空间对接机构捕获锁优化设计

空间对接机构是实现航天器空间交会对接的关键系统。捕获锁作为对接机构的关键组成部件,具有实现两航天器间捕捉和释放的功能。其中的锁舌弹簧机构是典型的多体系统动力学机构,具有一定的设计难度。针对该问题,分析了锁舌运动规律,简化由分析力学建立的非线性微分方程组,建立了满足工程精度需求的数学模型;接着采用惩罚函数法和随机顺序配对机制改进标准遗传算法,并编制程序完成参数求解;随后应用ADAMS软件进行动力学仿真。捕获锁试验结果表明,捕获力显著减小,性能获得提高。所研制的捕获锁圆满通过了国内载人航天交会对接飞行试验,证明该产品优化设计工作获得了成功。     

航天器三指式对接机构运动学分析及尺寸优化

航天器对接机构是完成空间在轨对接任务的核心机构。为避免在对接过程中发生对接任务失败或对接机构与航天器外部结构发生干涉碰撞等问题,在设计过程中需对对接机构的结构尺寸进行设计优化。文中针对对接任务的初始位置偏差的容差性能提炼了机构尺寸优化的约束条件,根据约束条件确定了优化变量,依据结构紧凑性要求建立了优化目标函数,得到了对接机构尺寸优化数学模型,求得对接机构最优尺寸,可为三指式对接机构的设计和对接初始条件的确定提供参考。     

空间对接半物理仿真原型试验系统

为研制用于对接机构地面测试的空间对接半物理仿真系统,建立能够体现其主要功能的原型试验系统。试验系统通过六维力传感器检测对接机构模拟元件的相互作用力和力矩,根据所建立的航天器动力学模型实时解算对接过程中两航天器的相对运动,并由6自由度运动平台模拟被动航天器来实现此相对运动。针对此原型试验系统,提出系统的动力学解算方案并据此构建动力学仿真大回路,着重对大回路仿真系统的稳定性进行分析,得到稳定性条件,讨论运动平台滞后对仿真的影响和解决方法。在此基础上,用所研究系统成功地模拟了航天器对接的全过程,从而为实际空间对接半物理仿真系统提供了必要的设计依据。     

基于粒子群优化算法的航天器惯性参数辨识

在地面上精确测量航天器的惯性参数是困难的,并且由于燃料的消耗、航天器的交会对接、载荷及姿态的变化等因素将会使航天器的惯性参数在轨发生变化。因而航天器的控制系统、状态估计系统将会受到航天器惯性参数变化的影响。在轨辨识出航天器的惯性参数,可以为更加优化、实时的控制航天器服务。文中提出了一种基于粒子群优化算法的航天器惯性参数辨识算法。建立了引入带有模型误差以及由于航天器惯性参数变化引起的误差的航天器姿态运动学与动力学模型,基于模型误差最小准则建立目标函数,利用改进的粒子群优化算法对模型误差进行实时估计,从而实现对航天器惯性参数的辨识,并将其应用到航天器的姿态控制中,并通过仿真实验证明了该算法的有效性以及实用性。     

空间对接超大型地面运动模拟器系统的基础问题研究

<正>突破空间对接技术是921载人航天工程二期的主要目的,对接机构的研制是实现航天器空间对接的关键。对接机构综合试验台是研制对接机构及其复杂动态对接过程的重大关键试验装备,空间对接超大型地面运动模拟器系统是其最重要的核心。国际上,只有美国和俄罗斯拥有地面模拟真实空间环境下对接动态过程的运动模拟器系统。目前,美国对接模拟系统已不能正常工作,俄罗斯对接模拟系统仍在正常运行,已为"礼炮号"、"和平号"空间站对接机构进行了大量的试验。但依赖     

大容差空间合作目标捕获对接装置设计的研究

空间合作目标的捕获与对接技术是航天领域特别是空间在轨服务任务中一项关键技术,在役航天器的维修、补给,失效航天器的回收及离轨报废都与此紧密相关。介绍了一种基于空间连杆-柔性索捕获机构,与锥套-导引销对接定位形式的空间合作目标捕获对接装置的设计方案,可以实现大容差、较柔顺、高刚度、高可靠与6DOF精确定位的捕获对接动作,并建立任务星与目标星的电气连接与流体传输通道。通过对该装置的设计变量进行几何分析,为各参数的合理化设计提出思路,以达到更优秀的性能参数。     

卫星对接捕获的地面微重力验证系统

以航天器（卫星等）在轨服务的对接捕获操作为研究背景，介绍了两卫星对接捕获系统及其对接捕获的接触动力学特性。基于硬件在环仿真原理,采用两地面工业机器人建立了两卫星对接捕获操作的地面微重力验证系统，模拟了在太空微重力环境下两卫星对接捕获操作过程中的接触碰撞的情况。利用该地面微重力验证系统，通过专门针对卫星火箭发动机喷嘴的接捕获机构实现了两卫星对接捕获操作。实验结果验证了在空间微重力环境下，基于硬件在环仿真原理建立的地面验证系统对卫星对接捕获验证实验的有效性。     

