自主机动空间绳网机器人设计与动力学建模

设计了一种新型“平台+绳系+柔性网+自主机动单元”结构的空间机器人系统,较强的机动能力和较大的任务范围使其在空间垃圾清理任务中具有显著的优势。详细描述了自主机动空间绳网机器人的概念、任务过程和特点。为了分析自主机动空间绳网机器人逼近目标过程开始时柔性网网型的变化趋势,采用质量集中法建立了逼近过程的动力学模型,模型中将柔性网离散化为无质量弹性杆和质点的集合,同时考虑了自主控制力的作用。在不同条件下对逼近过程中的网型变化进行了数字仿真,仿真结果表明：逼近过程开始时,自主机动单元无控状态下柔性网将产生收口运动,且收口运动的强弱与自主机动单元和柔性网的初速有关;逼近轨迹也将偏离目标方向。通过自主机动单元的自主控制力能够避免收口运动和逼近方向偏移的产生。     

空间绳网系统发射动力学问题研究

空间绳网系统是在系绳技术基础上发展起来的一种应用系统,通过展开形成一张具有稳定构型的网,可用于空间目标的柔性容错捕获,在空间废弃卫星或碎片处理方面具有潜在应用价值。空间绳网系统动力学问题较为复杂,融合了刚体动力学、柔性绳索动力学和碰撞与摩擦动力学等方法和模型。通过建立空间绳网系统刚柔耦合动力学模型,研究了其发射展开的动力学问题,重点讨论了绳网牵引质量块发射角度和柔性绳索等效阻尼的影响,仿真结果表明在一定的系统配置下这两个参数存在最优值。
     

空间绳网捕获动力学仿真

空间绳网捕获系统是一种很有前景的空间碎片清除方法。然而,绳网的部署与捕获过程非常复杂,截至目前仍存在少量关键问题有待解决。对绳网捕获过程的研究是为了得到更合理的初始释放条件,以便绳网在接触目标后能成功包裹目标。利用有限元法将绳网进行离散,建立弹簧质点模型,并通过有限元软件进行仿真。同时提出了与仿真相关的3个接触参数,通过对不同捕获模型接触参数的横向对比找出绳网系统在展开及捕获过程中接触行为的区别。仿真结果表明,采用方形绳网系统对于正方体与弧形薄壁体目标捕获效果相对较好,对球形目标的捕获效果相对较差。针对不同捕获物体,绳网中最大应力出现的位置也不同,但最大应力都是集中出现在绳网与捕获目标棱角接触处与牵引球连接处。该仿真结果对最优绳网初始释放条件与编织形式的选取具有指导意义。     

一种新型空间对接抓捕机构的设计与分析

文章设计一种新型抓捕机构,不仅具有结构简单、末端速度可控等优点,而且可减小两卫星抓捕过程中产生的碰撞力。基于抓捕机构的工作原理,使用CATIA软件建立了三维模型,并运用ADAMS仿真软件进行仿真分析,得到其运动规律和动力学曲线;使用ABAQUS有限元软件对抓捕机构中的软轴进行受力分析。仿真与有限元分析结果表明:与美国ASDS-Ⅱ相比,该机构的角度容差更大,更容易实现对卫星的捕获。     

空间绳网旋转展开动力学分析

针对火工装置直接抛射展开空间绳网方案存在的对卫星平台冲击大、绳网展开后网体构型维持时间短的问题,提出一种基于周置可控旋筒的旋转展开空间绳网系统方案.构建了基于拉格朗日动力学方程的网臂旋转展开解析模型和基于中心差分算法的网臂/网体的旋转展开有限元(FE)仿真模型,并将上述三种模型进行了对比校验.采用解析模型和有限元仿真模...     

