Attitude tracking control of flexible spacecraft with large amplitude slosh

This paper is focused on attitude tracking control of a spacecraft that is equipped with flexible appendage and partially filled liquid propellant tank. The large amplitude liquid slosh is included by using a moving pulsating ball model that is further improved to estimate the settling location of liquid in microgravity or a zero-g environment. The flexible appendage is modelled as a three-dimensional Bernoulli–Euler beam, and the assumed modal method is employed.A hybrid controller that combines sliding mode control with an adaptive algorithm is designed for spacecraft to perform attitude tracking. The proposed controller has proved to be asymptotically stable. A nonlinear model for the overall coupled system including spacecraft attitude dynamics,liquid slosh, structural vibration and control action is established. Numerical simulation results are presented to show the dynamic behaviors of the coupled system and to verify the effectiveness of the control approach when the spacecraft undergoes the disturbance produced by large amplitude slosh and appendage vibration. Lastly, the designed adaptive algorithm is found to be effective to improve the precision of attitude tracking.

超大型航天结构动力学与控制的保辛方法

超大型航天器是空间资源探索和利用的重要空间基础设施,也是实现航天强国目标的重大战略性航天装备。由于这类结构的质量和尺寸巨大,将带来在轨运行中的姿-轨-结构耦合和在轨姿态控制问题。同时,结构的超大尺度、构型变化与空间环境相互作用将产生极复杂的结构振动和大型结构特有的波动现象。这些为其动力学建模与数值求解、在轨精确姿态控制、低频结构振动抑制和振动波动耦合的特性调控等提出了新的挑战。本文介绍了本团队近十年基于保辛方法针对上述问题取得的研究进展,包括超大型航天结构在轨耦合动力学与姿态控制、超大型航天结构波动力学行为与控制、可展开结构设计以及变刚度主动控制方法等。

大型航天器结构热稳定性试验系统设计与实现

结构形面热稳定性是航天器结构设计的重要指标之一,对航天器在轨真空低温环境下功能与性能的实现具有重要作用,为确保航天器结构热稳性设计的正确性,需在地面开展空间环境热稳定性测试试验;针对大尺寸结构高精度、高频率热变形测量需求开展研究,采用光学摄影原位变形测量技术,设计了多相机融合测量系统架构及测量方法,有效保证了大型结构最优变形测量场的构建,并通过系统机电、图像采集装置的智能化同步控制设计,实现了图像数据的空间位置属性的自动匹配;通过试验验证,结果表明该系统可满足真空低温环境下尺寸不小于4 m的瞬态、高精度结构变形测量,最小测量周期可达90 s,单向测量精度优于28μm,测试过程运行稳定可靠。

面向桁架攀爬的三分支机器人步态规划方法

为解决载荷大范围在轨平稳搬运问题,设计三分支机器人面向桁架攀爬的步态规划方法,使其能够平稳搬运载荷运动到部署位置完成大型航天器组装任务。以21自由度三分支机器人为研究对象,结合桁架结构划分多种攀爬步态单元;针对每种步态单元规划了单元周期内2条攀爬分支的交替夹持顺序以及末端的夹持位姿;针对大范围桁架搬运任务,基于可夹持区域构建表征桁架表面任意两杆间可过渡性的邻接矩阵,并利用Floyd算法生成距离矩阵与路径矩阵,规划出任意两杆间的最短攀爬路径,并将路径中的桁架杆件节点序列映射为机器人可执行的步态单元序列;基于三次B样条曲线对每种步态单元周期内2条攀爬分支的末端轨迹进行规划,实现攀爬分支末端在两夹持点间的攀爬过渡。仿真实验表明:所设计的步态规划方法能够使机器人实现在不同位置关系的桁架杆件之间的过渡,从而具备到达桁架表面任意位置的能力。

应用大语言模型的航天器故障定位改进方法

当前,通过构建故障树进行故障定位的实时性较差、难以适应紧急故障,且构建和分析故障树需要的专业知识难以固化、历史发生的故障案例并未被有效利用。针对上述问题,文章提出了一种基于故障树分析的应用大语言模型的故障定位改进方法。首先,基于历史上发生的故障案例或预先分析的故障知识构建故障知识库,实现故障相关专业知识的固化,包括通过故障树分析得到的故障原因及对应的故障现象;然后,利用大语言模型的检索、深度理解、语言归纳能力,结合故障知识库根据实际的故障现象分析出可能的故障原因,从而准确快速地实现故障定位。根据上述原理搭建了故障定位系统,并进行了试验验证,其故障定位的准确率达到85%,验证了所提方法的可行性。

