考虑安全性的遥操作交会共享控制方法研究

摘要

交会技术是进行空间组装、空间往返运输、在轨服务以及深空探测等空间活动的支撑技术。当前，我国载人航天器可采用自动交会与航天员手动交会相互备份的方式执行交会任务；而对于无人航天器的交会，则只能依赖于自动交会技术。因此，需要研究地面遥操作交会技术作为无人航天器自动交会的备份。本研究主要内容包括：
　　⑴提出了基于Smith预估的遥操作交会状态预测算法：建立了时延的计算模型，分析了时延对控制系统稳定性的影响；引入缓冲思想，推导了变时延的缓冲算法；基于Smith预估原理建立了遥操作交会的状态预测模型，结合滤波算法推导了预测状态的实时校正算法。基于遥操作交会仿真系统的实验结果表明：所提出的遥操作交会状态预测算法可有效克服时延影响，提高遥操作交会的控制性能。
　　⑵研究了遥操作交会中人的操作特性：基于遥操作交会的相对运动规律，结合人的信息处理特性，设计了任务过程中人的操作策略；基于遥操作交会中人的操作策略，建立了人的控制模型，模拟交会过程中人的操作行为；基于人在回路及人控模型的仿真实验，研究了人的操作特性。实验结果表明：所设计的操作策略显著提高了遥操作交会的控制效果，可作为遥操作交会中人的基本操作规范；所建立的人控模型有效模拟了人的实际操作活动，基于此模型分析得到的人的操作特性是准确可信的。
　　⑶提出了遥操作交会的安全性动态评估方法：考虑各种安全性影响因素，建立了遥操作交会的安全走廊，并制定了安全性准则；考虑导航偏差和控制偏差，推导了遥操作交会状态预测的偏差传播公式；基于预测偏差散布与安全走廊的相对运动关系，定义了临界安全条件，并建立了遥操作交会的安全性动态评估模型。基于遥操作交会仿真系统的实验结果表明：预测偏差实时评估方法能准确评估真实状态和预测状态之间的偏差，安全性评估模型也能准确预估相对运动轨迹的安全状况。
　　⑷提出了遥操作交会的人机联合共享控制算法：设计了遥操作交会的控制模式，基于安全性评估模型建立了遥操作交会的共享控制结构，基于人工势场理论推导了共享控制中人工势场力的计算公式；建立了推力的转换模型，分析了由于人工势场力过度施加而导致的轨迹停滞现象；提出了基于九点控制原理的可变权重计算方法。基于遥操作交会仿真系统的实验结果表明：人机联合共享控制算法能显著提高遥操作交会的安全性，实现遥操作交会安全、高效的控制。
　　⑸系统研究了遥操作交会的安全控制问题，提出了遥操作交会的状态预测算法，分析了遥操作交会中人的操作特性，建立了遥操作交会轨迹的安全性动态评估模型，研究了人机联合的共享控制方法。所获得的新方法和有用结论对遥操作交会技术研究具有较好的参考价值，可为未来遥操作交会的工程应用提供支持。

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缩略词表

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 遥操作交会研究进展

1.3 遥操作交会主要问题

1.4 论文研究内容

第二章 遥操作交会系统模型

2.1 引言

2.2 交会动力学模型

2.3 遥操作交会系统

2.4 遥操作交会仿真系统

2.5 小结

第三章 基于Smit h预估的遥操作交会状态预测算法

3.1 引言

3.2 时延对控制性能的影响分析

3.3 变时延下的状态预测算法

3.4 仿真实验分析

3.5 小结

第四章 遥操作交会中人的操作特性研究

4.1 引言

4.2 遥操作交会中人的操作策略

4.3 遥操作交会中人的控制模型

4.4 仿真实验分析

4.5 小结

第五章 遥操作交会轨迹安全性动态评估方法

5.1 引言

5.2 遥操作交会安全性描述

5.3 遥操作交会安全性评估

5.4 仿真实验分析

5.5 小结

第六章 遥操作交会人机联合共享控制算法

6.1 引言

6.2 基于人工势场的共享控制模型

6.3 共享控制可变权重计算模型

6.4 仿真实验分析

6.5 小结

第七章 总结与展望

7.1 论文主要研究成果

7.2 进一步的工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果