面向可维修航天器的空间机械臂在轨维修动力学与控制

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:qq330525312
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
在轨故障轻则使航天器性能降级,重则导致整星失效,且大部分硬件故障无法通过软件升级、系统重启修复,在轨维修成为必然趋势。由于地面技术的快速发展和航天器寿命的延长,航天器寿命越长,航天器中后期性能与地面技术水平差距就越大。因此,对大中型航天器进行可维修性设计,使其易于接受维修、升级等在轨服务,已成为业界共识。然而,可维修航天器设计方法尚未形成完整理论体系,对其在轨维修面临新的技术挑战。一方面,需要解决可维修航天器设计中维修便利性和代价难以兼顾的难题。另一方面,需要解决在可维修航天器构型和惯量变化、受限空间复杂障碍约束、维修工具自身非线性因素的影响下,实现高精度、高柔顺维修操作的难题。对此,本文开展了面向可维修航天器的空间机械臂在轨维修动力学与控制技术研究。以方便空间机械臂在轨维修和实现代价低廉为出发点,从可维修体系架构、可更换功能模块体系、即插即用接口体系三方面,提出了一种可维修航天器的通用设计方法,设计了一种主结构可变构型的模块化可维修航天器,作为本文空间机械臂在轨维修操作的对象。所设计的可维修航天器以开放式机械体系、分布式异构网络体系与可补加动力体系为核心架构,以两级功能模块和三级接口为可维修载体,支持空间机械臂在轨维修。从维修操作流程、维修操作约束、维修代价三方面,分析了其对空间机械臂的维修操作需求与航天器可维修化发展的经济价值。分析表明,所设计的可维修航天器以较小代价实现了可维修维护能力,降低了对维修操作方的要求。建立了同时考虑关节柔性和末端接触碰撞等内外部因素影响的空间机械臂系统精细动力学模型,可以表征关节柔性对空间机械臂在轨维修操作精度的影响。首先,以D-H参数法描述了7自由度空间机械臂坐标系,推导了其运动学和动力学方程。针对无人在轨维修任务中空间机械臂常用的谐波减速器关节,提出了一种综合考虑非线性刚度、迟滞效应、扭转间隙、不同类型摩擦、谐波传动纯运动学误差、关节阻尼的谐波驱动关节非线性精细动力学模型,利用常微分方程建模了非线性刚度、迟滞效应、扭转间隙之间的耦合作用,给出了周期输入下的代数形式解。随后,将关节非线性因素引入空间机械臂系统动力学模型,并对操作过程进行碰撞检测和碰撞力计算,建立了空间机械臂与目标耦合的在轨维修操作系统动力学模型。动力学仿真表明,关节非线性因素引起机械臂高频振动、导致末端位置误差显著增大,需要在机械臂控制中予以补偿。提出了在受限空间复杂障碍约束与自身性能限制下的空间机械臂轨迹规划与优化方法,满足可维修航天器高精度在轨维修操作轨迹规划的需求。为了兼具高维复杂障碍空间搜索能力和高效计算效率,并确保规划结果平滑,提出了基于人工势场法改进的RRT-connect及RRT*避障轨迹规划方法,给出了可维修航天器模块更换过程空间机械臂的无障碍运动轨迹。考虑到可维修航天器构型变换和两星对接对能源供给与热控保持能力带来的影响,在轨维修时间和能源消耗存在较为严格的限制。基于NSGA-II遗传算法,建立了以时间最优、能耗最优和偏离无障碍轨迹最小为目标,考虑机械臂关节自身物理约束的多目标轨迹优化方法。仿真实验表明,所提方法可使空间机械臂有效规避卫星本体、太阳翼,以及变构型可维修航天器内部的复杂障碍,且关节运动平滑、关节力矩不存在突变;规划轨迹在维修时间、维修能耗和无障碍轨迹偏离程度方面得到了优化。提出一种新型力位混合控制方法,可以克服内外部不确定因素的影响,实现高精度、高柔顺在轨维修操作。首先,将机械臂动力学模型在适从坐标系下进行了重建,提出了冗余机械臂力位混合控制架构和基于零空间法的冗余机械臂力矩优化方法,设计了力位混合控制律,实现了空间机械臂末端位置控制和力控制的解耦。在此基础上,提出了一种基于径向基函数神经网络(RBFNN)补偿的力位混合控制方法,设计了相应的自适应控制律、证明了其稳定性。不同算法的对比仿真和可维修航天器功能模块更换任务仿真表明,所提控制方法能够适应负载质量、惯量等大幅变化的情况,并克服空间机械臂自身非线性因素的影响,实现在轨维修过程的精确控制与柔顺操作。
其他文献
