

为了验证挠性卫星快速机动控制方法,搭建单轴挠性卫星快速机动试验平台.该平台基于单轴气浮台,令柔性板的挠性频率和刚挠耦合系数与真实卫星的接近.平台充分模拟了卫星在太空中的失重和无阻尼环境,被激发的挠性振动在开环情况下衰减很慢,特别适合挠性卫星姿态快速机动试验.初步的试验包括挠性参数辨识试验和姿态快速机动PD控制试验,仿真结果表明升级后的平台将可以验证快速机动控制方法.     

Decentralized differential drag based control of nanosatellites swarm spatial distribution using magnetorquers

Nanosatellites in the swarm initially move along arbitrary unbounded relative trajectories according to the launch initial conditions. Control algorithms developed in the paper are aimed to achieve the required spatial distribution of satellites in the along-track direction. The paper considers a swarm of 3U CubeSats in LEO, their form-factor is suitable for the aerodynamic control since the ratio of the satellite maximum to minimum cross-section areas is 3. Each satellite is provided with the information about the relative motion of neighboring satellites inside a specified communication area. The paper develops the corresponding decentralized control algorithms using the differential drag force. The required attitude control for each satellite is implemented by the active magnetic attitude control system. A set of decentralized control strategies is proposed taking into account the communicational constraints. The performance of these strategies is studied numerically. The swarm separation effect is demonstrated and investigated.     

卫星液体燃料与结构耦合振动分析

根据流体域控制方程、结构动力学方程和液体与固体接触界面的条件,建立了液体燃料与卫星结构耦合振动有限元方程,并举出一些算例。根据算例结果讨论了对带有大量液体燃料卫星的液体燃料和结构耦合振动问题以及在卫星研制阶段进行耦合振动分析的重要性。