航天器对接、收集和舱门开关机构设计

航天器对接、航天垃圾收集和舱门开关是航天任务中重要的环节。本文首先设计了一套航天器对接和锁定机构,接下来结合展收机构设计了大型的垃圾收集机构,最后针对开关舱门设计了一套具有自锁功能的开关机构。设计的机构使得航天器对接自动快捷、太空垃圾收集数量多、舱门开关简单。     

基于TwinCAT的舱段数字化柔性自动对接平台控制系统设计

针对国内航天器舱段对接主要采用"手工装配"模式难以满足日益增长的产量需求的现状,提出了一种新型航天器舱段对接模式,基于Twin CAT研究设计了舱段数字化柔性自动对接平台的控制系统,控制系统关联融合了多自由度调姿、数字化测量、柔性装配等先进技术。介绍了平台机构与测量系统,解析了控制系统架构,设计了对接控制流程,应用Twin CAT的电子凸轮等运动控制模块、ST语言和顺序功能图等实现了对舱段对接过程的编程并且通过EtherCAT总线实时控制电动机和平台,基于力控组态软件设计上位机界面。最后通过实验验证了控制系统的可行性,减少了人工劳动力,有效提高了航天器舱段对接的效率,足以满足未来航天器型号任务的需求。     

侧向升降式停车装置对接机构的研究与设计

侧向升降式绿化带停车装置可以实现Z字型运动,运动不与下部空间干涉,其关键在于对接机构的设计。创新性设计一种利用活动插销、滑动机构的对接机构,实现装置载车板竖直升降与水平移动两种运动方式的转换,并完成对接机构的强度分析。     

空间对接缓冲试验台对接环重力平衡技术

在空间对接机构地面缓冲实验平台上,为了模拟空间失重状态,研制了一种高精度、高响应速度的主动对接环重力平衡装置.介绍了对接环重力平衡装置的机构原理.对对接过程随动装置的随动性对系统的干扰进行了详细分析.进行了重力平衡器相关实验,从实验数据和理论分析可以得出:所设计的重力平衡装置完全满足对摩擦阻力和惯性阻力设计指标的要求,重力平衡达到1.1%的精度.     

航天器对接与捕获技术综述

航天器对接与捕获技术（Docking&capture technology,DCT）是实现航天器之间在轨连接、控制与分离,建立组合体间人员或资源交互的技术。对航天器对接与捕获技术的研究背景、发展历程、发展趋势、应用前景、技术内涵等内容进行了综述,首先从运载局限性催生对接技术发展、在轨服务需求爆发促进对接技术发展、空间碎片清理任务推动捕获技术发展等角度阐述了航天器对接与捕获技术的研究背景。从时间维度总结了该技术发展的三个历程,从技术途径角度概括了该技术的五个发展趋势。从在轨延寿、在轨手术、地外基建、轨道修正四个方面梳理了该技术的应用前景,提炼了该研究领域的八项关键技术。最后,给出了我国在该领域开展研究的方向和建议,为航天器在轨对接与捕获技术的未来研究提供参考。     

基于立体视觉的空间非合作航天器相对位姿自主测量

本文提出一种基于立体视觉的空间非合作航天器相对位姿自主测量方法,用以解决在轨捕获中非合作航天器的相对位姿测量问题。该方法以航天器本体和星箭对接环作为识别特征,识别过程无需人员参与;同时,提出一种基于空间几何约束的特征匹配方法,运用空间几何约束引导匹配,在完成匹配的同时可直接获取特征的三维信息,实现特征匹配与重构的一体化;最后,利用空间向量对非合作航天器的相对位姿参数进行解算,充分利用冗余信息,以提高解算精度。实验结果表明,在航天器本体尺寸为280mm、相对距离为2m的条件下,本文方法的姿态测量误差小于1.5°,位置测量误差小于4mm,能够满足空间非合作航天器在轨捕获的相对位姿测量要求。     

自重构机器人锁紧机构设计及自主对接研究

自主对接是实现机器人自重构的关键技术。基于新型自重构模块化机器人M2SBot的结构,设计了独特的正弦加速度槽凸轮式对接锁紧机构,可实现可靠连接。同时提出一种新的三维空间对接算法,将基于罗德里格矩阵的公共点法与爬山搜索算法相结合,扩大了两个待接面间空间偏移角的搜索范围。该算法利用红外线传感器计算两模块间的相对位姿偏差,通过逐步调整各个偏移量实现对接。最后分析了整个过程的对接策略。仿真结果表明,该锁紧机构和对接算法可以有效地实现模块间的对接。     

