基于空间机械臂的航天器系统惯性参数辨识

摘要

随着航天事业的发展，航天探索任务变得更加复杂化与多样化。在航天领域中，带有空间机械臂的航天器系统在执行空间任务时，往往要求航天器的轨道、姿态可控。然而，由于各种原因的存在，比如燃料的大量消耗、内置载荷的释放以及目标星的捕获等，都有可能导致航天器的惯性参数发生改变，从而致使航天器系统已有控制律失去效用。因此，研究航天器的惯性参数在轨辨识方法，对航天器的姿态控制，具有非常重要的意义。
　　本文首先介绍了国内外关于航天器惯性参数辨识所面临的问题以及已取得的成果。针对已有的辨识方法，系统的分析了各方法的优劣，得出基于空间机械臂的方法辨识航天器惯性参数的可行性与优势。以带有空间机械臂的航天器系统作为研究模型，对其进行了运动学分析，并基于拉格朗日方法进行了动力学建模。基于动量、动量距守恒原理推导得出了初始动量已知、未知情况下的航天器惯性参数辨识方法。该方法充分利用空间机械臂的大幅度变构运动促使航天器惯性进行重新分布，从而导致航天器速度发生变化。通过测量这些变化，基于动量守恒原理，构建出了线性回归模型，接着，利用递推最小二乘法对航天器各惯性参数进行了分步辨识。通过对辨识方法的仿真验证实验，验证算法有效，然而同时得出该方法对扰动和机械臂轨迹比较敏感的结论。针对参数辨识性问题，作者根据矩阵分析理论，提出了利用最优激励下的空间机械臂轨迹运动对航天器惯性参数进行辨识的方法。通过利用基本参数集的方法对动力学模型进行转化，得到统一的线性回归模型，并将回归矩阵的条件数最小化作为空间机械臂轨迹的优化指标。在关节激励设定上，采用傅立叶级数对激励进行了参数化，然后结合轨迹约束问题，设定了初始轨迹作为目标函数初始值，随后利用模式搜索算法对目标函数进行优化，获得空间机械臂的最优激励运动轨迹。最后同样对辨识方法进行了仿真实验，对比前后两种轨迹下的辨识结果，得出后者更优。最后对全文中所涉及到的理论、方法、研究进行了系统性的总结，并且确定了未来的研究方向。

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第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外航天器惯性参数辨识方法的研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 带有空间机械臂的航天器系统建模方法

2.1 带有空间机械臂的航天器系统一般模型

2.2 空间机械臂的运动学建模方程

2.3 空间机械臂的动力学建模方程

2.4 具体实例

2.5 本章小结

第3章 带有空间机械臂的航天器系统惯性参数辨识

3.1 航天器系统模型定义与结构分析

3.2 惯性参数辨识方法

3.3 空间机械臂的惯性参数与动量

3.4 递推最小二乘参数辨识

3.5 仿真研究

3.6 本章小结

第4章 最优激励下的航天器惯性参数在轨辨识

4.1确立目标函数

4.2 激励信号参数化与边界约束

4.3 激励轨迹的参数优化设计

4.4 空间机械臂最优激励轨迹规划

4.5 仿真研究

4.6 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

硕士学位期间发表学术论文及所取得研究成果