随着现代科技与航天技术的不断发展,对新一代航天的设计提出了越来越高的要求,这包括:增加航天器的在轨寿命,航天器设计新趋势的出现(创建非密封结构、小型航天器、航天器通用平台设计),新型星载设备的配置,航天器硬件系统的复杂性,机载设备灵敏度增加,开发新的轨道和航天器发射方法等。这就对复杂空间环境下工作的航天器提出了越来越高的防护要求,特别是空间辐射环境的防护。热控涂层作为航天器外表面的功能材料是航天器
学位
乙烯-四氟乙烯共聚物(Ethylene-tetrafluoroethylene,ETFE)绝缘电缆具有优越的电气性能、机械性能和耐环境老化等性能,广泛应用于武器装备、航空航天等领域,是现代国防与航天装备完成信号与能源可靠传输不可或缺的关键组件。使用电子束对ETFE绝缘材料进行辐照交联是一种全面提升ETFE绝缘电缆性能的改性方法。如何使用辐照改性技术高效率、高质量制备出满足现代及未来国防与航天装备要
学位
高频地波雷达工作在3-30MHz的短波波段,利用垂直极化的电磁波沿海洋表面进行绕射,从而实现对海洋表面目标与低空飞行目标的探测。其具有探测面积大、超视距、反隐身等优点。因此,高频地波雷达被广泛应用到远程海洋监测、海态遥感以及气象预报等军民两用领域。不同于传统的微波雷达,拥挤的高频频段、动态变化的海面回波、非平稳电离层反射回波等使得高频地波雷达的目标检测背景十分复杂,弱小目标的信杂比低。经典的恒虚警
学位
我国载人航天工程已由空间实验室阶段进入空间站阶段,对空间操控能力的需求呈现实用化、精细化和智能化。由空间机械臂协助或替代航天员开展空间作业、降低航天员舱外作业风险完成重复性工作的需求越来越迫切,各航天大国都加大力度支持空间机械臂在轨服务技术的研究,将其应用于空间飞行器的在轨组装及维护技术中。空间机械臂在轨工作期间误差源多、误差随机性强,针对精度要求高的操作任务,需要研究精细操作控制策略提高系统任务
学位
目前,中国正面临着环境保护和经济增长的双重压力。生态文明建设已成为建设中国特色社会主义事业的重要一环,而水资源不仅是生态环境的关键控制因素,更是战略性资源和国家综合国力的重要构成要素。在绿色战略、双碳旗帜的驱动下,短期来看,必须解决水资源约束前提下的经济稳定增长;长期来看,需实现水资源、社会经济和生态的协调发展。因此,合理制定水资源的优化配置方案,解决水资源供需问题,并对其健康状态进行科学评价,确
学位
Si-B-C-N陶瓷凭借优异的组织结构稳定性和出色的高温性能,成为下一代高温结构和多功能防热陶瓷的重要候选。无机法(机械合金化-压力烧结法)已经成为制备Si-B-C-N耐高温材料和结构件最为有效的方法。目前运用无机法制备第二相增韧Si-B-C-N陶瓷高温性能和高温损伤机理的相关研究还不够系统和全面,对于Si-B-C-N高温力学性能研究很少、抗热震性能研究不系统,抗热震和耐烧蚀机理总结不全面,高温性
学位
分布式电驱动系统因其高传动效率和高机动性已成为下一代电动汽车电驱动系统的热门候选。随着分布式驱动电动汽车的发展,人们对轮毂电机系统的要求也越来越高,除了要满足高转矩密度和高效率等高性能指标,还应具备高可靠性高容错性,以适应未来复杂多变的运行工况和行车故障。现有的容错永磁电机在关注电机容错性能的同时很难兼顾轮毂电机的高转矩密度指标,为此本文提出了一种高容错性模块化永磁轮毂电机,在保证轮毂电机高转矩密
学位
具有类似足式生物那样“从不会走到会走”的稳定节律性运动控制能力一直是四足机器人研究领域关注的热点之一。现代神经生理学研究表明,足式动物具有上述能力主要是由其中枢环路网络中各个神经的突触在外界信息不断评价、引导下发育产生的。因此,如何建立具有类似足式生物神经突触发育机理的中枢环路网络模型成为实现四足机器人从不会走到会走的关键之一。然而,当前对中枢环路网络的建模研究由于忽略了中枢环路自身的发育特性而较
学位
期刊
近年来,随着机器人技术的不断进步,人机协作逐渐成为下一代机器人的本质特征,也是满足工业生产、民生、特殊环境等机器人应用领域新需求的重要途径,具有重大的研究价值与现实意义。协作型机器人的工作环境中经常发生有意或无意的人机物理接触和人机碰撞,因而实现人机安全协作尤为重要。与传统刚性机器人产生过大的接触力相比,现有常规机器人柔顺控制方法可以将接触力控制在一定水平,从而提高了人机协作的安全性。然而,常规机
学位