空间碎片飞网捕获仿真研究

文章利用动力学建模的方法分析了采用柔性飞网进行空间碎片捕获的过程。以非合作性目标捕获系统为基础建立了柔性飞网X模型,利用EXCEL和MATLAB对飞网捕获碎片的全过程进行仿真,重点分析了抛射速度和抛射角度对飞网捕获能力的影响。结果表明,随着抛射角度的增大,飞网的捕获能力无明显变化;随着抛射速度的增大,飞网的捕获能力增强。     

自主机动飞网机器人动力学建模与网型保持方法

针对自主机动飞网机器人多系绳编织结构的动力学建模难题,首先提出利用无向图描述飞网机器人的结构,然后依据系绳杨氏模量极大的特点,设计间隙函数和约束反力,基于Hamilton原理建立飞网机器人数学模型,并设计一种基于Lemke算法和龙格库塔积分的解算方法;针对其网型保持问题,设计一种“双层优化伪动态逆内环+变结构控制外环”的控制方法。仿真结果表明,设计的控制器能够有效控制飞网机器人沿指令轨迹运动,并很好保持其网型,避免飞网机器人任务过程的变形和轨道径向移动。     

空间飞网系统抛射参数优化研究

空间飞网由轻质绳索编织、通过抛射展开形成一定构型网,作为在轨服务的关键技术之一,在空间在轨服务、飞行器回收、轨道清理、空间拦截等领域具有巨大的应用潜力。本文采用ABAQUS建立不同折叠方式松弛飞网有限元模型并进行动力学仿真,提出了飞网展开效果衡量标准,比较了折叠方式对飞网展开性能参数的影响,对飞网的抛射参数：牵引质量块质量、抛射角度、抛射速度进行了优化设计。仿真表明,折叠方式的优劣是飞网有效展开的关键;在给定的参数范围内,得到了飞网抛射参数的最优值。     

空间飞网抛射展开动力学建模与仿真

空间飞网是由轻质绳索编织的在轨展开网状物体,主要用于在轨捕获。作为在轨服务的 关键技术之一,飞网捕获技术受到国际空间技术领域越来越广泛的关注。当前国际上空间飞 网的展开方式主要有三种：旋转展开、刚性构件支撑展开和直接抛射展开。其中,直接抛射 展开方式的发射装置结构最为简单,但飞网的动力学行为最为复杂。本文针对飞网直接抛射 展开的动力学过程,建立了正方形绳网、牵引质量块和发射器机构的力学模型,提出了飞网 抛射效果的衡量标准,分析了影响飞网抛射效果的主要因素。为了分析飞网展开过程,建立 了正方形空间飞网运动的解析模型;应用绝对节点坐标方法建立了正方形空间飞网的有限元 模型,并在软件THUsolver上进行了数值仿真。本文选取多种不同工况,应用上述两类模型 进行计算和仿真,并分析结果数据,得到主要因素对空间飞网抛射效果的影响。两类模型所 得定性结论相一致。
     

空间飞网质量块动力学分析及收口机构优化设计

 研究空间飞网收口机构在捕获过程中产生翻滚缠绕的原因及质量块优化设计的方法。通过在质量块连体坐标中对其所受空间力系进行简化,分析质量块产生翻滚的原因,并据此对质量块与捕获网的连接进行优化设计。建立了超声波电机启动后质量块各转动部分的动力学方程,分析了其对产生缠绕的影响。并据此对原质量块的结构进行改进和优化设计。实验证明经优化设计的新结构改善了收口机构翻滚缠绕问题。     

空间大型末端执行器捕获动力学与实验研究

以绳索式末端执行器为研究对象,基于离散化方法,采用六维弹簧柔性连接方式建立了绳索动力学模型,并引入绳索与目标间的非线性接触碰撞力和摩擦力模型,获得末端执行器捕获动力学模型,并设计了末端捕获冲击实验,验证了模型的正确性。所建模型可充分考虑绳索的空间运动状态以及捕获过程中绳索与目标间的接触碰撞过程,基于此模型可预示并预防捕获过程中瞬时的较大冲击。对于机构设计和控制器调试具有一定意义,并可作为物理试验的有效补充,解决我国未来空间大型目标捕获任务地面试验验证困难的问题。     

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。     

载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人运动学特性研究

针对载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人的运动学问题,引入具有非完整特性的载体 姿态无扰约束方程,推导了载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人广义雅可比矩阵。采用等效 杆的概念,分析了普通状态的自由漂浮空间机器人和载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人可 达工作空间;基于载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人广义雅可比矩阵所得到的奇异方程, 研究了载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人动力学奇异性。仿真结果验证了普通状态的自由 漂浮空间机器人与载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人运动学问题的差异性。研究结果为载 体姿态无扰的自由漂浮空间机器人运动规划及控制研究奠定了理论基础。
     

