本文關(guān)鍵詞：自旋目標(biāo)抓捕的軌跡規(guī)劃及捕獲后復(fù)合體的控制

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【摘要】：近幾十年以來,越來越多的人造衛(wèi)星被送入太空。但是,在這些衛(wèi)星中也有許多故障衛(wèi)星,而且由于故障衛(wèi)星的增多,使太空環(huán)境日益的惡化。因此,對(duì)故障或者失效的衛(wèi)星進(jìn)行維修或清除,一直是各個(gè)國(guó)家的研究熱點(diǎn)。本文針對(duì)非合作自旋目標(biāo)衛(wèi)星的抓捕和在軌修理任務(wù),開展了自旋目標(biāo)衛(wèi)星自主捕獲的軌跡規(guī)劃及捕獲后動(dòng)力學(xué)控制研究。以GEO軌道衛(wèi)星為例,建立了失效后航天器的動(dòng)力學(xué)模型,從理論上分析了其自旋運(yùn)動(dòng)特性,并結(jié)合地面觀測(cè)數(shù)據(jù),得出了我國(guó)“鑫諾二號(hào)”衛(wèi)星在軌運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的估計(jì)值,作為后續(xù)算法研究的初始條件。根據(jù)拉格朗日方程并聯(lián)合系統(tǒng)角動(dòng)量和線動(dòng)量守恒定律,建立了基座自由漂浮下空間機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。分析表明失效后“鑫諾二號(hào)”衛(wèi)星除了具有自旋角速度外,還具有較大章動(dòng)角和章動(dòng)角速度。基于此,提出了以星箭對(duì)接環(huán)為抓捕對(duì)象的目標(biāo)捕獲算法。由于不同質(zhì)量特性分布下航天器的自旋軸不同,分別考慮了自旋軸與對(duì)接環(huán)面垂直(或接近垂直)、平行(或接近平行)兩種情況下的抓捕問題。對(duì)于前者,對(duì)接環(huán)上給定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律簡(jiǎn)單,運(yùn)動(dòng)范圍小,采用分解運(yùn)動(dòng)速度控制與自旋運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償相結(jié)合的方法,較好地解決了自旋目標(biāo)捕獲的問題。而對(duì)于后者,對(duì)接環(huán)上給定點(diǎn)在空間的運(yùn)動(dòng)范圍和運(yùn)動(dòng)速度都很大,故提出了針對(duì)對(duì)接環(huán)“動(dòng)態(tài)最近點(diǎn)”的目標(biāo)捕獲方法,即實(shí)時(shí)估計(jì)“動(dòng)態(tài)最近點(diǎn)”相對(duì)于機(jī)械臂末端的位置和速度,再采用分解運(yùn)動(dòng)速度控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的有效捕獲。目標(biāo)捕獲后,系統(tǒng)的質(zhì)量特性發(fā)生了變化。為實(shí)現(xiàn)高精度穩(wěn)定控制,提出了基于等效單體和等效雙體動(dòng)力學(xué)的質(zhì)量特性辨識(shí)方法。通過鎖緊機(jī)械臂的所有關(guān)節(jié)在某一構(gòu)型(名義構(gòu)型),整個(gè)系統(tǒng)成了等效的單體系統(tǒng),通過簡(jiǎn)單的姿態(tài)、軌道機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng),即辨識(shí)出系統(tǒng)的等效質(zhì)量、慣量和質(zhì)心位置。然后令其中一個(gè)關(guān)節(jié)打開而其他關(guān)節(jié)全部鎖緊,因而整個(gè)系統(tǒng)變成了等效的雙體系統(tǒng),根據(jù)動(dòng)量守恒定理并聯(lián)合已經(jīng)辨識(shí)出的系統(tǒng)質(zhì)量特性,可辨識(shí)出兩個(gè)等效剛體的動(dòng)力學(xué)參數(shù),進(jìn)而得出目標(biāo)衛(wèi)星的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。利用辨識(shí)后的質(zhì)量特性,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了復(fù)合體系統(tǒng)的穩(wěn)定控制,克服了環(huán)境干擾力和干擾力矩的作用,實(shí)現(xiàn)了時(shí)間最優(yōu)控制。
【關(guān)鍵詞】：空間機(jī)器人 自旋目標(biāo)衛(wèi)星 動(dòng)力學(xué)建模 自主捕獲軌跡規(guī)劃 動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí) 復(fù)合體穩(wěn)定控制
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V448.2
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 緒論9-18
• 1.1 課題來源9
• 1.2 課題研究的目的與意義9-11
• 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-17
• 1.3.1 空間機(jī)器人在軌服務(wù)研究現(xiàn)狀11-14
• 1.3.2 目標(biāo)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)特性研究現(xiàn)狀14-15
