大型空间末端执行器在轨操作运输舱策略

针对空间运输舱具有较大的速度和惯量,在对运输舱的操作过程中存在着冲击和碰撞,严重的时候会影响系统的安全的问题,研制中国大型空间末端执行器,设计大容差柔性钢丝绳捕获机构和基于滚珠丝杠螺旋传动副的拖动机构,并且对其捕获传感器系统进行设计。根据末端执行器机构特点和工作原理,提出基于Loop/Contact控制模型的捕获控制策略,有效地减小了操作对系统的冲击。建立空间微重力环境下末端执行器系统和运输舱系统的动力学模型,推导大型末端执行器在轨操作运输舱的动力学方程。计算机仿真试验证明,捕获过程中捕获力较传统方式降低50%,试验证明捕获力小于700 N,二者验证了末端执行器的实用性和控制策略的可行性,对提高大型空间末端执行器的工作稳定性具有重要意义。     

一种卫星对接环锁紧与释放装置设计与分析

针对以往卫星锁紧与释放装置不具有通用性、结构单一等缺点,设计了一种非合作目标卫星对接环锁紧与释放装置,其结构简单、锁紧力大,能够快速实现对卫星的锁紧与释放,同时减小两卫星接触时的刚性撞击,起到缓冲的作用。介绍了锁紧与释放装置的结构组成及其工作原理,并建立了锁紧与释放装置的三维模型,而后利用ADAMS对其进行了动力学分析,分析结果表明:该对接环锁紧与释放装置能够顺利实现对目标卫星对接环的锁紧与释放,为以后的工程化设计奠定了理论基础。     

基于Simulink实时工具的小卫星姿控物理仿真

针对小卫星姿态控制系统的设计和研制需要,应用高精度单轴气浮台模拟小卫星在轨运行时的微重力、无摩擦的环境,借助Simulink模块库建立了实时控制系统软件模型,利用反作用飞轮、光纤陀螺、数显表、控制计算机等物理设备快速构建了简化的小卫星姿态控制仿真硬件系统,并进行了姿态控制物理仿真实验,实验结果表明,仿真系统具有较高的姿态指向精度和稳定度,能够达到小卫星姿态控制仿真要求。     

基于Simulink实时工具的小卫星姿控物理仿真

针对小卫星姿态控制系统的设计和研制需要,应用高精度单轴气浮台模拟小卫星在轨运行时的微重力、无摩擦的环境,借助Simulink模块库建立了实时控制系统软件模型,利用反作用飞轮、光纤陀螺、数显表、控制计算机等物理设备快速构建了简化的小卫星姿态控制仿真硬件系统,并进行了姿态控制物理仿真实验,实验结果表明,仿真系统具有较高的姿态指向精度和稳定度,能够达到小卫星姿态控制仿真要求.     

一种新型卫星对接环的对接装置设计与分析

针对某种特殊结构的卫星的在轨服务任务下提出的技术要求,介绍了一种基于凸轮曲线机构及连杆机构的对接装置,可以实现对目标星对接环的特殊对接技术要求,且装置结构成熟、锁紧力大、运动平稳。以对接装置的凸轮曲线从动件的数学模型和三维实体模型为基础,通过Matlab和ADAMS软件分别进行运动规律的求解和仿真,将得到的对接装置的理论及仿真运动数据进行对比,验证了该对接装置能完成既定的设计目标。     

面向空间软捕获的双模传动关节设计与仿真

星载抓捕机构在空间目标捕获任务中发挥着重要作用,然而空间捕获时的对接碰撞很容易导致抓捕机构失稳。针对空间捕获软对接问题,设计了一种双模传动软接触关节,既能实现双自由度刚性传动,同时可通过阻尼吸振实现空间六维碰撞的缓冲和卸载。在ADAMS仿真软件中建立单关节星载抓捕机构模型,通过空间单维和六维碰撞下的仿真研究,验证了软接触关节缓冲和卸载空间六维碰撞的原理及其对基座与关节稳定的有效性。进一步建立三关节星载抓捕机构模型,通过空间六维碰撞下的仿真试验,说明了双模传动软接触关节在多关节抓捕机构中应用的有效性。     

柔性空间机械臂捕获卫星碰撞动力学分析、镇定运动神经网络控制及抑振

讨论漂浮基柔性空间机械臂在轨捕获卫星过程的接触、碰撞动力学建模和碰撞后混合体系统镇定运动控制及柔性振动主动抑制问题。在机械臂末端手爪与被捕获卫星接触、碰撞前,结合假设模态法和拉格朗日法建立空间机械臂系统动力学模型。在接触、碰撞持续过程,考虑空间机械臂与卫星间的运动几何关系、力传递关系,并基于动量守恒关系,分析接触、碰撞对空间机械臂系统刚性运动和柔性振动状态的影响效应。在接触、碰撞后,根据空间机械臂与目标卫星的相互作用内力关系,建立两者混合体系统的综合动力学模型,并针对上述接触、碰撞的影响效应,基于奇异摄动理论将混合体系统综合动力学模型分解为快、慢变子系统,其中,快变子系统表征系统柔性振动,慢变子系统表征系统刚性运动,并对慢变子系统设计镇定运动的径向基函数(Radial basis function,RBF)神经网络控制算法,而对快变子系统设计振动主动抑制的线性二次最优控制算法。数值仿真证实上述控制算法的有效性。     

