本文關(guān)鍵詞：航天器自旋人工重力場(chǎng)中航天員行走動(dòng)力學(xué)與控制研究

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【摘要】：隨著人類(lèi)航天技術(shù)的迅速發(fā)展和太空探索的不斷深入,人工重力技術(shù)越來(lái)越受到各國(guó)研究機(jī)構(gòu)的重視。本文針對(duì)航天器自旋人工重力場(chǎng)中航天員行走動(dòng)力學(xué)與控制進(jìn)行了研究。本文首先對(duì)地面上人體的行走過(guò)程進(jìn)行了分析,建立了慣性系下的剛性三連桿人體行走模型,定義了系統(tǒng)的廣義坐標(biāo),計(jì)算了系統(tǒng)模型的動(dòng)能和勢(shì)能,并利用Lagrange方程推導(dǎo)出了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。然后,通過(guò)分析航天員在自旋人工重力航天器中的行走過(guò)程,建立了自旋人工重力航天器的簡(jiǎn)易模型以及航天員在其艙內(nèi)行走時(shí)的三連桿模型,分析了人工重力環(huán)境下重力梯度效應(yīng)和行走時(shí)受到的科氏力對(duì)三連桿模型的影響,利用Lagrange方程建立了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程,并利用MATLAB對(duì)航天員的行走過(guò)程進(jìn)行了仿真分析。在進(jìn)行仿真分析時(shí),選擇了適合作為人體行走模型數(shù)值仿真的控制算法,能夠比較好地接近真實(shí)人體行走中采用的控制策略。通過(guò)數(shù)值仿真分析,得到了三連桿模型的運(yùn)動(dòng)軌跡和受到的科氏力,說(shuō)明了航天員在自旋航天器艙內(nèi)行走時(shí),所受到的科氏力不容忽視。最后,為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文中建立的自旋人工重力航天器中的三連桿人體行走模型的動(dòng)力學(xué)方程的正確性,引入了虛擬樣機(jī)技術(shù)。在ADAMS中建立了自旋人工重力航天器及其內(nèi)部三連桿人體行走模型的虛擬樣機(jī)仿真模型,通過(guò)ADAMS與MATLAB的數(shù)據(jù)接口,構(gòu)建了ADAMS與MATLAB的聯(lián)合仿真平臺(tái),完成了航天器自旋人工重力環(huán)境下的三連桿人體行走模型的數(shù)值仿真分析。通過(guò)與前面的數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)兩者的仿真結(jié)果相吻合,證明了本文所建立的人工重力環(huán)境下三連桿人體行走模型的動(dòng)力學(xué)方程的正確性。
【關(guān)鍵詞】：人工重力 重力梯度 科氏力 航天員 艙內(nèi)行走
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：V527
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 緒論12-25
• 1.1 引言12-13
• 1.2 人工重力的發(fā)展現(xiàn)狀13-22
• 1.2.1 產(chǎn)生人工重力的方法13-14
• 1.2.2 人工重力的發(fā)展歷史14-18
• 1.2.3 旋轉(zhuǎn)人工重力航天器的分類(lèi)18-20
• 1.2.4 航天器自旋人工重力場(chǎng)對(duì)航天員的影響20-22
• 1.3 人體行走模型的建模和控制算法的選擇22-23
• 1.3.1 人體模型理論22
• 1.3.2 動(dòng)力學(xué)建模理論22-23
• 1.3.3 人體行走模型的控制算法的選擇23
• 1.4 本文的研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排23-25
• 第二章 地面慣性系中人體行走模型的建立25-38
• 2.1 引言25
• 2.2 問(wèn)題描述25-27
• 2.3 地面慣性系中的動(dòng)力學(xué)模型27-36
• 2.3.1 Lagrange方程27
• 2.3.2 系統(tǒng)的動(dòng)能和勢(shì)能27-32
• 2.3.3 地面慣性系中系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型32-36
• 2.4 本章小結(jié)36-38
• 第三章 人工重力環(huán)境下人體行走模型的建立38-58
• 3.1 引言38
• 3.2 問(wèn)題描述38-39
• 3.3 重力梯度效應(yīng)的影響39-41
• 3.4 科氏力的影響41-47
• 3.4.1 系統(tǒng)所受的科氏力41-44
• 3.4.2 科氏力對(duì)應(yīng)的廣義力44-47
• 3.5 人工重力環(huán)境下人體行走的動(dòng)力學(xué)模型47-48
• 3.6 數(shù)值仿真分析48-57
• 3.6.1 系統(tǒng)狀態(tài)方程48-50
• 3.6.2 人體模型行走過(guò)程仿真中控制算法的選擇50-52
• 3.6.3 數(shù)值仿真及結(jié)果分析52-57
• 3.7 本章小結(jié)57-58
• 第四章 虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)建模與仿真分析58-67
• 4.1 引言58-59
• 4.2 ADAMS建立系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型59-60
• 4.3 ADAMS與MATLAB的聯(lián)合仿真60-66
• 4.3.1 基于MATLAB的人體行走控制策略描述61-62
• 4.3.2 聯(lián)合仿真結(jié)果62-66
• 4.4 本章小結(jié)66-67
• 第五章 總結(jié)與展望67-69
• 5.1 研究工作總結(jié)67-68
• 5.2 研究工作的不足與展望68-69
• 參考文獻(xiàn)69-72
• 致謝72-73
• 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文73

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本文編號(hào)：576022