• 1.3.3 捕獲目標(biāo)星軌跡規(guī)劃的研究現(xiàn)狀15-16
• 1.3.4 空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)研究現(xiàn)狀16-17
• 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容17-18
• 第2章 自旋目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性分析及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模18-30
• 2.1 引言18
• 2.2 自旋目標(biāo)動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)特性分析18-21
• 2.2.1 自旋目標(biāo)姿態(tài)動(dòng)力學(xué)建模18-20
• 2.2.2 自旋目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性分析20-21
• 2.3 空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模21-29
• 2.3.1 自旋目標(biāo)捕獲空間機(jī)器人系統(tǒng)及其建模21-24
• 2.3.2 空間機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程24-28
• 2.3.3 自由漂浮狀態(tài)下空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程28-29
• 2.4 本章小結(jié)29-30
• 第3章 空間機(jī)器人自主捕獲目標(biāo)的軌跡規(guī)劃30-47
• 3.1 引言30
• 3.2 基于自主捕獲對(duì)接環(huán)固定點(diǎn)的軌跡規(guī)劃30-35
• 3.2.1 主要流程30-32
• 3.2.2 空間機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)規(guī)劃32-33
• 3.2.3 空間機(jī)器人各關(guān)節(jié)空間規(guī)劃33-35
• 3.3 基于自主捕獲對(duì)接環(huán)“動(dòng)態(tài)最近點(diǎn)”的軌跡規(guī)劃35-38
• 3.3.1 主要流程35-36
• 3.3.2 空間機(jī)械臂末端及機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)規(guī)劃36-38
• 3.4 仿真模型的建立以及目標(biāo)捕獲仿真38-46
• 3.4.1 對(duì)接環(huán)已知點(diǎn)自主捕獲仿真模型及目標(biāo)捕獲仿真38-43
• 3.4.2 對(duì)接環(huán)“動(dòng)態(tài)最近點(diǎn)”自主捕獲仿真模型及目標(biāo)捕獲仿真43-46
• 3.5 本章小結(jié)46-47
• 第4章 捕獲后復(fù)合體的動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)47-61
• 4.1 引言47
• 4.2 復(fù)合體系統(tǒng)等效單體動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)47-51
• 4.2.1 空間機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程及動(dòng)量方程47-49
• 4.2.2 等效單體辨識(shí)49-51
• 4.3 復(fù)合體系統(tǒng)等效雙體動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)51-54
• 4.4 復(fù)合體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)仿真54-60
• 4.4.1 PSO算法簡(jiǎn)介54-55
• 4.4.2 復(fù)合體系統(tǒng)等效單體動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)仿真55-57
• 4.4.3 復(fù)合體系統(tǒng)等效雙體動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)仿真57-60
• 4.5 本章小結(jié)60-61
• 第5章 復(fù)合體系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)后的穩(wěn)定控制61-72
• 5.1 引言61
• 5.2 復(fù)合體系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型61-62
• 5.3 復(fù)合體時(shí)間最優(yōu)穩(wěn)定控制62-65
• 5.4 復(fù)合體穩(wěn)定控制仿真65-71
• 5.5 本章小結(jié)71-72
• 結(jié)論72-73
• 參考文獻(xiàn)73-77
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文77-79
• 致謝79

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本文編號(hào)：603301