空间绳系机器人抓捕后复合体姿态协调控制

针对空间绳系机器人对目标抓捕后的复合体姿态稳定控制问题进行了研究.首先,对复合体进行动力学建模,并对其动力学特性进行了分析;然后,考虑复合体的特点、空间绳系机器人燃料有限以及自身姿态控制力的限制,分别设计了系绳主动拉力与推力器推力协调控制器和基于滑模变结构的全推力控制器,并设计了其切换条件,利用两种控制器切换对姿态进行稳定控制;最后,利用仿真实验验证了所提方法的正确性.仿真结果表明,系绳拉力和推力器协调控制方法能够实现对姿态的稳定控制,并且有效地节省姿态控制过程中的燃料消耗.     

绳系拖曳中柔绳动力学及其控制方法

针对绳系拖曳离轨系统中对目标星的控制问题,提出一种利用拖曳装置控制系绳张力的方法。采用有限元法建立了系绳伪梁模型,通过仿真分析了系绳参数、端部扰动对其传力特性的影响以及所造成的系绳两端张力区别的原因。建立了系绳收放与张力控制装置机电一体的动力学模型,基于PD控制方法,实现了通过系绳收放对系绳末端张力的跟踪控制。通过算例仿真分析了系绳末端位置扰动频率对末端张力跟踪控制效果的影响,结果表明:对于确定的末端张力跟踪控制要求,末端位置扰动频率较低时,末端张力跟踪误差小;随着扰动频率的增大,末端张力误差和时滞增大;严重时出现系绳间歇式松紧现象,末端张力无法正常跟踪,被动产生张力冲击。     

一种新型舱外救援装置位姿控制系统方案地面试验验证

针对舱外航天服机动救援装置不够灵活和容易操作的问题,提出了一种救援绳索加寻的飞行器的组合救援方案,并以DSP为核心控制器、微推力器和反作用飞轮为主要执行机构,设计了作为该方案核心的位姿控制系统。研制了该位姿控制系统原理样机,针对方案的准确性及稳定性,采用基于模型的设计方法,在气浮平台上验证了原理样机的位姿控制性能。结果表明,样机姿态精度优于±1°,能够实现对正弦角度曲线的跟踪;位置控制精度优于±50 mm,在近距离目标逼近任务中,微推力器工作压力为0.7 MPa时样机逼近时间最短。救援装置位姿控制效果准确稳定,对我国舱外救援装置的研制有一定参考价值。     

空间绳系机器人捕获目标后的面内自适应回收方法

在空间绳系机器人(TSR)捕获目标星后,操作机构与目标星形成质量、惯量和系绳连接点位置等参数未知的组合体,且系绳长度、偏角与组合体姿态严重耦合,控制输入严格受限,回收控制十分困难。针对其回收难题,综合考虑系绳长度、系绳偏角与组合体姿态,利用拉格朗日法建立了轨道面内的动力学模型,并基于动态逆理论设计了一种自适应抗饱和回收控制方法。首先,在对组合体质量、惯量与系绳连接点进行在线估计的基础上,设计一种自适应动态逆回收控制器;然后,设计辅助变量对控制输入进行补偿,解决控制输入受限问题;最后进行仿真验证。仿真结果表明,在线估计器能够快速有效地估计组合体动力学参数,回收控制系统能够利用受限的控制输入克服抓捕时刻的系绳偏角和组合体姿态扰动,并沿设计的回收轨迹实现稳定有效回收。     

空间机器人系统的最小燃料重复运动控制

提出了一种空间机器人系统的重复运动控制方案。用一组完整约束来逼近非完整约束,并将该完整约束用于空间机器人逆运动学的计算,这样即可以满足关节空间重复运动的要求,又可以大大减少控制载体运动所需的燃料和避免安装在载体上的反作用轮达到饱和。仿真结果证实了控制方案的有效性     

绳系卫星轨道转移的最优控制

考虑系绳的弹性以及复杂状态和控制约束的作用,研究了绳系卫星面内轨道转移的最优控制问题。借助Gauss伪谱算法,将绳系卫星轨道转移的连续时间最优控制问题离散为大规模动态规划问题,进而利用非线性规划方法进行求解。通过数值模拟计算了子星最优转移轨道及最优控制力。结果表明:在满足相关约束的条件下,通过调节系绳张力可将子星从主星下方转移到上方的平衡位置,精确地实现子星轨道转移,并使得轨道转移过程呈现出良好的光滑性和对称性。最后基于协态映射定理对解的最优性进行了验证。     

RLV再入姿态双环滑模控制及舵喷混合配置

应用滑模控制设计了一种可重复使用运载器（RLV）再入姿态控制器,该控制器应用双环的滑模控制方案,可以获得对角速度及角度的同时跟踪,并具有较好的鲁棒性和解耦性能。针对RLV再入姿态的动力面与反作用混合控制的特点,运用优化控制选择配置算法把控制力矩指令配置为末端受动器的控制指令,分别由动力面与反作用致动器来执行。再入姿态仿真验证了该方法的精度、鲁棒性以及解耦的跟踪性能及有效性。     

