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在轨组装空间结构面向主动控制的动力学建模

力学学报 2020年第3期52卷 805-816页

作者：王恩美邬树楠吴志刚大连理工大学航空航天学院大连116024 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室大连116024

在轨组装是未来超大型空间结构最有发展潜力的构建方式之一,组装过程中空间结构尺寸逐渐增长、动力学特性也随之改变,给结构主动控制任务带来了新的挑战.针对这一问题,提出一种在轨组装空间结构面向主动控制的动力学建模方法.首先,建立... 详细信息

在轨组装是未来超大型空间结构最有发展潜力的构建方式之一,组装过程中空间结构尺寸逐渐增长、动力学特性也随之改变,给结构主动控制任务带来了新的挑战.针对这一问题,提出一种在轨组装空间结构面向主动控制的动力学建模方法.首先,建立不同类别组装模块的基础模型库,以用于后续直接调用;然后,定义模块的邻接关系矩阵以描述在轨组装过程中空间结构的变化,并根据在轨组装任务特点,设计了面向分布式控制的智能组件结构形式;在有限元建模方法的基础上提出"节点自由度加载"方法,利用模块的基础模型库与邻接关系矩阵,分别建立智能组件和空间结构整体的动力学模型,该模型可随组装的进行同步自适应更新;最后,以在轨组装桁架结构为例,给出组装碰撞冲击下动力学建模与分布式主动控制数值仿真.结果表明,在轨组装过程中桁架结构整体的动力学特性有明显的变化,主动控制非常必要;基于提出的建模方法,可高效地建立构型多样的在轨组装空间结构动力学模型;智能组件的动力学模型在组装过程中可进一步根据邻接关系矩阵限定更新范围,适用于在轨组装过程中的分布式主动控制系统设计.

关键词：在轨组装超大型空间结构分布式控制智能组件有限元方法

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空间大型结构体在轨组装单元及对接接口研究

机械工程学报 2022年第1期58卷 52-60页

作者：史创李伟杰郭宏伟陶磊刘荣强邓宗全哈尔滨工业大学机器人国家重点实验室哈尔滨150001 北京空间飞行器总体设计部北京100094

近年来,在轨服务技术日趋成熟,因此在空间技术研究领域在轨组装受到了较高的关注度。研究了一种大折展比高刚度索杆张拉式六棱柱组装单元及三爪式对接接口机构,并对其运动学及动力学特性进行了研究。首先,提出并设计了一种新型的空间结... 详细信息

近年来,在轨服务技术日趋成熟,因此在空间技术研究领域在轨组装受到了较高的关注度。研究了一种大折展比高刚度索杆张拉式六棱柱组装单元及三爪式对接接口机构,并对其运动学及动力学特性进行了研究。首先,提出并设计了一种新型的空间结构组装单元和一种结构为三爪式的对接接口,进行在轨组装时可应用该接口。接着,分析了空间结构组装单元的运动学特性,验证了组装单元具有良好的展开与锁定功能。最终,通过对大型结构体模型进行有限元分析,发现了结构体的基频受到多个参数的影响,通过进一步的分析得到了具体的影响关系和灵敏度,为在轨组装空间大型结构体的设计奠定了基础。

关键词：在轨组装六棱柱单元结构设计对接接口运动学动力学

基于Vicsek分形结构的智能航天器集群在轨组装动力学与控制

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动力学与控制学报 2024年第3期22卷 34-42页

作者：潘星熠陈提南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室南京210016

由于目前运载火箭运输能力的局限性,超大型空间结构往往无法采用折叠收拢发射入轨、在轨展开的方式完成搭建,而在轨组装是实现超大型空间结构的有效途径.本文受Vicsek分形结构启发设计了一种空间超大型结构,并基于智能航天器集群提出了... 详细信息

