空间机械臂建模方法与控制策略研究

针对刚柔耦合空间机械臂动力学建模中对柔性体采用的传统描述方法（有限元法、模态综合法以及集中参数法等）并不足以精确描述柔性大变形的问题,采用绝对节点坐标法描述柔性体,采用自然坐标法描述刚性体,建立了末端带集中质量的双连杆柔性机械臂的动力学模型并且研究了机械臂的空间定位问题。结合广义α法以及工程上常用的Scaling技术,开发了计算程序,实现了动力学方程的高效精确数值求解。针对机械臂的空间定位以及柔性变形问题,提出了一种运动规划方案,采用PD控制策略,实现了机械臂的运动跟踪控制;仿真结果表明：提出的运动规划方案能有效地减弱机械臂的柔性变形。     

一种柔性多体动力学建模方法及其工程应用

针对具有多轴天线驱动、机械臂运动、空间站舱段转位等多体运动特征的航天器,提出了一种基于浮动基座和树形拓扑结构的柔性多体动力学建模方法,用于计算机建模和与控制系统联合仿真。基于拉格朗日方程和有限元方法所建立的动力学方程考虑了大角度刚体相对转动、弹性部件振动、柔性关节变形特性。将此建模方法程序化并应用于工程实际,可解决此类航天器复杂的机构运动与弹性振动的耦合动力学建模问题,实现完全自主的动力学建模、模型代码输出和控制联合仿真功能,为此类航天器的动力学特性分析及其控制系统设计与系统级仿真验证服务。结合带多轴驱动天线和大型柔性天线的整星对象,采用该方法建模并就系统频率、频率响应、时间响应与商业柔性多体软件Adams进行对比,结果显示二者一致性良好,验证了该建模方法及其软件实现的正确性和通用性。     

空间机械臂关节动力学建模与分析的研究进展

空间机械臂的机械部分是一个由关节和臂杆等结构、机构部件组成,在空间零重力环境下运行的多体系统。关节是空间机械臂的核心部件,在机械臂动力学特性中起着重要的作用。准确全面地了解关节的动力学特性,是正确分析与模拟机械臂系统空间运动特性的关键,而建立精确的关节动力学模型,是机械臂系统设计、分析和控制的基础。文章结合空间应用的特殊性,对机械臂关节动力学建模方法的发展过程和研究成果进行了总结;并讨论了关节模型的求解算法;最后,对空间机械臂关节动力学建模与分析方面有待进一步研究的问题进行了展望。     

一种仿蝗虫腿空间缓冲吸附机构缓冲参数研究

针对空间机器人在太空高速工况下,难以平稳地着陆且黏附在目标航天器表面的问题,提出了一种仿蝗虫腿非合作空间缓冲吸附机构。为了得到机构最优的缓冲参数,使得其与目标航天器碰撞时不发生回弹且减小碰撞力以保护自身,提出了空间缓冲吸附机构碰撞缓冲的动力学模型,该模型研究方法基于连续碰撞力方程。通过对空间缓冲吸附机构的腿部胫节、股节以及整机的受力分析,求得其不同受力工况下的动力学方程。采用线性弹簧阻尼结构等效空间缓冲吸附机构碰撞缓冲过程,建立空间缓冲吸附机构碰撞动力学模型,并结合实际碰撞缓冲参数设计出空间缓冲吸附机构碰撞过程的刚度系数和阻尼系数。最后利用动力学仿真进行校验,结果表明用此方法,机构所受碰撞力大幅减小且不发生回弹,证明了方法的合理性。     