六自由度微重力模拟平台研究

太空环境与地面环境有着很大的不同,根据地面环境下动力学特性设计而成的机械系统在太空零重力环境下作业时会产生"动力过冲"的现象,因此太空机械系统在进入太空工作之前需要进行严格的地面微重力模拟实验以对系统的设计进行验证。针对大型昂贵空间实验目标的地面测试问题,提出了一种基于Stewart机构的混合驱动的六自由度微重力模拟实验平台,基于Kane方法建立了该实验平台的动力学方程,据此设计了面向该平台运动控制的计算力矩控制方法,并利用MATLAB/Simulink与ADAMS进行联合仿真,验证了所提出的控制方法的正确性。     

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。     

空间大型末端执行器漂浮载荷捕获仿真分析

根据空间大型机械臂对漂浮载荷的捕获要求,研制了一套基于腱-鞘传动的大型空间末端执行器原理样机。小质量/小惯量漂浮载荷是在轨捕获的难点,因此,基于欧拉方程建立末端执行器对漂浮载荷的捕获模型,开展小载荷捕获影响因素的研究,从而明确影响漂浮载荷捕获可靠性的关键参数。并通过Hertz接触模型建立了末端执行器的数值仿真模型,完成了末端执行器对漂浮载荷的捕获数值仿真,从而进一步验证了理论分析的正确性,并为大型机械臂在轨捕获的策略制定提供了依据。     

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。     

SPACECRAFT DOCKING SIMULATION USING HARDWARE-IN-THE-LOOP SIMULATOR WITH STEWART PLATFORM

0 INTRODUCTIONOn-orbit integration of two spacecraft will be one of thechallenging tasks in building the space station. Rendezvous anddocking (RVD) is the key operational technology for assembleand resupply of orbital stations, exchange of crews in orbital sta-tions etc. Since the first rendezvous and docking between twospacecraft taken place on March 16, 1966, RVD operations haveregularly been performed by the Russian and US space program-mers[1]. As common to all space applications,…     

可重构星球探测机器人的空间对接研究

提出了以改装后的位置敏感传感器来引导机器人完成自动对接的方法，分析了具体工作原理。对可重构星球探测机器人在运动模式下完成对接的两种姿态进行了比较，分别用一般方法和改进后的规划方法计算出了对接工作空间，比较结果说明，机器人在运动模式下三角边着地有利于完成自动对接。对工作模式机器人在工作空间内的运动进行了静力学分析，分析结果表明，机器人在工作空间内可以自由运动。用VC和OpenGL搭建的平台对空间对接进行了仿真试验，试验结果验证了对接工作空间计算的正确性和完成空间自动对接的可能性。     

Design of an Automatic Autonomous Mini Prone-cone Microsatellite Docking Mechanism

The capability of docking, refueling, repairing, and updating microsatellites using automatic autonomous vehicles will be of significance critical value for design and operation of several space systems in the near feature. Automatic docking capability was successfully tested by many institutions such as National Space Development Agency in Japan, European Space Agency, National Aeronautics and Space Administration in USA, etc. However, there is still much more space for improvement of degree of automation during the process of docking with large deviations of the initial attitude. A novel automatic autonomous probe-cone docking mechanism used for microsatellite docking is proposed. This docking mechanism is designed according to the design indices such as miniaturization, degree of automation and automatic capture capability within large deviation of the initial attitude. On the basis of the virtual work principle, the dynamics modeling of the docking process is presented. The position of the contact point is then analyzed. Comprehensive system level simulation is conducted in the 13 kinds of typical operating conditions with the initial deviations. Capture performance is analyzed. The simulation results show that the docking mechanism can be smoothly captured within 2 s in all cases of large attitude deviation between the active and passive spacecrafts. A virtual prototype model of the docking mechanism is established through ADAMS for further verifying the correctness of the buffer parameter model and the autonomous docking capability. A laboratory platform is designed for on-the-ground experimental validation of the property of mini probe-cone docking mechanism. Repeated docking tests prove the proposed design of the mini probe-cone docking mechanism system for its high reliability, and automatic capture capability within large attitude range. The kinetic model of the docking capture process and the mechanism structure could provide some References for similar mechanism design of in-orbit spacecraft.     

Two-dimensional PSD based automatic docking of self-reconfiguration modular exploration robot system

Based on the design of a docking mechanism, this paper thoroughly investigates the space automatic docking of self-reconfiguration modular exploration robot system （RMERS）. The method that leads robot to achieve space docking by using two-dimensional PSD is put forward innovatively for the median size robot system. At the same time, in order to enlarge the detecting extension and the precision of PSD and reduce its dependence on lighting signal, the PSD was remade by increasing the optical device over its light-sensitive surface. The emission board and LED light scheduling were designed according to docking arithmetic, and the operating principle of docking process was analyzed based on these. The simulation experiments were carried out and their results are presented.     

