基于主动柔顺控制的火箭在轨组装对接系统研究

摘要

作为在轨组装技术的重要核心，空间对接技术的研究水平迅速成为衡量一个国家空间技术水平的重要因素。而在空间对接的接触与缓冲阶段，在外界环境未知或频繁变化的情况下，对接系统可能会出现不稳定状况，接触力较大、鲁棒性较差。本文针对这一问题，对火箭在轨组装对接机构的主动柔顺控制方法进行了深入探索，在理论研究和试验验证上取得了有效的成果。
　　首先，对空间对接机构的构型和运动学进行分析。在完成对接机构的机械结构分析后，对机构的构型进行抽象和分析，并巧妙设定参考坐标系与机构的基本参数。在此基础上，推导出6-UPS并联机构的逆运动学方程，得到了精确的解析解。之后，结合算例，对Newton法、逆Broyden秩1法和神经网络法在求取运动学正解中的应用进行了研究和比较。
　　接着，为减小对接过程中的接触力和力矩，选择阻抗控制方法，对对接机构的主动柔顺控制策略研究进行研究。基于机构运动学、测力预处理方法和阻抗控制器的基本原理，建立了基于位置内环的阻抗控制系统，并对其稳态特性和离散化方法进行研究。之后，完成测力解算方法的研究，成功将拉压力传感器检测到的单维力转化为六维接触力。在此基础上，完成了接触与缓冲阶段的仿真，对该系统在环境突变条件下的基本特性进行分析，并对阻抗控制参数的调整原则进行了总结。
　　然后，为提高阻抗控制系统应对环境突变的能力，对阻抗控制的自适应方法进行研究。分别将模糊控制方法和MRAC控制方法应用于原有阻抗控制系统，成功实现了自适应改进。其中，前者是通过对阻抗控制器目标惯量和目标阻尼的模糊调整实现的，而后者是通过对目标位姿进行二次修正实现的。之后，完成两自适应系统的仿真研究，验证并比较了两方法的自适应效果。
　　最后，对火箭在轨组装对接的地面试验进行研究。对地面试验系统的组成、对接系统的机械结构和控制系统结构进行介绍。在此基础上，设计了箭体主动式和对接机构主动式两种高可行性对接试验方案，并对两方案进行介绍与比较。之后，对两种对接试验的过程进行介绍，并对各项试验指标进行分析，成功验证了两试验方案的可行性和自适应阻抗控制方法的良好应用效果。

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第1章 绪论

1.1课题的研究背景和意义

1.2空间对接的国内外研究概况

1.3主动柔顺控制的国内外研究概况

1.4本文的主要研究内容

第2章 对接机构的构型和运动学分析

2.1引言

2.2对接机构的机械结构与构型分析

2.3对接机构的逆运动学分析

2.4对接机构的正运动学分析

2.5本章小结

第3章 主动柔顺控制策略研究

3.1引言

3.2对接机构的阻抗控制策略

3.3测力解算方法研究

3.4阻抗控制系统的仿真研究

3.5本章小结

第4章 自适应阻抗控制方法研究

4.1引言

4.2模糊自适应阻抗控制方法研究

4.3MRAC自适应阻抗控制方法的研究

4.4两种自适应策略的对比

4.5本章小结

第5章 火箭在轨组装对接的地面试验研究

5.1引言

5.2火箭在轨组装对接的地面试验系统

5.3对接试验方案的设计

5.4对接的地面试验

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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