非合作交会对接的姿态和轨道耦合控制

航天器与非合作目标进行交会对接时,要求控制器能保证二者不发生碰撞.然而,针对航天器非合作交会对接中的避碰问题,还没有成熟的控制策略.本文以服务航天器体坐标系为参考坐标系建立航天器相对姿态轨道耦合运动模型,利用滑模控制设计了一种姿态轨道耦合控制器实现交会对接.通过利用人工势函数理论和基于蔓叶线的虚拟障碍物模型,控制器可以严格地保证服务航天器运行在安全区域内部,避免与目标航天器碰撞.通过李雅普诺夫理论可以证明系统在控制器的作用下是渐近稳定的.数值仿真进一步说明了所提出的控制器的有效性.     

基于虚拟现实的空间人控交会对接仿真实验系统

该文将虚拟现实技术应用于航天领域，采用建模软件MultiGenCreator进行视影建模＋虚拟现实软件Vega驱动的方案，构建了一套空间人控交会对接仿真实验系统，并介绍了其系统设计，系统构成及关键技术。     

国外航天器人控交会对接系统研究及分析

交会对接技术是载人航天必须突破的关键技术，用于航天员定期轮换、货物运输、燃料补给以及为其他应用卫星提供在轨维护等服务支持。美国、前苏联／俄罗斯等国家有着较为丰富的成功经验。本文综述了国外航天器人控交会对接的情况，概括给出了人控交会对接的功能及系统结构，对自动控制系统失效情况下的纯人控交会对接的控制方法进行了分析。最后对我国人控交会对接系统的研究提出了建议。     

交会对接多航天器联合闭环测试模式设计与验证

在载人航天领域,多航天器交会对接技术是研制的关键和难题,闭环测试系统设计的重要性尤为突出,用于交会对接的多航天器联合闭环测试的设计与实施,实现了多航天器间的一体化实时动态同步电测,实现了多航天器及其测试系统的时序同步,以及敏感器及其模拟器和机电系统的动力学模型同步动态联合实时驱动的同步控制,采用了多航天器一体化实时精确控制的自动化测试,以及多航天器间多通道大回路信息流的实时统一管理。解决飞行任务阶段,多航天器交互状态的验证问题,在地面真实呈现交会对接飞行的全过程,达到多船器联合电测的目的。     

日本ETS—7自主交会对接的实验结果

日本宇宙开发事业团（NASDA）在1997年11月28日发射了工程试验卫星-7（ETS-7）。ETS-7的任务目标是在轨验证自主交会对接（RVD）和空间机器人技术。为实现自主RVD,RVD部件技术、RVD制导/导航和控制（GND）技术以及飞行管理技术都是必需的。1998年7月7日,ETS-7经在轨功能检测后成功地进行了首次自主RVD实验（飞行路径1（FP-1））,在这次实验飞行中,验证了对接/接受阶段（0～2m）的自主RVD技术。1998年8月7日进行了第2次RVD实验（飞行路径2（FP-2））。在这次实验中发生了姿态异常。追踪星与目标星相距0～12km时不仅使用了交会激光雷达导航,而且还使用了GPS相对导航,最后,在8月27日追踪星终于和目标星成功会合,在轨验证了最后接近阶段（0～500m)和相对接近阶段（500m～9km)的自主RVD技术。通过这些在轨实验,在轨验证了从相对接近阶段到对接阶段的自主RVD技术都是可行的。     

交会对接背后的巾帼英雄

2011年11月3日,我国＂神舟八号＂飞船与＂天宫一号＂目标飞行器交会对接圆满成功,水平很高,其原因是：上级领导的正确决策,全体参研人员的长期共同努力,特别是＂神舟八号＂飞船副总设计师胡军研究员和主任设计师解永春研究员为代表的团队正确地将理论、     

航天器交会对接的模型预测与反演制导控制

面向空间交会对接和停靠的任务需求,将航天器相对制导控制系统视为离散时间控制系统.利用系统状态转移模型外推预测相对运动状态偏差,在每个控制周期中推力恒定的假设下,根据轨控作用对系统状态的影响规律,采用广义逆方法反演得到交会对接制导控制序列.对时间约束下的基于空间相对运动状态转移预测与反演的相对制导控制律进行设计,讨论该方法在实际应用中的一些特点.预测与反演制导控制中的控制输出直接表示为轨控加速度,更符合工程实际情况.近圆轨道的交会对接仿真结果表明,所提出的方法能够实现精度更高、更为柔顺平滑的交会对接,在轨控速度增量和推力器输出上也具有更好的工程适用性.     