由于目前运载火箭运输能力的局限性,超大型空间结构往往无法采用折叠收拢发射入轨、在轨展开的方式完成搭建,而在轨组装是实现超大型空间结构的有效途径.本文受Vicsek分形结构启发设计了一种空间超大型结构,并基于智能航天器集群提出了相应的在轨组装控制策略.首先,针对在轨组装过程中航天器的位置和姿态运动描述问题,建立了刚性航天器的位置和姿态动力学方程并导出追踪航天器与目标航天器的相对运动参数.其次,以Vicsek分形结构为基础设计了125个航天器分阶段组装规划,将每个阶段分为预组装和完全组装两个过程.在预组装环节,控制追踪航天器使其和目标航天器达到较为接近的相对距离并且保持相对静止;在完成预组装后,控制器驱动追踪航天器缓慢逼近目标航天器,使得两航天器完全对接.针对预组装环节复合了一个避撞控制器与PD控制器,在缓慢对接环节仅采用了PD控制策略.最后通过数值仿真验证了所提出的控制策略的有效性.

关键词：在轨组装 PD控制位姿控制 Vicsek分形结构

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在轨组装机器人抓取机构设计与控制系统研究

机械传动 2019年第2期43卷 79-84页

作者：朱嘉琦韩哈斯敖其尔于鹏韩康吴清文中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

根据在轨组装空间望远镜关键技术的研究需求,为有效实施在轨组装服务,设计了在轨组装机器人及子镜组装分系统的地面验证方案,并对组装机器人的末端抓取机构进行设计分析。该抓取机构采用插入式抓取、胀紧式锁紧方案。同时,对组装机器人... 详细信息

根据在轨组装空间望远镜关键技术的研究需求,为有效实施在轨组装服务,设计了在轨组装机器人及子镜组装分系统的地面验证方案,并对组装机器人的末端抓取机构进行设计分析。该抓取机构采用插入式抓取、胀紧式锁紧方案。同时,对组装机器人的控制系统方案进行详细阐述;经过分析计算,该设计能够满足在轨组装空间望远镜地面验证阶段的应用需求。

关键词：在轨组装抓取机构闭环控制

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大型航天结构在轨组装阶段作动器布局优化

空间控制技术与应用 2023年第3期49卷 1-9页

作者：邬树楠周威亚叶哲李庆军邓子辰中山大学航空航天学院深圳518107 大连理工大学航空航天学院大连116024 西北工业大学航空学院西安710072

在轨组装阶段的大型航天结构具备“离散渐增”的特点,组装阶段其构型与参数不断改变.与固定构型航天结构不同,如何合理配置作动器以抑制组装过程中的结构振动目前还未见深入研究.针对这一问题,提出一种适用于大型航天结构在轨组装阶段... 详细信息

在轨组装阶段的大型航天结构具备“离散渐增”的特点,组装阶段其构型与参数不断改变.与固定构型航天结构不同,如何合理配置作动器以抑制组装过程中的结构振动目前还未见深入研究.针对这一问题,提出一种适用于大型航天结构在轨组装阶段的作动器分布式优化配置方法.根据结构模块化设计的特点,给出大型航天结构组装阶段作动器分布式优化配置的设计思路.建立面向组装阶段作动器布局优化的桁架结构动力学模型,并给出用于优化配置的目标函数.提出结合天牛须搜索的改进粒子群算法,以解决优化配置问题.最后给出在轨组装阶段作动器布局优化的数值仿真.结果表明通过改进的混合粒子群算法实现了大型航天结构在轨组装阶段的作动器分布式最优配置.

关键词：在轨组装分布式优化混合粒子群算法大型航天结构作动器

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在轨组装技术研究现状与发展趋势

载人航天 2017年第2期23卷 228-235,244页

作者：沈晓凤曾令斌靳永强张庆展上海宇航系统工程研究所上海201109 中国航天科技集团公司八院空间安全与维护总体技术研究中心上海201109

介绍了国内外在轨组装技术的研究现状,指出以模块化可重构航天器、大尺寸天线和光学载荷为典型目标的在轨组装技术已得到了广泛研究,提出模块及接口的通用化、提高组装效率和降低组装成本是在轨组装技术工程化应用的重点。归纳了在轨组... 详细信息