空间绳网捕获性能及误差影响分析

针对空间绳网的抓捕过程,确定了抓捕成功的评价标准,研究了多种非理想因素对绳网抓捕过程的影响。使用弹簧质点法建立了绳网的动力学模型,并建立了计入摩擦力的绳网碰撞动力学模型。以绳网边长为度量确定了抓捕目标的理论极限包络。提出了理想工况和非理想工况下界定绳网抓捕成功的判据,并重点研究了发射速度误差、发射同步性和抽出阻力差异对绳网抓捕性能的影响。结果表明:以展开率80%作为抓捕成功的界定标准过于严格,空间绳网具有较高的抓捕容错能力。     

空间绳网有控展开方法及优化

针对影响空间绳网展开性能的绳网回弹现象,提出了一种基于拖曳绳张力控制的绳网展开控制方法.首先,使用质心追逐描述绳网的回弹现象,并针对追逐过程提出了使用拖曳绳控制的绳网展开方法.其次,以有效展开位移为优化目标,提出了一种基于遗传算法的最佳控制力优化策略.最后,基于弹簧质点法建立了绳网的动力学模型,并通过数值仿真对比了无控...     

空间柔性绳网多碎片捕获动力学研究

随着空间碎片数量的增加,其对近地轨道中的在轨卫星产生越来越严重的威胁,空间多碎片的高效清理在近年来也成为了学界关注的热点问题。针对柔性绳网在一次任务中同时对多个碎片进行捕获清理的问题,建立了柔性绳网的动力学模型和与碎片接触动力学模型,并对捕获过程中柔性绳网与碎片的运动进行了仿真模拟。针对绳网的最大拉伸力、质量块位移速度等变量,深入分析捕获过程中绳网与碎片的运动特性。数值仿真结果表明,在一次任务中,柔性绳网可以对多个旋转空间碎片进行捕获,并实现稳定的包裹缠绕,展示了柔性绳网良好的捕获能力。     

空间碎片绳网捕获拖曳恒张力控制

针对空间绳网系统捕获空间碎片后,在轨道转移过程中的精确控制问题,提出一种使用常值拉力将空间碎片拖曳至坟墓轨道的方法。首先,采用牛顿欧拉法建立绳系组合体动力学模型;其次,通过李雅普诺夫方法证明仅使用恒张力即可实现拖曳过程的稳定控制;再次,提出采用常值拉力切换控制律抑制空间碎片的姿态章动,采用基于相平面控制原理的控制律抑制绳系组合体面内面外摆动,规避在轨道转移过程中系绳松弛造成缠绕、系绳张力过大造成断裂或两星接近发生碰撞等风险。最后,通过拖曳离轨全过程仿真分析,校验了所提出控制方法的有效性。     

空间机器人抓捕碰撞分析与轨迹规划镇定控制

针对空间机器人抓捕目标过程中产生的碰撞冲击问题,分析了抓捕瞬态碰撞对机器人系统产生的影响,提出了一种控制力矩能量消耗少、对卫星平台基座扰动小的镇定控制方法,实现了对抓捕目标后组合体系统的镇定控制。首先,利用Kane方法建立了抓捕后的目标-机械臂-卫星平台组合体动力学模型;其次,利用ADAMS软件分析了瞬态碰撞冲击对空间机器人系统的影响,为后续镇定控制策略的设计提供初始仿真参数;采用四次多项式实现了机械臂关节空间轨迹的参数化,设定了基于控制力矩能量与基座扰动的加权目标函数,利用差分进化算法(DE)求解得到满足控制力矩能量消耗小、平台基座扰动少的机械臂关节空间轨迹。最后,利用七自由度空间机器人的数值仿真,验证了所提出方法的有效性。     

空间绳网多收口质量块收口过程动力学分析

针对空间绳网捕获应用,进行了多收口质量块收口过程的动力学分析。以一种自适应双卷筒卷取机构为研究对象,考虑包含有三个质量块的收口系统,通过建立收口质量块质点运动微分方程、收口绳长约束方程并利用非正交变换方法,给出了各收口质量块质心运动与缆绳卷取运动耦合的动力学模型,仿真分析了质量块平动发射和系统自旋发射等典型收口过程的运动特点,给出了一些收口过程的驱动控制策略,同时也说明此类自适应收口质量块具有较强的自适应性和容错性,适用于空间绳网捕获系统。另外,以上分析也适用于采用缆绳控制的绳系卫星编队系统。     