空间机械臂系统轨迹规划仿真分析

在轨组装系统处于空间微重力环境下,其机械臂的动力学模型有别于地面环境下的。文章以空间三自由度机械臂为研究对象,采用适用于空间环境的拉格朗日方程,推导机械臂系统的动力学方程,仿真得到不同作用力矩下各关节的动力学响应,分析并校验动力学模型的准确性。仿真结果表明：所建动力学模型准确可靠,与实际相符,且直观表述了各个转角间因关节力矩不同所产生的相互耦合情况。文章还在常规的机械臂轨迹规划方法基础上,提出一种新的轨迹逼近策略,并对比两种不同轨迹逼近策略的优劣,证明本文方法在效率和精度上更优,且可确保按照期望的路径执行空间环境下的目标捕捉任务。     

空间站系统柔性多体动力学建模与仿真

针对基于商业软件建模存在的接口不开放、求解效率低、功能不完备等问题,文章提出了一种空间站在轨组装过程系统级柔性多体动力学建模方法。所建立的动力学方程包含舱体大范围刚体运动、太阳翼振动、机械臂臂杆振动、关节动力学特性等关键影响因素,适用于任意开链式树形拓扑结构。典型算例的计算结果表明：文章所给出的数学模型仿真精度与商业软件基本一致,且文章的方法具有模型自主、开放、可移植、效率高等优势,便于与其他分系统模型联合形成高效率仿真系统,完成舱段转位、舱外货物搬运等各类在轨操控过程的仿真分析任务。     

柔性多体航天器单向递推组集建模方法

本文提出一种面向计算机建立柔性多体航天器动力学方程的新方法，其特点是完成运动学正向递推同时实现动力学方程的组集。这种方法不仅可提高航天器、空间机械臂动力学仿真的计算效率，而且可有效地克服数值积分病态的困难。文末一个空间四杆柔性机械臂的算例验证了这种建模方法的上述优点。     

空间伸展机构接触碰撞的动力学分析

本文以子结构离散的柔性多体系统动力学为基础，引入与碰撞有关的约束条件导出了描述碰撞过程的柔性多体系统的动力学方程。通过仿真计算可得到空间伸展机构撞击阶段的时间，构件在碰撞阶段的动力学响应；并从与约束方程相关的Ｌａｇｒａｎｇｅ乘子获得撞击力的变化规律。从而可较全面地描述空间伸展机构整个接触碰撞动力学过程。本文以伸展机构的两个构件碰撞过程的仿真为例详细介绍各种建模方法与计算方法。     

多目标融合的冗余空间机械臂碰前轨迹优化

面向在轨对接与装配任务,提出了多目标融合的冗余度空间机械臂碰前轨迹优化方法。通过分析任务特点,阐述了空间机械臂碰前的多重任务目标。针对由空间机械臂连续轨迹跟踪、碰撞姿态控制及碰撞冲量幅值优化三个目标组成的第一类任务,通过设置任务优先级融合多目标并采用基于主任务零空间的方法实现对碰前轨迹的优化;而对由空间机械臂点到点规划、碰撞姿态控制及碰撞冲量幅值优化三个目标组成的第二类任务,通过设置任务权重将多目标融合并采用遗传算法对碰前轨迹进行优化。以典型七自由度机械臂为例开展仿真实验,验证了提出的轨迹优化方法的有效性。     

空间站宏微机械臂动力学建模与零反作用控制

为满足空间站宏微机械臂级联在一起运动的任务需求,文章提出一种简化的动力学建模方法。首先利用雅克比矩阵将柔性关节宏机械臂等效为柔性基座,根据柔性基座、刚性微机械臂以及两者之间的耦合作用推导出柔性基座机械臂动力学模型。基于机械臂系统的动力学冗余特性,采用零反作用运动控制法使柔性基座与微机械臂之间运动解耦。文中数学模型的仿真结果与商业软件一致,表明了柔性基座机械臂模型的正确性。另外,将零反作用轨迹跟踪控制法成功应用于该模型,使得微机械臂末端在跟踪期望轨迹的同时完全不会激起基座的弹性变形。     