基于非线性色散方程组的全柔性航天器的动力学分析

空间太阳能电站等大型结构由于采用轻质材料且结构尺寸大,呈全柔性状态,即不存在刚性构架,使得传统的中心刚体附加截断模态的方法在处理动力学问题时会出现显著的误差.从连续空间的角度对空间太阳能电站的动力学性质进行分析,以确定不同条件下起主导作用的动力学行为,为控制系统设计提供足够准确的模型简化原则.将空间太阳能电站看作平面内运动的自由边界非线性梁,根据Hamilton原理得到描述局部弹性运动与全局刚性运动的动力学模型.分析小变形情形下动力学方程在给定初始条件下的稳态解及其渐进性,讨论模态解或考虑了波动效应的色散解与结构尺寸、刚度等参数的关系,初步分析有限变形情形下可能出现的动力学行为,如动力刚化、非线性正规模态和孤立子解.总结空间太阳能电站在不同结构参数或运动条件下的动力学模型简化原则.对关键要素分析结果进行数值仿真,以此验证了理论分析结果.

基于扰动观测器的大挠性航天器姿态预见控制

针对航天器的大型挠性附件振动会严重影响其姿态控制的问题,设计了基于扰动观测器的信息融合姿态预见控制器。将挠性附件振动引起的不确定项视作对姿态的复合扰动,设计扰动观测器对该复合扰动进行实时估计。在此基础上,通过融合期望轨迹和系统动态方程等信息,依据信息融合理论,推导了大挠性航天器的姿态预见控制律,用以改善航天器姿态系统的控制性能。所设计的姿态控制算法具有设计过程简单及容易实现等优点。仿真结果表明,所设计的控制策略对挠性附件振动具有较好的抑制作用,航天器姿态角能快速达到期望指令,具有良好的控制特性。

航天结构空间组装动力学与控制研究进展

空间组装是建造空间站、大型卫星天线、大口径空间望远镜、空间太阳能电站等大型和超大型航天结构的重要手段.然而,航天结构组装过程将面临构型增长、参数变化、轨道-姿态-结构耦合、接触碰撞等复杂的动力学与控制问题,给精准、高效、稳定完成组装任务带来挑战.本文介绍了大型航天结构的动力学建模方法、超大型航天结构特殊的动力学现象、航天结构空间组装过程的动力学建模研究现状;综述了航天结构在轨运行阶段的控制方法、空间组装过程的组装序列规划方法、姿态控制与振动抑制方法研究进展;总结了航天结构组装过程动力学与控制地面模拟试验中的重力卸载、缩比模型设计与试验、非线性与不确定性试验等关键技术.最后,面向未来千米量级超大型航天结构空间组装需求,针对组装过程中结构尺寸、质量和力学参数跃变等特性提出了当前研究工作中亟须解决的几类动力学与控制问题.

大型载人航天器数据存储服务系统设计与应用

针对载人航天器数据规模大、多源并发存储、平台安全性要求高、长期在轨运行的特点,文章提出了一种适用于大型载人航天器的数据存储服务系统通用架构。介绍了数据存储服务系统应用的多项关键技术,采用元数据分离方法实现了任意数量和任意类型关键数据的存储和回放,通过数据同步和电气隔离等设计方法使系统具备在轨维修更换的能力,采用存储空间映射的方法实现对非易失闪烁存储器(FLASH)坏块故障的屏蔽,保证了长期工作时数据存储的高可靠性。提出的数据存储服务系统服务于在轨应用,验证了设计的可行性,可为后续航天器数据存储系统的设计提供参考。

超大型多模块结构组装过程动力学与姿态控制

机器人在轨自主组装是未来建造超大型航天结构最具潜力的方式.超大型结构通常包含多个模块,需要机器人在柔性结构上反复进行抓捕、安装和爬行等操作.此外,组装过程中结构还受到空间环境干扰力的影响,需要经历构型的增长和参数的变化,导致其动力学行为非常复杂.为了研究机器人空间组装超大型多模块结构的过程,提出了一套轨道-姿态-结构耦合动力学、规划与控制的仿真框架.首先,采用自然坐标法和绝对节点坐标法建立主结构、空间机器人和组装模块的轨道-姿态-结构耦合动力学模型,采用Kelvin-Voigt线性弹簧阻尼模型描述机器人末端夹持机构和模块对接机构的接触碰撞.然后,对机器人进行运动规划、轨迹规划和关节轨迹跟踪控制研究.最后,采用不同的组装姿态和不同的姿态控制方案对组装过程进行动力学仿真.仿真结果表明,由于质心位置的改变和组装模块的轨道差异,主结构在组装过程中可能会出现显著的轨道漂移(取决于组装姿态).如果模块沿轨道半径方向组装到主结构,将导致组装过程长半轴和离心率出现快速增长;反之,如果模块沿轨道切向组装,长半轴和离心率基本保持不变.此外,即使采用了万有引力梯度稳定的组装姿态,仍需进行姿态控制和结构振动控制,以减小结构振动幅值,降低机器人与结构的碰撞风险,提高组装精度和组装效率.

