考虑摩擦的空间抓捕过程碰撞动力学分析与控制

目前针对空间抓捕中的碰撞进行建模的方法中很少考虑摩擦因素。然而,摩擦作为碰撞过程中不可避免的现象,对碰撞动力学响应及整个空间抓捕任务有着不容忽视的影响。文章结合库伦摩擦理论和拉格朗日乘子法,建立了同时兼顾滑动和粘滞状态的摩擦模型,然后将求解到的摩擦力与碰撞力进行矢量合成,作为对碰撞模型的修正。另外,针对碰撞过程对机器人姿态产生的干扰,利用反馈线性化设计了解耦控制器对基座姿态漂移进行稳定控制。数值仿真采用一个平面2-DOF空间机器人,利用动量和动量矩守恒定理验证了动力学模型的正确性,同时基座姿态控制结果收敛说明了控制器的有效性。

基于虚拟目标跟踪的充气式固定偏置再入飞行器制导律设计

针对充气式飞行器只能实现零升力再入、无法进行再入弹道修正的问题展开研究。首先面向充气式飞行器的再入制导采用了一种舱体偏置的总体设计方案,通过舱体质心偏移产生气动配平攻角,从而提供弹道修正所需的升力。然后针对固定偏置量带来的升力大小不可控及升力过剩问题,为提高制导精度,设计了一种通过滚转运动改变升力方向的制导律。为进一步提高该滚转制导律精度,又提出了一种分段再入制导和跟踪参考轨迹上虚拟目标点的策略,并据此修正了滚转制导律,避免计算误差的影响及制导指令的频繁修正。最后,仿真结果表明标称情形下最终制导落点偏差约500 m,并且在叠加多种偏差条件的情形下最终制导精度偏差仍能保持在102 m量级内,所设计的滚转制导律能有效提高充气式飞行器的再入制导精度,并且具有较高的鲁棒性。所提出的面向充气式固定偏置再入飞行器的制导律对于执行机构的要求简单,具有一定的工程应用价值。

航天器自适应快速非奇异终端滑模容错控制

针对存在外部干扰、转动惯量矩阵不确定以及执行器故障的航天器姿态跟踪控制问题,本文提出了基于自适应快速非奇异终端滑模的有限时间收敛故障容错控制方案.通过引入能够避免奇异点,且具有有限时间收敛特性的快速非奇异终端滑模面,设计了满足多约束条件有限时间收敛的姿态跟踪容错控制律,利用参数自适应方法使控制器不依赖转动惯量和外部干扰的上界信息.Lyapunov稳定性分析表明:在存在外部干扰、转动惯量矩阵不确定以及执行器故障等约束条件下,本文设计的控制律能够保证闭环系统的快速收敛性,而且对执行器故障具有良好的容错性能.数值仿真校验了该控制律在姿态跟踪控制中的优良性能.

基于改进蚁群算法的无人驾驶飞行器三维航迹规划与重规划

研究了一种改进蚁群算法在无人驾驶飞行器三维航迹规划中的应用。针对基本蚁群算法容易过早陷入局部最优以及过早陷入迭代停滞的缺陷,新提出了一种信息素挥发系数的随机自适应调节方法;借助最小威胁曲面这个概念,将最小威胁曲面向水平面投影,使三维航迹规划转换为二维航迹规划;并借助动态窗口这个概念,在三维离线航迹的基础上进行航迹局部重规划;最后给出仿真验证。仿真结果表明:改进蚁群算法在解的优越性和算法的快速性上都全面优于基本蚁群算法,并且改进的蚁群算法在三维航迹重规划上有很强的适应性。

具有模型参数不确定性的高超声速飞行器动态特性分析及控制律设计

大范围机动、质量分布快速变化、气动特性复杂,以及飞行器结构、气动、推力的相互耦合,使得高超声速飞行器动力学呈现出强不确定性,给其动态特性分析和控制器设计提出了挑战。文章针对高超声速飞行器模型参数不确定性问题,首先分析各种可能造成模型不确定性因素的物理本质,确定其主要影响因素;在此基础上建立了能够反映这些主要影响因素带来的具有参数不确定性问题的动力学模型;并分析每一个单独不确定性参数变化对飞行器特征根分布的影响;在考虑高超声速飞行器参数不确定性的情况下,针对刚体-弹性体模型,采用修正的反馈线性化方法设计控制律。研究结果对高超声速飞行器的动力学特性分析、总体设计、控制系统设计、准确度分析等提供具有重要参考价值的依据。

基于形态变分模态分解和JRD的航天器异常状态识别

针对在轨航天器微弱异常难以识别问题,提出了一种基于形态变分模态分解和JRD距离的异常状态识别方法。首先利用形态变分模态分解将航天器遥测数据分解为不同频率的多尺度模态分量,然后提取各模态分量的Rényi熵,将得到的Rényi熵向量作为遥测数据的特征,最后通过计算样本数据与实测数据特征之间的JRD距离,实现对航天器异常状态的识别。以某卫星反作用轮转微弱异常转速实测数据对该方法进行仿真验证,仿真结果表明,提出的识别方法能够有效识别航天器异常状态,且在识别速度上具有明显优势。