基于空间机械臂的柔顺抓捕技术研究综述

空间机械臂是广泛应用于空间探索与实验的重要机电设备,柔顺抓捕技术为其执行主要任务的基础。空间机械臂柔顺抓捕技术主要分为结构设计与控制方法两个方面。首先介绍了目前已成功应用的空间机械臂末端执行器系统,分析了其结构与抓捕原理特点,说明了相应优势与不足,并给出结构优化的合理建议。然后介绍柔顺抓捕的控制方法在空间任务以及部分非空间任务中的成功应用,比较了其特性与优劣,归纳出优化的空间机械臂柔顺抓捕控制策略。本研究期望为空间机械臂柔顺抓捕技术的研究提供思路。     

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。     

空间机器人抓捕目标后动力学参数辨识研究

针对自由漂浮空间机器人抓捕目标后的动力学参数辨识问题,提出一种参数辨识的持续激励轨迹设计方法。首先,基于动量守恒原理建立了自由漂浮空间机器人的动力学参数辨识模型;然后,采用有限傅里叶级数对空间机器人的机械臂关节运动轨迹进行参数化表示,并以参数辨识回归矩阵条件数最小化为指标,通过求解一个包含多约束的非线性优化问题得到傅里叶级数的待定系数;最后,采用基于QR分解的递推最小二乘估计方法实现对采样数据的序贯处理,并求解出待辨识参数。仿真结果表明,提出的激励轨迹设计方法可以显著提高空间机器人参数辨识的收敛速度和准确性。     

冗余空间机械臂抓捕自旋卫星后的消旋控制

旨在提出一种运动学冗余空间机器人抓捕自旋卫星后的消旋策略和协调控制方法。首先,给出运动学冗余空间机器人捕获目标后的动力学模型,作为协调控制器设计基础。然后,基于四阶Bézier曲线和满足特定约束的自适应微分进化(Differential Evolution, DE)算法提出抓捕后的最优消旋与路径规划策略,最优消旋策略中同时考虑对消旋时间和控制力矩进行优化。提出一种跟踪所设计参考轨迹的协调控制方法,调整基座的姿态达到期望值。所提方法有效地衰减了自旋卫星的初始角速度,同时实现对基座姿态的控制。文末给出利用7 DOF冗余空间机械臂消除目标自旋运动的仿真结果,表明所提方法的有效性。     

大型双组元排放推进系统的设计与研制

对大型双组元推进系统进行增压改进,使其新系统完全不同于目前的压力调节系统。从推力室设计、性能及系统结构三方面考虑,新方案的工作条件均有重大的技术改进,通过推力室热试对系统水平进行了测试,并对推进系统的排放方案的寿命期限进行了验证。     

航天器抓捕后复合体系统稳定的协调控制研究

针对航天器抓捕后由于系统质量特性和动量的改变而导致复合体系统失稳的问题,提出了两种基于角动量守恒的协调控制方法:关节阻尼控制和关节函数参数化协调控制。这两种方法通过对各关节和飞轮的速度进行协调规划和控制,实现对系统角动量的管理和重分配,在实现对目标进行停靠的同时,保证了基座的稳定性。两种方法各有优缺点,其中,关节函数参数化在实现系统稳定的同时还可使机械臂处于期望的臂型,以方便开展在轨维修等服务操作。所提出的方法将实际飞轮作为动量交换装置,具有很好的工程可实现性。仿真结果验证了方法的有效性。     

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。     

空间环境模拟设备低温系统研制中的软件应用及参数化驱动设计

为提升空间环境模拟设备的设计效率和用户体验度,针对北京卫星环境工程研究所成功研制或正在研制的地面产品,运用CAD/CAE软件对其低温系统进行三维建模和仿真分析;依托Inventor软件进行二次开发,设计了一款专门的空间环境模拟设备数字化集成设计平台。通过对专业模型参数化驱动技术的研究,给出热沉系统参数化的各主要节点和驱动设计流程,并验证设计流程的有效性。最后,对氮系统的零件库动态扩充进行了探讨。     

空间环境对空间系统维修性设计的影响

从空间环境对在轨维修工作的影响以及空间系统故障的主要诱因2个方面，分析了空间环境对空间系统维修性设计的影响。研究表明，空间环境对在轨维修性的影响首先与维修安全有关；空间环境的恶劣条件既是航天器故障的主要诱因，又是在轨维修各种困难和限制的根源。