空间控制技术发展与展望

控制是航天器在空间环境下自主完成复杂任务的关键技术.首先梳理了中国空间控制技术过去50多年来的发展成果,总结划分为航天器姿态控制、姿态轨道控制、“感知−决策−执行”(Perception-decision-action,PDA)自主控制三个方面,并在综述了各方面主要进展的基础上,围绕超大结构航天器姿态轨道控制、轨道空间博弈控制、网络化航天器集群控制、地外探测智能无人系统控制、跨域航天器自主控制、在轨建造与维护(On-orbit servicing,assembly,and manufacturing,OSAM)控制6个技术方向,提出面临的挑战和需要重点关注的基础性问题,为空间控制技术未来的发展提供借鉴和参考.

空间控制技术发展与展望

控制是航天器在空间环境下自主完成复杂任务的关键技术。首先梳理了中国空间控制技术过去50多年来的发展成果,总结划分为航天器姿态控制、姿态轨道控制、“感知-决策-执行”(Perception-decision-action,PDA)自主控制三个方面,并在综述了各方面主要进展的基础上,围绕超大结构航天器姿态轨道控制、轨道空间博弈控制、网络化航天器集群控制、地外探测智能无人系统控制、跨域航天器自主控制、在轨建造与维护(On-orbit servicing,assembly,and manufacturing,OSAM)控制6个技术方向,提出面临的挑战和需要重点关注的基础性问题,为空间控制技术未来的发展提供借鉴和参考。

大型航天器电位控制系统设计及验证

分析了大型航天器在轨交会对接及执行特殊任务等需求,提出了针对不同供电电压等级航天器交会对接、机械臂操作和航天员出舱等任务中的舱体不等电位问题,给出了被动电位控制及主动电位控制的方案。在此基础上提出了具体的设计方案及关键参数的确定,完成了被动电位控制地面验证方案,给出了试验验证结果,完成了主动电位控制在轨实际运行,并给出了实际运行结果情况。可为后续类似航天器的相关设计及地面试验验证提供参考。

考虑液体大幅晃动充液航天器的自适应非奇异快速终端滑模控制

针对考虑液体燃料大幅晃动的充液航天器进行姿态机动控制,研究控制系统中存在系统参数不确定、外部未知干扰以及测量不确定的充液航天器姿态控制系统,设计了一种自适应非奇异快速终端滑模控制器。将大幅晃动的液体燃料等效为运动脉动球模型,建立了液体大幅晃动航天器动力学方程。针对充液航天器姿态稳定问题,设计具有有限时间收敛且能避免奇异点的非奇异快速终端滑模面,使充液航天器可以快速达到姿态稳定;与此同时,设计自适应更新律估计集总扰动的未知上界。Lyapunov稳定性分析表明,在系统参数不确定、外部未知干扰、测量不确定和大幅液体晃动的影响下,所提出的自适应非奇异快速终端滑模控制能够保证系统的快速收敛特性,仿真分析验证了所提出控制器的有效性。

大型载人航天器舱外试验支持技术

为舱外试验提供支持和保障条件是大型载人航天器的重要任务,文章根据大型载人航天器舱外载荷的不同类型,提出了标准舱外载荷试验平台和大型舱外载荷试验平台总体设计方案,阐述了舱外载荷试验平台对试验项目的支持资源,明确了舱外载荷试验平台在轨应用流程,并介绍了舱外载荷试验平台的地面验证情况。最后,总结了大型载人航天器舱外试验支持技术的特点,对该技术的在轨应用和验证情况进行了说明,并对技术应用于在轨服务和在轨设施建造任务进行了展望。