空间推力器用铠装热控器件技术研究发展概况（空间推进专刊）

空间推力器是调整宇航飞行器运行轨道和姿态的推进系统中的关键部件,为保证推力器启动温度和可靠运行,必须采用专门的热控设施。本文介绍了各类空间推力器的不同热控需求,重点阐述了目前空间推力器用铠装热控器件技术以及种类、性能和应用,总结了铠装热控器件的考核试验及判定指标,并提出了铠装热控器件技术的发展方向。     

空间推力器用铠装热控器件技术研究发展述评

空间推力器是调整航天器运行轨道和姿态的推进系统中的关键部件,为保证推力器启动温度和可靠运行,必须采用专门的热控设施。本文介绍了各类空间推力器的不同热控需求,重点阐述了目前空间推力器用铠装热控器件关键技术以及种类、性能和应用,总结了铠装热控器件的考核试验及判定指标,并提出了铠装热控器件技术的发展方向。     

利用受限张力的拖曳变轨欠驱动姿态稳定策略

在空间绳系拖曳变轨中,目标和平台形成一种哑铃型绳系系统,且仅依靠有限的平台推力和系绳张力来抑制系绳的摆动。针对此类输入受限的欠驱动控制问题,提出了一种利用受限张力的姿态稳定策略。首先,推导了组合体姿态动力学模型。然后通过数值求解姿态平衡方程得出理论面内姿态指令,再采用高斯伪谱法对其优化获得实际指令。最后,基于分层滑模理论设计欠驱动张力控制律,并嵌入抗饱和模块以缓解张力饱和。仿真表明空间平台能在正向有限的张力控制下,平滑地收放系绳使面内角和绳长跟踪实际姿态指令。此外,所提策略对目标体摆动和传感器误差也具有良好的鲁棒性。     

空间电动力绳系电流峰值点变化规律研究

为研究电流峰值点在几种影响因素下的变化规律,建立一种能够捕捉绳系电子发射与收集自洽平衡过程的新算法——电路空间耦合算法。为验证该方法的计算精度,以1.35kW霍尔推力器为等离子体源,在真空舱内开展绳系的电荷收集试验,在电路参数方面,计算精度约为12.8%,在场参数方面,计算精度约为3.6%。在此基础上,针对不同偏置电压、绳系长度以及绳系直径,对绳系的绳上电流分布、电势分布以及空间电势分布等参数进行数值计算。结果显示:电动力绳系的电流峰值点会随着偏置电压升高、绳系长度增加及绳系直径增大而发生比例上的向阳极端漂移,揭示了电子轨道运动限制的机制在各类壁面电荷输运机制中占优,导致电流峰值点漂移的产生。     

多无人机绳索悬挂协同搬运固定时间控制

针对多无人机绳索悬挂协同搬运跟踪控制问题,设计了一种新的固定时间协同跟踪控制算法。首先,通过旋量分析,计算系统不同状态下的有效旋量空间,并根据静力学平衡计算系统在有效旋量空间约束下的拉力容许裕度。其次,在保证绳索张紧以及最大拉力约束的条件下,基于微分平坦性以及绳索拉力优化分配算法,规划编队的期望跟踪轨迹。然后,基于Udwadia-Kalaba方程建立系统动力学模型,设计了连续的基于类超扭滑模和积分滑模的鲁棒控制项,以补偿系绳拉力给无人机造成的扰动,并设计了基于双极限齐次性原理的固定时间无人机协同外环位置控制器。针对无人机内环姿态稳定控制,设计了固定时间姿态稳定控制器。仿真结果表明,绳索拉力满足张紧和最大拉力约束,且设计的固定时间协同跟踪控制算法保证了系统在固定时间内稳定跟踪期望轨迹。     

Hybrid control of orbit normal and along-track two-craft Coulomb tethers

The dynamics and stability of a charged two craft formation with nominal fixed separation distance (Coulomb tethers) is studied where the cluster is aligned with either the along-track or orbit normal direction. Unlike the charged two-craft formation scenario aligned along the orbit radial direction, a feedback control law using inter-spacecraft electrostatic Coulomb forces and the differential gravitational accelerations is not sufficient to stabilize the Coulomb tether length and the formation attitude. Therefore, a hybrid feedback control law is presented which combines conventional thrusters and Coulomb forces. The Coulomb force feedback requires measurements of separation distance error and error rate, while the thruster feedback is in terms of Euler angles and their rates. This hybrid feedback control is designed to asymptotically stabilize the satellite formation shape and attitude while avoiding plume impingement issues. The effects of differential solar drag on the formation and the ability of the controller to withstand this disturbance is also studied.     