介绍了国内外在轨组装技术的研究现状,指出以模块化可重构航天器、大尺寸天线和光学载荷为典型目标的在轨组装技术已得到了广泛研究,提出模块及接口的通用化、提高组装效率和降低组装成本是在轨组装技术工程化应用的重点。归纳了在轨组装的关键技术,包括结构模块化及单元设计、在轨组装平台设计、在轨组装机器人以及在轨组装综合管理等。针对我国的技术现状,提出了我国开展在轨组装技术研究所需解决的问题和未来发展建议:应重点突破模块单元及连接组件的通用化、组装操作的高精度与高效率等瓶颈问题。

关键词：在轨组装研究现状发展趋势模块化

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在轨组装机动路径规划研究

在轨组装机动路径规划研究

作者：孙楚琦哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

受现有火箭运载能力限制,大型航天器无法一次入轨,在轨组装成为当前航天领域主要的发展方向之一。借助在轨服务航天器,能够实现复杂系统组装、能源补充、故障修复等空间任务,这些任务都迫切需要精确有效的在轨组装技术作为支撑。以往的... 详细信息

受现有火箭运载能力限制,大型航天器无法一次入轨,在轨组装成为当前航天领域主要的发展方向之一。借助在轨服务航天器,能够实现复杂系统组装、能源补充、故障修复等空间任务,这些任务都迫切需要精确有效的在轨组装技术作为支撑。以往的大规模结构的部署,大部分是以对接的方式扩展空间结构,复杂结构的空间构型仅依靠各结构单元自行机动难以构建。现有的空间机械臂等辅助执行机构的发展,可以为在轨组装提供更多选择,在此基础上的最优机动路径规划成为在轨服务的新兴研究热点。本文以在轨组装任务作为研究对象,将在轨组装机动过程分解成轨道机动接近阶段和姿态机动阶段,并在以下几个方面展开研究工作。第一,对在轨组装轨道机动过程的相对运动建模进行介绍。介绍了二体条件下的两种常见相对运动模型,为在轨组装任务的轨道机动过程提供了较为准确和高效的动力学模型。之后,简要介绍了航天器的姿态动力学基础,为后续的姿态机动路径规划研究铺垫理论基础。第二,从动力学角度出发,研究了在轨组装任务航天器相对运动轨迹设计。通过分析C-W方程特性,介绍了四种相对运动轨迹类型,并给出每种类型的轨迹驱动条件。此外,介绍了在轨组装轨道机动接近过程的制导律设计,给出了基于C-W方程和T-H方程解析解的双脉冲机动制导策略,为后续机动路径的优化算法提供动力学模型输入。第三,根据在轨组装任务背景常采用交会对接与辅助机构结合工作的方式完成组装,其机动接近过程必须为装配过程规划安全的接近路径和工作区域,避免组装过程中的碰撞风险。在组装卫星的相对轨道运动模型基础上,建立了组装过程中的动态环境模型,针对在轨组装的位置、时间精度的同时优化改进了传统遗传算法,设计了基于改进遗传算法的在轨组装机动接近路径寻优方法。最后,在机动接近阶段末尾的停泊段,对于辅助操作机构进行工作所需的敏捷姿态机动过程,设计了基于Bang-Bang理论的姿态机动路径规划。通过设计航天器本体单轴角加速度规划函数及角加速度驱动时间策略,提供了组装卫星的快速姿态机动方法,通过仿真算例验证了有效性。论文简化了在轨组装机动任务过程,研究将机动过程涉及的主要姿轨问题分开解决,针对航天器在轨组装相对运动任务规划进行探索尝试,所提出的模型与算法均通过仿真进行验证。

关键词：在轨组装路径规划姿轨机动遗传算法 Bang-Bang原理

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改进遗传算法的在轨组装路径规划

哈尔滨工程大学学报 2017年第7期38卷 1167-1172页

作者：孙楚琦吴限德谢亚恩宋婷孙俊王志鹏哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院黑龙江哈尔滨150001 上海市空间智能控制技术重点实验室上海航天控制技术研究所上海201109 哈尔滨工业大学卫星技术研究所黑龙江哈尔滨150080