时变指向约束下姿态参数空间离散化路径规划方法

为满足深空探测器在复杂动态环境约束下的姿态机动任务需求,解决时变指向约束下姿态路径规划求解困难、路径优化性能差的问题,提出了一种基于修正罗德里格斯参数（MRP）和动态路径搜索的姿态参数空间离散化路径规划方法。通过MRP空间的笛卡尔网格划分和非奇异空间构建,实现航天器姿态的参数空间离散化和指向约束表征。考虑指向约束的时变动态特性,在三维动态空间中搜索初始到目标姿态的机动路径,并引入路径节点的时间特性,在约束冲突时对路径进行实时修正,设计非奇异空间时变约束路径搜索算法,生成执行路径节点序列。进一步,对生成的路径节点进行插值拟合,基于逆动力学方法计算角速度和控制力矩,完成姿态机动轨迹规划。仿真结果验证了该方法的有效性,可为深空探测器在时变指向约束下规划出姿态机动执行路径。     

空间绳系机器人姿态容错控制方法研究

在精确姿态控制阶段,由于反作用轮的故障,空间绳系机器人会出现姿态控制失稳的问题,为此,提出了一种空间绳系机器人姿态容错控制的新方法。该容错控制方法利用时间延迟控制算法,将前一个周期的控制量引入到当前控制律中,估计并补偿由于反作用轮故障引起的当前控制量变化。在推导该容错控制方法的基础上证明了它的稳定性,从反作用轮无故障和有故障两个方面,对利用时间延迟控制算法与利用PD控制算法的控制律进行了仿真比较。仿真结果表明,利用时间延迟控制方法跟踪目标姿态精度高、鲁棒性强;将时间延迟控制方法用于调整反作用轮故障状态下空间绳系机器人姿态具有较强的稳定性。     

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。     

基于飞轮控制的空间机器人质量参数辨识

针对空间机器人进行在轨辨识时存在精度不高、燃料消耗较大等问题,提出了基于飞轮控制的在轨辨识方法,可以有效地解决辨识时存在的问题。该方法采用飞轮控制作为激励方式,通过改变机械臂的构型使整个空间机器人系统的质量分布发生变化,分别测量构型改变后的角速度和线加速度,以计算出基座本体的质量、质心和转动惯量。此外,分析了机械臂与本体的质量比对辨识精度的影响。仿真结果表明,本文的方法可操作性强、精度较高,燃料消耗较小,可以应用于空间机器人的在轨辨识中。     

辐射开环空间绳系机器人编队动力学及控制

提出了一种新型辐射开环空间绳系机器人编队系统,其在编队稳定性、任务灵活性及燃料消耗等方面具有明显的优势。针对辐射开环空间绳系机器人编队系统自旋运动过程中的构型误差控制问题,首先建立了编队系统的自旋动力学模型;然后分析了空间绳系机器人的绳系拉力和空间平台的自旋扭矩对编队系统自旋运动中出现的构型误差的控制能力;设计了一种依靠空间绳系机器人绳系拉力和空间平台自旋扭矩作为控制量,对构型误差进行控制的协调控制方法;最后通过数字仿真进行了校验和分析。仿真结果表明：设计的协调控制方法能够明显改善编队系统自旋运动中构型误差的控制效果。     

SpaceMocap：在轨人体运动捕捉系统

SpaceMocap是一套基于多RGB-D相机的计算机视觉航天员运动捕捉系统。地面准备阶段,扫描航天员模型,并分别标定彩色相机的内参数。在轨采集阶段,3~4台相机布置在舱内角落,同步采集航天员任务视频。地面处理阶段,通过相机外参数标定和ICP方法实现点云融合,采用深度神经网络对人体关节点位置进行检测并初始化位姿参数,再用改进的ICP方法进行位姿求精,实现序列图像中关节角度跟踪。本系统搭载TG-2升空,对SZ-11航天员的任务视频进行了采集和处理,首次获取了在轨航天员的姿态(包括中性体位)、占位空间、运动参数等重要数据。结果表明,运动捕捉的模型与点云具有良好的重合度,关节点位置与关节角度具有较高的跟踪精度。SpaceMocap是我国首个在轨运动捕捉系统,它小型、轻质,具有计算机视觉特有的非接触测量、直观、高精度优势,无需在人体上粘贴任何标志,具有良好的抗遮挡能力,完全适用于微重力、狭小空间环境下的在轨应用 。     

空间机器人一体化仿真系统的研究与实现

为对空间机器人关键算法进行验证和评估,开发了一套一体化仿真系统。该系统基于模块化设计思想,由遥测遥控接口、轨迹规划与控制、系统动力学模型、系统3D几何模型、相机成像模型、图像处理与位姿测量、碰撞检测与安全预警等模块组成。其中,3D实体模型及仿真场景由OSG(Open Scene Graph)建立,各关键模块的算法采用C语言编程实现,可对空间机器人执行在轨任务的关键算法进行闭环验证。最后对两种典型工况进行了仿真实验,结果表明了该系统的有效性。     

自由飘浮空间机器人地面实验系统

针对空间机器人的运动的地面模拟,基于运动学等效原理提出一种用固定基座机器人模拟空间机器人运动的方法。运用该方法,在地面用两个基座固定的六自由度工业机器人组建了一套空间机器人的地面模拟系统。应用该系统成功模拟了自由飘浮空间机器人捕获自由运动目标的运动,实验结果证明了该方法的有效性。