燃料大幅晃动等几何分析仿真及航天器耦合动力学研究

现代航天器肩负许多周期长且复杂的航天任务,通常需要携带大量的液体燃料.贮箱中液体燃料大幅晃动会严重影响航天器的姿态稳定性和控制精度,是现代航天器耦合动力学建模和精确控制研究的重要问题.本文提出了一种新的液体大幅晃动数值仿真方法,采用等几何分析方法对贮箱内气体和液体整体进行建模和空间离散,采用压力修正的分步法对控制方程进行时间离散,结合水平集方法划分气体和液体区域并且实时追踪液体晃动自由面.提出了一种质量修正方法以消除水平集函数演化产生的液体质量误差.基于燃料大幅晃动等几何分析仿真方法,对携带太阳能帆板的充液航天器进行动力学建模和耦合运动数值仿真.对于太阳能帆板的振动问题则采用Kirchhoff-Love板理论建模和模态分析法数值求解.通过将数值仿真结果与解析解对比,证明了本文给出方法的正确性.本文还对燃料大幅晃动下的航天器刚−液−柔耦合运动进行了数值仿真,发现液体晃动对航天器的姿态变化和结构振动的幅值和频率具有不可忽视的影响.

大型舱体移动机器人加工工艺架构与规划方法

移动机器人加工技术为大型航天器舱体的研制提供了一种全新的技术手段。传统的基于数控机床的研制流程,缺乏一种系统性的加工工艺规划框架与方法。为此,文章以大型航天器舱体加工为例,提出了一种移动机器人系统加工过程工艺架构,基于大型舱体研制工艺总流程梳理了面向移动机器人的任务流程,并结合生产现场刀具配送等要求对机器人加工工艺要素进行全面地总结与优化。同时,面向移动机器人加工中精度控制与任务分配等现实需求,对工艺规划过程中的分级精度控制、站位规划及加工空间分区拼接等3个典型问题进行了详细的介绍并给出了具体的解决方案。最终,以某舱体模拟件为加工对象,完成面向移动机器人的加工过程工艺规划的案例验证。结果表明,基于移动机器人的加工工艺能够对大型航天器舱体的高精、高效加工提供技术指导。

磁柱面作图法获取航天器垂向有效磁矩的探究

为解决大尺度、大磁矩航天器磁性测量时采用常规近场测试方法带来的整器磁矩偏心误差大、无法获得有效磁矩的难题,采用在航天器几何赤道面上下典型区域多层次布局传感器的方式获得整器柱面静态磁场数据。按10?1器模比例建立航天器垂向标准磁偶极子、双磁偶极子和组合态多磁偶极子磁矩分布模型,按上述多层分布测试方法对标准模型进行仿真试验。结果表明:在异向双磁偶极子和多磁偶极子模型中,当传感器位置高度逼近模型垂向磁赤道区域时,获得的结果更接近模型预置的标准磁矩量值;整器垂向磁性分布特征与异向多极子模型2具有高度相似性,进一步证明航天器磁赤道区域测得的结果更真实代表了垂向磁矩量值。该方法极大地提高了大磁矩航天器整器垂向磁矩准确性及其裕度控制范围。

求解液体大幅晃动问题的数值方法评述

对在推进剂贮箱中带有自由液面液体大幅晃动问题的研究是一个在充液航天器动力学与控制分析中十分重要的问题．介绍和评述了求解带有自由液面液体大幅晃动问题的数值模拟方法。

大型柔性航天器动力学与振动控制研究进展

随着航天重大工程的逐步实施,航天器正朝着超高速、超大尺度、多功能的方向发展,其面临的发射和运行环境也更加恶劣.航天器发射过程中的振动及其主/被动控制、在轨运行中大型柔性航天器动力学建模与动态响应分析、结构振动与飞行器姿态的混合控制等问题越来越复杂且难于处理;航天器结构的大型化和柔性化(如大阵面天线和太阳翼等)也对其地面试验和半实物仿真提出了挑战.本文着重介绍大型柔性航天器涉及到的动力学与振动控制问题,包括航天器发射过程中的整星隔振,大型柔性结构动力学建模与振动响应分析,大型柔性航天器的结构振动与姿轨控耦合动力学及其混合控制等.提炼出航天动力学与控制领域中亟待解决的若干基础科学问题,包括:多刚柔体系统动力学建模与模型降阶(涉及大变形柔性体动力学建模、多求解器合作仿真、模型降阶、组合结构动力学建模的解析方法等);复杂结构状态空间模型构建方法与能控性(涉及状态空间模型构建的理论与实验方法、复杂结构振动控制系统的能观性与能控性等);航天器姿态运动与大型柔性结构振动的混合控制律设计(涉及姿态机动与结构振动的鲁棒混合控制、执行机构与压电控制器的协同控制等).