采用反馈路径规划的航天器近程安全交会对接

航天器近距离交会对接过程中需要满足禁飞区,对接走廊等约束,否则会有航天器相碰或者损毁的风险.本文研究了一种基于线性二次型调节器树(linear quadratic regulator trees, LQR-Trees)反馈路径规划的安全交会对接的路径规划与控制方法.首先采用非线性规划算法(nonlinear programming, NLP)计算开环标称轨迹,并应用局部线性反馈控制算法生成闭环控制律使得系统状态保持在标称轨迹附近;然后采用平方和(sums-of-squares, SOS)凸优化方法,沿着标称轨迹附近计算反向可达集;最后采用相对稀疏的多个稳定域生成轨迹库覆盖大范围的状态空间,扩展稳定区域.本文首次提出采用6维的LQR-Trees算法的安全对接轨迹规划与控制方法,并重新设计了控制饱和约束.仿真结果验证了该算法在交会对接安全轨迹规划与控制中的有效性,通过设计5个稳定域实现了满足对接走廊约束的安全交会对接任务.     

支持多种飞船交会对接的数据分级管理方法

针对目标飞行器与不同飞船组合体交会对接时,作为信息管理主控方,需支持不同类型数据可靠传输、遥测模式迅速切换、多种类复杂数据流复接下行的数据管理难题,提出了一种支持多种飞船交会对接的多网络数据分级管理方法。该方法包含组合体网络拓扑设计、对接总线协议复用、遥测管理实现策略和分级网络管理等方面的内容,结合软硬件设计,从系统层面给出了数据管理解决方案,既能够保证空间实验室、载人飞船、货运飞船独立运行的可靠性和安全性,又可兼顾交会对接组合体数据通信和管理的灵活性和可扩展性。该方法已经在空间实验室数管分系统得到了应用,并通过了空间实验室与载人飞船和货运飞船共四次交会对接组合体的长期飞行实验,充分验证了方法的有效性和可靠性。     

基于特征跟踪的空间交会接近目标位姿测量研究

基于模拟航天器交会对接的地面实验系统,提出一种相对位姿测量算法,在保证测量精度的基础上,对特征提取具有稳健性,同时计算效率更高。首先使用自适应阈值方法对特征进行判断和提取,然后采用倒序搜索的算法,对第一帧在全局范围内进行搜索,后续的图像利用Kalman滤波器进行预测估计搜索,极大地提高了搜索效率和抗干扰能力,再由提取到的特征点信息利用P3P等算法进行追踪航天器和目标航天器的相对位姿计算,将此结果传递给控制系统以使控制系统发出相应的指令。实验结果显示,可缩小搜索区间范围至2像素,计算精度为0.001 m和0.001°,同时计算速度提高63.2%。     

Investigating the effects of experience on human performance in an object-tracking task: a case study of manual rendezvous and docking

Human involvement with the manual control of object-tracking tasks, such as manual rendezvous and docking, can enhance the flexibility of the task. The operator is required to make decisions as precisely as possible when a chase vehicle is approaching the target vehicle. As the level of mental workload is intensively increased, the operator's perception and decision-making with tracking error-correcting purposes should be properly identified in multiple degrees of freedom (DOFs). The two experimental studies in this paper were conducted for object-based selective attention in six DOFs and object-pointing manipulation under the zero resistance circumstance, which were correlated with human performance when a chaser approached a target spacecraft; the effects of experience level on the two important factors are presented herein. The experimental results demonstrated that some performance details between the novice and experienced groups were different in terms of the attentional priority of multiple DOFs and lateral/vertical movement for deviation error correction, which could provide a certain reference for a cognitive–behavioural model and assist the operator in obtaining proper or even optimal decision-making or operating instructions to improve their adaptation to selective attention and object-pointing manipulation, for preventing accidental manipulation and performance degradation.     

基于联合建模的中小型航天器对接杆缓冲性能分析

基于中小型航天器对接过程可以考虑在对接杆部分实现缓冲的思想,改变对接杆构型,采用变形能力大的对接杆提高对接冲击的缓冲性能,通过Pro/ENGINEER与MSC Patran和MSC Dytran的配合使用,对普通圆柱直杆、弓形杆和球形杆等3种构型的对接杆进行建模,仿真分析其在正碰和斜碰情形下的缓冲性能,并通过改变碰撞初...     

基于雷达测距的飞行器交会对接误差补偿控制技术

为解决由视线倾角、视线偏角过大造成的飞行器对接存在误差的问题,实现飞行器交会轨迹的精准对接,提出基于雷达测距的飞行器交会对接误差补偿控制技术。建立空间参考坐标系,根据轨道根数计算结果,推导动力学状态方程,实现对飞行器交会对接过程中的动力学作用分析。按照雷达测距原理,计算飞行器的理论飞行时长及雷达装置作用距离,再联合相关参数指标,确定精度极限的取值范围,实现基于雷达测距的对接误差控制。在三坐标测量机结构模型中,定义飞行位姿拟合条件,再根据位姿误差求解结果,实现对误差参数的补偿修正处理,完成基于雷达测距的飞行器交会对接误差补偿控制方法的设计。对比实验结果表明,应用所提方法可以同时将视线倾角、视线偏角的取值控制在0°-45.0°的数值范围之内,能够较好解决飞行器错误对接的问题,符合精准对接飞行器交会轨迹的实际应用需求。     