基于Vis-Mockup的空间对接机构数字化装配系统开发

建立了空间对接机构数字化装配系统的体系结构,在Vis-Mockup平台软件基础上,采用C#和SQL Server 2005数据库完成了系统开发,实现了空间对接机构的模型预处理、装配过程仿真和装配过程示教功能。该系统已在企业得到初步应用,主要用于培训和辅助装配人员进行航天产品的装配。该系统为装配人员提供了数字化的培训工具,改变了过去传统的培训模式,提高了培训的质量和效率。通过对数字化装配操作验证和装配工艺数据的统计计算,为产品设计改进和装配工艺优化提供了定量数据。通过对装配过程的三维仿真、记录装配顺序、路径和操作和三维动画再现,实现了装配知识、经验和操作技巧的保存和再现。     

电液位置伺服系统模型辨识与非线性控制

针对电液伺服系统非线性、参数时变的特点,为提高系统的性能,首先介绍了电液位置伺服控制系统的组成与工作原理,讨论了系统的非线性数学模型,利用实时工作间(RTW)的半实物仿真环境和MATLAB系统辨识工具箱,对电液位置伺服系统进行了系统模型辨识及验证。在此基础上,以辨识得到的模型为控制对象提出了一种Bang-Bang与模糊PID非线性控制方案,与传统PID以及模糊PID控制方法进行了仿真比较。结果表明,采用Bang-Bang与模糊PID复合控制,在系统参数变化、外界扰动的影响下,系统的快速性提高,稳态误差得到消除,具有较好的动态鲁棒性能。     

多脉冲异面交会对接转移轨道的优化

针对三维空间交会对接中的异面非圆轨道转移规划问题,提出了一种基于粒子群算法(PSO)的多脉冲异面交会对接能量最优的转移轨道优化算法。该算法以二体动力学方程及脉冲变轨理论构造空间多脉冲异面交会对接优化模型;通过引入Lambert算法处理终端约束条件,减少未知变量的个数从而简化问题。然后,将追踪飞行器变轨过程中脉冲的作用时刻、方向、大小设计成待优化变量,以交会对接过程中消耗能量、终端约束条件等为目标函数,基于PSO优化了最省燃料转移轨道。在MATLAB中对四脉冲交会对接问题进行了仿真测试,并与相同初始条件下,采用Lambert算法的双脉冲交会对接仿真结果进行了对比。结果显示:在本文所给算例条件下,采用PSO优化的四脉冲交会对接过程所需速度增量为4.4243km/s,而采用Lambert算法的双脉冲对接过程所需速度增量为11.2691km/s,前者节省了60%的能量。数据表明,设计方案有效节省了燃料消耗,从而证明了设计方法的有效性。     

Numerical simulation and experimental research on the wheel brush sampling process of an asteroid sampler

To examine the environmental characteristics of the microgravity force and the weathered layer on an asteroid surface, a symmetric wheel brush asteroid sampler is proposed for the collection of particles on the asteroid surface. To study the influence of the wheel brush rotation speed on the sampling efficiency and the driving torque required for the wheel brush, the contact dynamics model between particles and sampling wheel brushes is established and a simulation and experimental verification of the sampling process are conducted. The parameter calibration of the sampled particles is studied first, and the calibrated particle parameters are used in the numerical simulation of the sampling process. The sampling results and the particle stream curves are obtained for the working conditions of different rotation speeds, and the effects of different parameter settings on the sampling efficiency are analyzed. In addition, a set of rotating symmetrical sampling wheel brush devices is built for the ground test, and the dynamic torque sensor is used to test the torque change of the wheel brush during the sampling process. The relationship between the speed of the wheel brush and the driving torque of the wheel brush motor is determined by comparing the simulation results with the test results. Results indicate that when the rotating speed of the wheel brush is faster, the sampling efficiency is higher, and the driving torque required for the sampling wheel brush is greater. Moreover, a numerical simulation analysis of the sampling process of the wheel brush sampler in a microgravity environment is conducted to determine the optimal speed condition, and the brushing test of the wheel brush sampler in the microgravity environment is verified with the drop tower method. This research proposes the structural optimization design and motor selection of a wheel brush asteroid sampler, which provides important reference value and engineering significance.     

基于RCP开发的PMSM驱动系统实验平台设计

针对永磁同步电动机(PMSM)驱动技术研究中控制单元资源配置繁琐、算法编程复杂、研究开发周期长等问题,设计了基于快速控制原型(RCP)的实验平台。根据PMSM工作与控制原理,搭建了与dSPACE半实物实时仿真系统对接的软硬件模块,包括逆变器、传感器、保护隔离电路等硬件部分和基于Simulink搭建算法仿真模型、在线调试ControlDesk界面等软件部分。实验证明了驱动系统实验平台的有效性,为PMSM动态性能优化、控制策略研究以及电动机伺服系统预先研发提供了良好的开发环境。