含间隙铰链的非线性动力学建模及数值分析

针对空间可展开机构中的含间隙铰链,建立非线性动力学模型,研究其非线性动力学特性。将含间隙铰链实体等效为"T"字型梁模型,针对两侧端部的径向碰撞和侧向碰撞,首次提出了碰撞点的检测算法。针对不同的碰撞类型,建立相应的非线性接触力和摩擦力分析模型,将碰撞点处的作用力等效施加到"T"字型梁模型上。进行"T"字型梁模型在轴向冲击载荷下的动力学特性分析,并与ANSYS软件的分析结果进行比较,验证了含间隙铰链非线性动力学模型的有效性。分析了有多个含间隙铰链的可展开桁架动力学响应特性,研究含间隙铰链对桁架响应的影响机理。结果表明:采用含间隙铰链的动力学模型,可以更加精确地分析可展开桁架结构的非线性动力学响应,为可展开桁架结构的动力学设计提供支撑。     

考虑复合控制系统动态特性的前向拦截制导律

为满足临近空间拦截高速大机动目标的实际需求,研究了考虑直接力/气动力复合控制动态特性的前向拦截制导律设计方法。在考虑连续气动力和离散直接力特点的基础上,给出了一种在气动舵控制基础上设计连续直接力、然后通过冲量等效法进行离散化的直接力设计方法,避免了复杂的控制分配问题。根据二维前向拦截导引运动学模型和拦截导弹动力学模型,利用时间尺度分离,将拦截导弹和目标的质点运动学与加速度慢变子系统构成的动态系统,看成慢变子系统,设计了俯仰角速度指令;将俯仰角速度动态子系统看成快变子系统,通过对俯仰角速度指令的跟踪控制设计得到考虑复合控制系统动态特性的前向拦截导引律。仿真结果校验了本文方法的正确性和有效性。     

Equivalent mechanical model for liquid sloshing during draining

For a spacecraft draining liquid fuel during a continuous thruster maneuver, a brief equivalent method is proposed to model the time-varying properties of liquid sloshing for dynamics and control design. The sloshing liquid during draining is equivalent to a set of mechanical model with variable parameters. The model parameters for sample filling ratios are determined by an efficient finite element method according to equivalent principles, while the parameters for other filling ratios are obtained by piecewise linear interpolation. Using the proposed model, forces and torques acted on a Cassini shaped tank by the inside liquid during draining are investigated undergoing several typical motions. Verifications and comparative studies are done with Computational Fluid Dynamics simulations, which confirm the accuracy of the brief model while the sloshing amplitude is small and the flow rate is low.     

星箭分离减冲击环结构优化设计

针对星箭分离过程，建立了减冲击环结构模型，并分析了该结构的减冲原理。利用冲击响应谱的时域合成算法计算获得符合冲击谱规范的时域载荷，并以此作为结构优化设计中动力学模型的输入载荷工况。以减冲击环的连续层数、单层支撑块数、连续层厚度、支撑块层高度以及环的外半径和内半径6个结构参数为设计变量，以减冲效果和结构强度、刚度为约束，以质量最轻为目标，建立减冲击环的结构优化设计模型，这是一包含离散变量和连续变量的混合优化问题。为了在跨平台下求解该混合优化问题，采用代理模型策略和自适应模拟退火算法求解，并在最优点处开展结构性能对设计变量的敏度计算，对计算结果进行了分析评估。本研究对强冲击动力学环境下的航天器结构分析与设计有一定的指导意义。     

低重环境下旋转轴对称贮箱内液体晃动研究

针对低重环境下旋转轴对称贮箱自由晃动和受侧向、纵向激励时的箱内液体晃动,用变分原理推导了基于低重环境下静液面形状的液体晃动的积分形式的动力学控制方程,由拉普拉斯方程得到用高斯超几何级数解析表达的速度势和波高,进而得到液体晃动的模态运动方程。分析了球形贮箱和Cassini贮箱内液体自由晃动基频,贮箱受侧向激励时液体晃动波高振幅、晃动对贮箱产生的晃动力和力矩、晃动的等效力学模型,以及贮箱受纵向激励时的晃动波高振幅、可能出现的参激共振问题。     