Detumbling strategy based on friction control of dual-arm space robot for capturing tumbling target

The rotational motion of a tumbling target brings great challenges to space robot on successfully capturing the tumbling target. Therefore, it is necessary to reduce the target’s rotation to a rate at which capture can be accomplished by the space robot. In this paper, a detumbling strategy based on friction control of dual-arm space robot for capturing tumbling target is proposed. This strategy can reduce the target’s rotational velocity while maintaining base attitude stability through the establishment of the rotation attenuation controller and base attitude adjustment controller. The rotation attenuation controller adopts the multi-space hybrid impedance control method to control the friction precisely. The base attitude adjustment controller applies the dual-arm extended Jacobian matrix to stabilize the base attitude. The main contributions of this paper are as follows: (1) The compliant control method is adopted to achieve a precise friction control, which can reduce the target angular velocity steadily; (2) The dual-arm extended Jacobian matrix is applied to stabilize the base attitude without affecting the target capture task; (3) The detumbling strategy of dual-arm space robot is designed considering base attitude stabilization, realizing coordinated planning of the base attitude and the arms. The strategy is verified by a dual-arm space robot with two 7-DOF (degrees of freedom) arms. Simulation results show that, target with a rotation velocity of 20 (°)/s can be effectively controlled to stop within 30 s, and the final deflection of the base attitude is less than 0.15° without affecting the target capture task, verifying the correctness and effectiveness of the strategy. Except to the tumbling target capture task, the control strategy can also be applied to other typical on-orbit operation tasks such as space debris removal and spacecraft maintenance.     

电动力绳系周期解求解及稳定性控制

电动力绳系姿态摆动动力学方程具有非线性特点,且姿态摆动状态直接影响着空间任务能否正常进行。首先,基于哑铃模型及偶极子地磁场模型假设,推导了在倾斜圆轨道上运行的电动力绳系姿态动力学方程。其次,给出了利用摄动法和不动点迭代法相互配合的数值方法求解该非线性方程周期解的过程及解的稳定性判断准则,并针对不稳定周期解提出了相应的稳定性控制策略。最后,通过数值仿真分析,得到了姿态摆动运动的周期解图像,验证了周期解求解算法的有效性,并对不稳定周期解实现了稳定性控制。     

Coordinated target localization base on pseudo measurement for clustered space robot

This paper presents a coordinated target localization method for clustered space robot.According to the different measuring capabilities of cluster members,the master-slave coordinated relative navigation strategy for target localization with respect to slavery space robots is proposed;then the basic mathematical models,including coordinated relative measurement model and cluster centralized dynamics,are established respectively.By employing the linear Kalman flter theorem,the centralized estimator based on truth measurements is developed and analyzed frstly,and with an intention to inhabit the initial uncertainties related to target localization,the globally stabilized estimator is designed through introduction of pseudo measurements.Furthermore,the observability and controllability of stochastic system are also analyzed to qualitatively evaluate the convergence performance of pseudo measurement estimator.Finally,on-orbit target approaching scenario is simulated by using semi-physical simulation system,which is used to verify the convergence performance of proposed estimator.During the simulation,both the known and unknown maneuvering acceleration cases are considered to demonstrate the robustness of coordinated localization strategy.     

空间遥操作分段自适应碰撞预警方法

目前空间遥操作碰撞预警机制并未考虑遥操作任务的阶段性特点,操作的快速性与精细性难以兼顾。针对这一现状,提出了空间遥操作分段自适应碰撞预警方法。通过计算机械手末端与操作目标之间的相对距离,将遥操作任务划分为自由接近、精细调整和操作控制三个阶段,分阶段自适应调整碰撞检测策略和操作比例系数,并通过直观的预警视觉信息,使得遥操作员实时感知任务阶段。目标逼近试验表明:在自由接近段,随着对目标的逼近,操作速度从7.46mm/s逐渐减小为4.41mm/s,关节运动和相对位置的抖动较大;在精细调整段,操作速度为3.98mm/s,关节运动和相对位置的抖动较小。因此,该分段自适应碰撞预警方法有效克服了操作快速性与精细性的矛盾,适合于未来更为精细、复杂的空间遥操作任务。     

一种适用于捷联探测器的空间目标搜索算法

针对空间目标的搜索问题,提出了一种适用于捷联探测器的目标搜索算法。无论探测器是否能够获取目标方位的先验信息,该算法都能够使得搜索轨迹覆盖探测球面,确保目标的成功捕获。该算法分析了目标与探测器间相对运动以及姿态控制精度等因素对搜索轨迹的影响,给出了螺旋搜索轨迹重叠区域与相对运动角速度、姿态控制精度间的约束关系。对于算法生成的目标搜索轨迹,采用单轴定向姿态控制的方式给出了探测球面上搜索轨迹与姿态控制误差信号间的转换方法。最后通过典型情况下的仿真算例对算法进行了验证,仿真结果表明,无论是否具备目标方位先验信息,该算法都能够有效发现目标。