本文關(guān)鍵詞：基于超二次曲面的柔性航天器避障機(jī)動(dòng)研究

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【摘要】：航天科技的未來發(fā)展迫切需要掌握衛(wèi)星編隊(duì)飛行、在軌服務(wù)以及大型空間結(jié)構(gòu)在軌組裝等先進(jìn)航天技術(shù)。此類任務(wù)涉及多空間物體的接近操作,必須避免因幾何外形干涉所導(dǎo)致的碰撞。目前針對(duì)航天器避障的研究大多基于剛體動(dòng)力學(xué),不考慮柔性變形因素對(duì)避障機(jī)動(dòng)的影響。然而,航天器機(jī)動(dòng)過程可能激發(fā)結(jié)構(gòu)的柔性振動(dòng)。此外,太空環(huán)境中柔性部件的振動(dòng)往往衰減緩慢。結(jié)構(gòu)振動(dòng)不但會(huì)影響耦合系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定,還會(huì)降低后續(xù)工作的精度和效率,甚至直接導(dǎo)致任務(wù)的失敗。本文主要研究帶柔性附件航天器在障礙物環(huán)境中的位置、姿態(tài)機(jī)動(dòng)問題。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:1.將帶柔性附件航天器系統(tǒng)簡(jiǎn)化為中心剛體—柔性梁系統(tǒng)。分別通過假設(shè)模態(tài)法和經(jīng)典卡爾丹角,對(duì)柔性梁橫向振動(dòng)和航天器本體姿態(tài)進(jìn)行描述�；诶窭嗜辗匠探⒘藥嵝粤焊郊教炱魅S動(dòng)力學(xué)模型。2.同時(shí)考慮帶柔性附件航天器和障礙物幾何外形,利用超二次曲面建立了空間物體防碰撞包圍盒模型。根據(jù)包圍盒間距離和防碰撞人工勢(shì)函數(shù)梯度,對(duì)航天器本體施加排斥力和力矩,實(shí)現(xiàn)防碰撞控制。3.假定附件柔性變形不可測(cè),僅以航天器本體狀態(tài)信息為反饋量,設(shè)計(jì)了兩類位置、姿態(tài)機(jī)動(dòng)控制律。一是借鑒通常的剛體衛(wèi)星位姿控制思路,設(shè)計(jì)了位置PD控制以及姿態(tài)四元數(shù)反饋控制律;二是基于對(duì)系統(tǒng)的無源特性分析和能量控制思想,設(shè)計(jì)了廣義坐標(biāo)及其變化率反饋控制律。最終,將位姿控制力/力矩與避障排斥力/力矩相疊加,得到系統(tǒng)位姿機(jī)動(dòng)和避障聯(lián)合控制力。通過數(shù)值仿真算例研究,驗(yàn)證了所述方法的有效性。
【關(guān)鍵詞】：航天器 柔性附件 位置控制 姿態(tài)控制 避障
【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】：2015
【分類號(hào)】：V448.2
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 注釋表10-13
• 第一章 緒論13-20
• 1.1 引言13-14
• 1.2 帶柔性附件航天器的動(dòng)力學(xué)建模14-16
• 1.3 航天器避障控制16-17
• 1.4 撓性航天器控制17-18
• 1.5 本文研究?jī)?nèi)容與結(jié)構(gòu)安排18-20
• 第二章 動(dòng)力學(xué)建模及避障勢(shì)函數(shù)設(shè)計(jì)20-35
• 2.1 帶柔性附件航天器的動(dòng)力學(xué)建模20-24
• 2.1.1 帶柔性附件航天器系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)描述20-21
• 2.1.2 柔性附件的運(yùn)動(dòng)學(xué)描述21-22
• 2.1.3 帶柔性附件航天器系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程22-24
• 2.2 基于超二次曲面的避障勢(shì)函數(shù)設(shè)計(jì)24-33
• 2.2.1 幾何體的超二次曲面描述24
• 2.2.2 超二次曲面函數(shù)24-26
• 2.2.3 長(zhǎng)方體超二次曲面描述26-27
• 2.2.4 圓柱體超二次曲面描述27
• 2.2.5 基于超二次曲面函數(shù)的距離計(jì)算27-32
• 2.2.6 避障勢(shì)函數(shù)設(shè)計(jì)32-33
• 2.3 小結(jié)33-35
• 第三章 帶柔性附件航天器的運(yùn)動(dòng)與避障控制35-41
• 3.1 航天器的運(yùn)動(dòng)控制35-40
• 3.1.1 航天器的位置及四元數(shù)反饋控制35-36
• 3.1.2 無源控制36-40
• 3.2 運(yùn)動(dòng)和避障聯(lián)合控制律40
• 3.3 小結(jié)40-41
• 第四章 算例仿真研究41-61
• 4.1 基于距離的人工勢(shì)場(chǎng)和基于距離及速度的人工勢(shì)場(chǎng)對(duì)比41-44
• 4.2 基于兩種位姿反饋控制算例對(duì)比44-46
• 4.3 參數(shù)設(shè)置對(duì)于避障任務(wù)的影響46-60
• 4.4 小結(jié)60-61
• 第五章 總結(jié)61-62
• 5.1 本文的主要工作與貢獻(xiàn)61
• 5.2 未來工作展望61-62
• 參考文獻(xiàn)62-65
• 致謝65-66
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文66

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