面向微小卫星的类杆锥式软对接三维动力学建模与参数分析

针对面向自主无人在轨服务的微小型航天器上使用的杆锥式对接机构,提出了一种在对接杆末端加缓冲系统的软对接方案。基于Lagrange方法建立了对接系统的三维动力学模型,并运用虚功原理求解广义力矩阵;接触点的确定采用接触搜索算法,提出了截面法,将三维空间搜索问题转化为二维平面求解;根据接触点的相对位置和速度关系,提出了三维空间中求解切向接触力的方法。并且通过有限元方法与理论模型相比较,对理论模型进行了验证。通过对捕获锁的简化设计,制定了对接系统捕获的评判准则,并在不同的缓冲性能下进行动力学仿真分析,探讨缓冲参数变化对微小卫星对接过程的影响,提出了缓冲参数的优选方法,为锥杆式对接机构的缓冲系统设计提供有价值的参考。

在轨替换单元杆锥式三维碰撞动力学行为

为研究在轨替换单元与目标航天器定位导向过程中的接触碰撞动力学行为,以配备有杆锥式定位导向结构的目标航天器与在轨替换单元(ORU)为研究对象,考虑定位导向机构的结构特点与实际定位过程的位姿状况,建立了航天器与ORU定位导向过程的三维碰撞动力学模型(NE-CR-LN三维接触动力学模型),并推导了三维空间中锥杆间碰撞检测方程。该模型应用矢量分析方法,考虑锥杆导向系统的自身特点将其划分出四种不同的接触工况。通过将模型数值结果同LS-DYNA仿真结果及文献模型进行对比分析,验证了NE-CR-LN动力学模型的正确性。针对ORU的定位要求,进行典型定位导向工况下的接触碰撞仿真及试验分析,导向仿真过程和动态分析结果表明,NE-CR-LN三维接触动力学模型可以在一定条件下模拟实际接触碰撞过程。

基于杆-锥式对接机构柔性杆碰撞振动特性探究

对于中小型航天器空间对接,可以考虑采用柔性对接杆来替代缓冲机构实现对接碰撞的缓冲功能。首先利用有限元理论建立杆-锥式空间对接碰撞的简化模型,分别通过频谱分析、模态分析与碰撞力波形分析等方法,探讨了柔性杆在对接过程中的碰撞振动规律。

空间机器人加注机构碰撞力建模与柔顺控制

为削弱在轨加注过程中主被动端碰撞冲击对空间机器人的影响,提出了基于力/位混合的柔顺控制律。首先通过第二类拉格朗日方程建立了漂浮基座空间机器人一般运动学模型和考虑环境接触的动力学模型。其次,设计了"杆-锥式"加注主被动端装置,根据主被动端的接触特点,建立了点面接触的碰撞动力学模型,并给出相应的碰撞力计算方法。接着,将加注对接问题转化为以基座为参考系的末端运动控制问题,得到了机械臂关节期望运动规律,进而设计了位置环控制律;根据加注主被动端的位置关系计算得到碰撞力,进而设计了力/力矩环控制律,结合顺应选择矩阵最终得到力/位混合控制器,以减小杆锥对接时碰撞对空间机器人基座及末端的冲击影响。最后,仿真结果表明,对接方向的位置误差由初始值降至零,对接过程碰撞产生的力不超过10N,满足末端工具冲击承载。各关节角度变化平缓,关节力矩不超过13Nm,满足机械臂关节力矩最小承载,所设计的控制器使得加注主被动端完成柔顺对接。