大规模航天器以在轨组装的方式进行空间部署时,常采用交会对接与辅助机构结合工作的方式完成组装,因此组装过程必须为装配过程规划安全的接近路径和工作区域,以避免组装过程中的碰撞风险。在组装卫星的相对轨道运动模型基础上,建立了组... 详细信息

大规模航天器以在轨组装的方式进行空间部署时,常采用交会对接与辅助机构结合工作的方式完成组装,因此组装过程必须为装配过程规划安全的接近路径和工作区域,以避免组装过程中的碰撞风险。在组装卫星的相对轨道运动模型基础上,建立了组装过程中的动态环境模型,针对在轨组装的位置、时间精度的同时优化改进了传统遗传算法,设计了基于改进遗传算法的在轨组装路径寻优方法。仿真结果表明,提出的算法寻求的最优路径能够较好地满足在轨组装的有效性、安全性以及高精度的要求,并且算法收敛性和稳定性好。

关键词：在轨服务在轨组装遗传算法路径规划卫星

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空间望远镜在轨组装遥操作技术研究

空间望远镜在轨组装遥操作技术研究

作者：钟少康哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

传统的空间望远镜口径小,聚光能力弱,无法捕获到空间中更暗、更弱的目标,而增大空间望远镜的口径能够极大提高分辨率。受限于火箭的运载能力,致使大型空间望远镜入轨应用成为困难。目前可行的方法是将空间望远镜设计为模块化结构,模块... 详细信息

传统的空间望远镜口径小,聚光能力弱,无法捕获到空间中更暗、更弱的目标,而增大空间望远镜的口径能够极大提高分辨率。受限于火箭的运载能力,致使大型空间望远镜入轨应用成为困难。目前可行的方法是将空间望远镜设计为模块化结构,模块化组件被运送到特定轨道后,借助空间机械臂进行在轨组装和调整,最终获得完整且运行稳定的空间望远镜。由于空间环境较为复杂,空间机械臂以完全自主的方式执行在轨任务存在很多风险和限制,目前主要通过遥操作的控制方式完成在轨任务。本文构建了空间望远镜在轨组装遥操作平台,对在轨组装空间望远镜实现任务规划以及对基于时域无源性的遥操作控制算法进行研究。首先,设计了空间望远镜在轨组装遥操作平台。根据在轨组装任务特点,对在轨组装遥操作系统进行了需求分析。对空间机械臂建立运动学模型,并推导了基于关节变量参数化的逆运动学。搭建了预测仿真场景,实现了对在有时延存在下的动作预测,为操作者提供了视觉临场感。此外,将力反馈手柄接入遥操作系统,通过手柄的输入控制机械臂运动,同时手柄向操作者提供从端的反馈力。其次,对在轨组装空间望远镜实现了任务规划。设计了在轨组装空间望远镜总体方案,结合不同的遥操作模式,对在轨遥操作任务进行分析、分解和规划。在任务级遥操作模式下,使用样条插值方法对空间机械臂进行轨迹规划,经仿真验证后,能够实现预期的运动轨迹;在主从遥操作模式下,设计了遥操作运动映射策略,包含了靠近和远离目标位置时对应的运动映射系数变化策略。最后,采用基于时域无源性的控制算法,改善了双边遥操作系统的稳定性和操作性。对单自由度双边遥操作系统建立动力学模型,基于无源性理论,通过引入无源性观测器和无源性控制器使通讯环节无源,验证了在时延下遥操作系统的稳定性。对基于时域无源性控制框架进行改进,引入了虚拟质量-弹簧的无源系统和基于感知死区的数据压缩算法。引入虚拟质量-弹簧的无源系统后,在时延为1秒时,能够弱化因手柄低速而产生的突变力;引入感知死区算法后,在不引发信号明显失真的情况下,降低了网络通信的包速率。

关键词：在轨组装遥操作任务规划时域无源性