带参数的多项式势函数与构造基于 Metaball的过渡曲线

目的 针对现有势函数在构造基于Metaball的过渡曲线时所存在的不足,构造了一类带参数的多项式势函数,并研究了该势函数在构造过渡曲线中的应用。方法 首先恰当选取一种带参数的多项式Bézier曲线模型,巧妙地利用该曲线模型在端点处满足的性质构造出带参数的多项式势函数,然后研究了所构造的势函数对过渡曲线的影响,最后给出了基于能量优化法的最佳过渡曲线构造方法,并通过实例验证了其有效性。结果 带参数的势函数不仅能使过渡曲线在端点处达到拟C²连续,而且还可利用所带的参数对过渡曲线的形状进行调整。通过能量优化法确定势函数中参数的最优取值,可获得最为光顺的过渡曲线。结论 所提出的势函数缓解了现有势函数在构造基于Metaball的过渡曲线时的不足。另外,势函数的构造方法还具有普适性,从不同的曲线模型出发可构造出具有不同特性的势函数。     

An obstacle avoidance strategy for complex obstacles based on artificial potential field method

When there are obstacles around the target point, the mobile robot cannot reach the target using the traditional artificial potential field (APF). Besides, the traditional APF is prone to local oscillation in complex terrain such as three-point collinear or semiclosed obstacles. Aiming at solving the defects of traditional APF, a novel improved APF algorithm named back virtual obstacle setting strategy-APF has been proposed in this paper. There are two main advantages of the proposed method. First, by redefining the gravitational function as a logarithmic function, the proposed method can make the mobile robot reach the target point when there are obstacles around the target. Second, the proposed method can avoid falling into local oscillation for both three-point collinear and semiclosed obstacles. Compare with APF and other improved APF, the feasibility of the algorithm is proved through software simulation and practical application.     

基于多轴联动的航天器带动力风洞实验控制系统设计

针对当前航天器带动力风洞实验控制系统受动态性能和稳态精度的影响,导致航天器中心偏离风洞轴心距离控制误差较大,上旋翼所能承受压力与实际值不符的问题,设计基于多轴联动的航天器带动力风洞实验控制系统;采用PROFIBUS现场总线方式,设计控制系统总体结构;使用伺服电机模块,控制启停指令,以西门子S7-300 PLC为主站设计现场控制器,研制一种航天器风洞测试支撑装置,并将迎角机构安装在模块化分层结构中;利用多轴联动控制器,采用RS-232串行通信原理,根据负载惯量选择2 kW伺服驱动器,实现伺服电机紧急停车,完成控制系统硬件设计;计算多轴联动随动控制动态目标位置,使用柔性bang-bang控制,消除系统动态性能和稳态精度的影响,在误差数据支持下,设计实验控制流程,完成控制系统软件设计;实验结果表明,该系统控制航天器中心偏离风洞轴心最大偏离距离为0.32 mm,最小为0.05 mm,与实际值一致,且上旋翼所能承受压力控制误差仅为0.02％,具有精准控制效果.     

基于模糊人工势场法的多智能体编队控制及避障方法

针对动态环境中多智能体编队控制及避障问题,提出了一种基于模糊人工势场法的编队方法。首先,在领航跟随法的框架下控制编队队形,在动态队形变换策略的异构模式下,使用人工势场法为多智能体编队中每个智能体规划避障路径;其次,利用模糊控制器控制跟随智能体追踪领航智能体,同时保持跟随智能体之间与领航智能体的相对距离,遇到未知障碍物时,及时保持多智能体编队之间的队形并避免碰撞障碍物。针对人工势场法在引力增量系数和斥力增量系数设置的局限性,利用模糊控制器选择出适应环境的增量系数。Matlab仿真实验结果表明,该方法能够有效地解决复杂环境下多智能体编队控制及避障问题,使用效率函数对实验数据进行分析,验证了所优化方法的合理性和有效性。     

基于单轴气浮台的空间跟瞄地面试验的设计与实现

为验证通过调整卫星本体姿态而实现精确跟瞄的可行性,设计出基于单轴气浮转台,以反作用轮和精密轮为执行机构,CCD摄像机与DSP图像处理器为光学系统,以PID算法为跟踪控制器算法的跟瞄地面实验系统,提出了跟踪控制方案;并以一个典型工况为例,测试出了跟瞄实验系统的精度;实验结果表明,当摄像机距离目标2.5m,而目标视线以1mrad/s的速度转动时,跟瞄实验系统的跟踪误差小于0.051mrad,从而验证了通过调整卫星本体姿态实现精跟瞄的可行性。