Dynamics analysis of space robot manipulator with joint clearance

A computational methodology for analysis of space robot manipulator systems, considering the effects of the clearances in the joint, is presented. The contact dynamics model in joint clearance is established using the nonlinear equivalent spring-damp model and the friction effect is considered using the Coulomb friction model. The space robot system dynamic equation of manipulator with clearance is established. Then the dynamics simulation is presented and the dynamics characteristics of robot manipulator with clearance are analyzed. This work provides a practical method to analyze the dynamics characteristics of space robot manipulator with joint clearance and improves the engineering application. The computational methodology can predict the effects of clearance on space robot manipulator preferably, which is the basis of space robot manipulator design, precision analysis and ground test.     

折叠状航天器太阳电池阵在轨热分析(Ⅰ)——计算模型

将太阳电池板蜂窝芯子、面板和硅电池片中发生的辐射－传导复合传热过程等效为一个无内热源的三维瞬态热传导问题。根据电池板的材料、尺寸及结构形态导出太阳电池板的三维等效导热系数。针对任意两相邻电池板表面间的热辐射交换规律，构造适用于这表面内节点温度的离散方程系数。研究折叠状态太阳电池阵边界节点的热特点时，仔细考虑了地球红外辐照、地球的太阳反照、太阳辐射加热、航天器舱体几何遮挡、深冷环境散热、飞行轨道高度及航天器在太阳－地球系中不同位置等造成的影响。利用本文给出的方程，可以求出展开前在轨折叠状太阳电池阵三瞬态不稳定温度场。     

液体多模态晃动充液航天器姿态机动复合控制

主要研究多模态液体晃动时充液航天器大角度姿态机动动力学与控制问题。采用液体晃动弹簧质量等效力学模型将液体燃料前两阶液体晃动模态纳入到充液航天器耦合动力学模型中;根据动量矩守恒定律推导出充液航天器耦合系统动力学方程。针对充液航天器大角度姿态机动同时抑制燃料晃动的问题,采用自适应动态输出反馈的姿态控制方法并结合基于前馈控制的多模态ZVD输入成型器设计复合控制器。通过数值模拟给出了液体晃动响应及航天器姿态机动的时间历程图,数值仿真结果表明了本文所给出复合控制方法的有效性。     

超静超稳卫星碰振动力学建模

针对分离式卫星载荷模块(PM)受到扰动时可能与服务模块(SM)发生碰撞的问题，综合音圈电机反电动势(back-EMF)和柔性线缆动力学的效应，基于牛顿欧拉法建立了分离式卫星(DFP)载荷模块动力学模型。基于Hertz接触理论，推导了分离式卫星碰撞过程中连续接触力模型，并分析了碰撞过程中产生的接触力对载荷模块指向精度和指向稳定度的影响。数值仿真结果表明，碰撞使得载荷模块指向精度和指向稳定度下降5个数量级，碰撞后载荷模块可再次恢复到超静超稳工作状态，恢复时间超过1400 s。本文建立的碰撞模型对研究分离式卫星碰撞规避和碰撞控制具有重要意义。     

基于离散时间传递矩阵法的伞-弹系统动力学模型

采用离散时间传递矩阵法建立了伞-弹系统减速稳定段的动力学模型,回避了多体动力学传统的研究方法在伞-弹系统建模过程中存在的问题。详细给出了应用离散时间传递矩阵法建立铅垂平面内伞-弹系统模型的建模过程,推导了伞-弹系统的传递矩阵和传递方程。通过算例将建立的伞-弹系统模型和采用牛顿-欧拉法建立的伞-弹系统模型进行了对比分析,两种模型计算结果吻合度好,验证了本文模型的正确性以及离散时间传递矩阵法应用在减速伞-子导弹系统中的可行性。