空间机器人抓捕旋转目标体的策略与控制研究

摘要

随着航天技术的飞速发展，近几十年来，各航天大国相继研制并发射了大量航天器，航天器的性能和技术水平不断提高，结构、组成也越来越复杂。在这种背景下，为保证航天器在极端的空间环境中能稳定、持久的在轨运行，在轨服务技术体现出巨大的价值。由于航天员在舱外活动过程中存在着生理限制和众多不确定性因素，在轨服务渐向无人自主的方向发展。作为无人自主在轨服务的前提，空间机器人需具备抓捕非合作目标的能力。本论文基于空间机器人在轨服务的任务背景，开展对失稳自旋非合作目标的抓捕消旋与航天器组合体姿态控制研究。本文系首次提出对高速自旋目标进行抓捕消旋的思路，并进行了初步设计与分析，该研究为解决抓捕自旋非合作航天器问题提供了一种新思路，为后续研究提供借鉴，具有工程参考意义。主要内容如下：
　　一、本文针对失控自旋目标，提出了一种摩擦消旋的方案，采用机械臂上的可控摩擦力进行目标体的消旋，并针对此方案从概念上设计了一种带消旋机构的机械臂。从可靠性和简便性方面考虑，该机械臂在已有机械臂的基础上进行改进，将能够对目标星实施有效抓捕的抓捕机构和消旋机构整合到技术成熟的机械臂上，构成具备抓捕和消旋能力的空间机械臂。
　　二、研究椭圆轨道上的航天器的姿态运动耦合与姿态稳定性问题。首先建立带偏置动量轮航天器的姿态动力学与运动学模型；在此基础上，考虑在椭圆轨道的运动条件，简化姿态运动方程，并进行线性化与无量纲化。其次，考虑不同偏置动量轮转速进行运动仿真，分析该因素对运动稳定性的影响。进一步针对椭圆周期轨道上引力梯度持续变化的情况，使用航天器引力梯度力矩的分段级数逼近法，推导出航天器姿态运动的近似级数解，从而形成一种研究椭圆周期轨道航天器姿态稳定性的半分析方法。最后开展仿真分析，数值计算结果与级数解的一致性验证了该分析方法的正确性。通过这种半分析方法，可以给出航天器姿态稳定性的机理解释，可以在一定条件下预测航天器的姿态运动，并为姿态控制提供支持。
　　三、针对在轨服务中空间机器人抓捕自旋目标体的任务背景，研究了抓捕后组合体的控制策略。首先，根据在机械臂上安装摩擦消旋机构的概念设计，建立消旋时的动力学模型；然后，给出空间机器人与目标体的姿态动力学模型，并针对空间机器人抓捕成功后所形成的组合体系统，研究消旋与姿控的协调控制策略。分别利用相平面方法和滑模变结构方法设计控制算法。最后，开展仿真分析，结果显示可以在实现消旋的同时保持航天器姿态稳定，验证了所提控制方法的有效性。
　　总之，本文以概念设计、理论分析与仿真计算相结合的方式，对空间机器人抓捕自旋目标并进行消旋的概念，以及所构成组合体的姿态稳定性与控制策略进行了有益的研究和探讨，提出了一些概念和方法，形成了一种对失控自旋航天器进行消旋抓捕的新思路，可为在轨服务的理论研究与工程技术提供参考。

目录

声明

第一章绪论

1.1 论文研究背景及意义

1.2 在轨服务的发展概况

1.3 相关技术研究进展

1.4 论文研究内容与组织结构

第二章在轨旋转目标体的运动特性与摩擦消旋抓捕概念

2.1失控航天器运动特性分析

2.2 基于摩擦消旋的捕获原理与分析

2.3 基于摩擦消旋的机械臂概念设计

2.4 本章小结

第三章在轨运行的动力学基础

3.1 研究对象及坐标系定义

3.2 欧拉角定义

3.3 空间干扰力矩

3.4 航天器运动方程

3.5 本章小结

第四章航天器的姿轨耦合与稳定性分析

4.1航天器姿态运动建模与仿真分析

4.2航天器姿态稳定性的理论分析

4.3 本章小结

第五章空间机器人抓捕目标体的姿态控制策略研究

5.1 空间机器人抓捕目标体的动力学分析

5.2 基于推力器喷管的组合体姿态控制策略与方法

5.3基于相平面方法的控制律设计及仿真分析

5.4 基于滑模控制方法的控制律设计及仿真分析

5.5 本章小结

结 束 语

1.论文工作总结

2.下一步研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果