舱段水平对接系统的误差分析

作为航天器总装过程中的关键程序,舱段对接属于高精度装配。为了分析基于并联机构的舱段对接技术是否满足高精度需求,首先利用D-H法建立了并联机构定位误差与末端输出误差之间的传递模型。然后,结合实际工程模型进行仿真分析,得到并联机构定位误差对末端输出的影响规律。最后根据分析结果,提出了改善并联机构定位误差的补偿方案,从而确保基于并联机构的水平对接技术满足航天器舱段的未来发展需求。     

航天器变轨和对接问题浅议

学生对航天器的变轨及对接存在较大兴趣。航天器的变轨和对接涉及到物理知识中的圆周运动、供求平衡关系等。本文通过实际举例,阐述航天器的变轨及对接问题。     

锥杆式对接机构对接过程动态特性有限元分析

综合考虑对接速度和对接角度在航天器对接过程中对锥杆式对接机构动态特性的影响,采用ANSYS/LS-DYNA软件建立了锥杆式对接机构多体接触有限元模型。基于显式动力学有限元算法,采用全积分单元进行沙漏控制,通过调整单元密度和采用混合时间积分算法提高计算速度,对锥杆式对接机构进行动态特性分析,得出了对接机构在对接过程中的动态响应及结构体的应力波动。分析结果表明:对接机构的动态特性参数会随对接速度及对接角度的增加呈现递增趋势;锥杆式对接机构的锥孔尺寸会引起对接过程中机构动态特性发生显著变化。     

面向筒类舱段自动装配的两点定位调姿方法

为解决航天器数字化对接装配中的调姿问题,提出了两点定位调姿法：通过改变对接舱段上2个关键点的位置来实现舱段空间位姿的调整,采用五次多项式轨迹对舱段进行调姿轨迹规划并约束舱段的运动参数,确定舱段合理的调姿时间,保证舱段平稳快速地完成对接任务。该方法简化了调姿算法,采用串联机构即可满足调姿算法要求,避免了多轴协调控制,降低了控制难度。利用ADAMS对所提出的方法进行仿真验证,通过两点定位调姿法调整对接舱段可使其到达目标位姿,位移、速度、加速度轨迹光滑连续,同时满足各边界约束条件,调整后舱段姿态与目标坐标值最大偏差为-0.08 mm,调整过程中最大加速度为10 mm/s2。仿真结果表明,两点定位调姿法可满足筒类舱段数字化装配调姿的精确性、稳定性和高效性要求,有助于实现筒类舱段调姿过程的自动控制。     

球面4R引纬机构运动及载荷特性研究

针对剑杆织机引纬机构空间球面特殊的运动特征和载荷变化等问题,分别将空间机构运动的几何等同性和动静法的方法应用到该机构的运动函数和轴承载荷的推导中。对该球面机构中做空间运动的构件开展了输出运动特性和惯性载荷特性的分析,建立了输出转角、动能以及惯性力矩与输入转角之间的直接表达关系,通过将已建立的三维模型导入Adams软件,利用其中的机构分析功能对引纬机构进行了动态仿真,对比了由理论计算与仿真得到的曲线。研究结果表明,球面4R机构中的两个结构参数影响其空间构型及空间连杆的运动空间,是箱体设计的依据要素;空间连杆的载荷可以通过公式计算。     

空间机器人在轨双臂辅助航天器对接力/位置嵌套双层滑模阻抗控制

为了实现空间机器人捕获航天器及辅助对接操作的柔顺化，对航天器对接装置的输出力与位姿的精确控制进行了研究，且在关节电机与机械臂之间添加了弹簧阻尼缓冲装置，以防止接触、碰撞时产生的巨大冲击力造成关节破坏。首先，结合Newton第三定律、捕获点的速度约束及闭链系统的几何约束，获得了捕获航天器后的混合体系统动力学方程，通过动量守恒关系计算了碰撞冲击效应与冲击力。接着，通过航天器对接装置相对载体坐标系的运动学关系，建立了对接操作过程中的阻抗模型。然后，设计了一种鲁棒自适应双层滑模控制策略，其与阻抗控制相结合，采用力加载随动控制系统实现对接装置的位姿与输出力的精确控制，以降低接触、碰撞时的冲击力。该控制策略具有双层滑模结构，其第一层保证混合体系统在有限时间内收敛，第二层用于解决控制的高增益问题。最后，通过Lyapunov定理证明了系统的稳定性；利用数值仿真验证了所提控制策略的有效性。仿真结果表明，在给定的速度下缓冲装置最大可将碰撞冲击力矩降低46.78%，输出力的控制精度优于0.5 N，位置、姿态的控制精度优于10-3 m,0.5°。