水润滑轴承加载装置动态磁热耦合机理研究

针对水润滑轴承动态试验研究中电磁加载装置发热以及电磁力不稳定等现象,为了给轴承研究提供准确载荷,对电磁加载装置动态下的磁热耦合机理进行研究。首先建立了电磁加载装置能量损耗数学模型,对能量损耗进行理论分析;其次,构建了电磁加载装置物理模型,进行磁热耦合仿真分析,得到了磁感应强度、铜损耗以及铁损耗的变化规律;最后,进行电磁加载装置能量损耗试验。研究结果表明:动态下电磁力不稳定的主要原因是加载装置存在能量损耗,且以铜损耗与铁损耗为主;能量损耗与轴转速、加载装置激励电流以及初始温度有关,在激励电流1~3 A、转速0~1800 r/min以及温度22~50℃工况下,电磁力试验值与仿真值最大误差为4.7%。

水膜压力监测节点非接触供电耦合机构研究

水润滑轴承水膜压力无线监测节点同轴安装、随轴高速旋转,因此对其供电成为一大难题。针对上述问题,提出一种非接触供电方法,建立了耦合机构物理模型及其等效电路,并进行特性分析;然后,对耦合机构原、副边电路进行补偿,并对其输出功率及效率进行仿真;最后通过试验进行验证。结果表明:仿真与试验结果具有较好一致性,该耦合机构在SP补偿后平均输出功率为10.332 W,传输效率为69.84%,能够满足无线监测节点非接触供电需要。

在轨服务中空间系绳的应用及发展

针对空间系绳在空间在轨服务中的应用与发展问题,在简述空间系绳传统应用及试验情况的基础上,综述了空间绳系机器人、空间绳网机器人两类新在轨应用方式的研究和发展,主要包括动力学建模、结构设计、相对状态测量、逼近/抓捕控制、拖曳变轨等。最后进一步讨论了空间系绳未来的研究方向。

非接触式电磁加载水润滑轴承监测系统

在水润滑轴承试验研究中,传统机械或液压等接触式加载方式存在振动、噪声、发热与摩擦磨损等问题,另外,监测系统特别是软件功能还不完善,影响轴系稳定运行与测试结果准确性。针对上述问题,设计了非接触式电磁加载装置(电磁加载力大小及角度均可调节),并基于LabVIEW开发了水润滑轴承监测系统;应用该系统对水润滑橡胶轴承进行水膜压力测试试验,并将试验结果与仿真结果进行对比,结果表明,系统运行稳定,测试数据可靠,实用效果良好。

在轨服务中的仿生抗冲击结构研究

针对在轨服务航天器末端执行器在抓捕目标时由于速度不匹配而产生的振动问题,本文受自然界中高速奔跑的袋鼠腿部结构启发,将嵌套仿生X形结构安装在服务航天器机械臂和抓捕机构之间,来抑制由碰撞所产生的抓捕后振动。通过对此系统在受到外冲击力下进行建模分析,并与传统的弹簧质量阻尼器和单层仿生X形结构的隔振性能进行对比,仿真结果表明,此嵌套仿生X形结构隔振系统具有更好的振动隔离效果,能够更加有效地抑制航天器抓捕后振动。

采用虚拟引力场的太阳帆/电推进混合推力机动轨道设计

针对连续小推力轨道设计问题,提出了一种采用虚拟引力场的太阳帆-电推进混合小推力轨道设计与优化方法。首先,给出了虚拟引力场的定义,以及太阳帆/电推进混合推力模型;然后建立了基于混合推进方法设计连续小推力机动轨道设计模型;并推导了该动力学模型的解析解;其次采用四阶龙格库塔数值方法分析了该解析解的精度,提出了误差因子参数的概念,采用误差因子参数约束来保证解析解精度。最后,以地球-火星转移轨道设计的算例,求解了采用太阳帆/电推进混合推进方式实现航天器轨道机动,并将其结果与单独电推力方法进行了对比。仿真结果表明,该方法能够大大减小燃料消耗以及轨道转移任务时间;与混合连续推力间接优化方法相比,该解析方法能够很大程度上减少计算时间。

基于L-WSNs的货运列车轴承在线监测方法

针对货运列车的结构与运行特点,应用线性无线传感器网络(linear wireless sensor networks,L-WSNs),提出货运列车轴承在线监测方法,并开发监测系统。研究并解决网络路由协议、振动数据压缩编码传输以及Zigbee节点设计3个关键问题,在高速电主轴转子及液压系统上进行振动与温度信号组网监测试验,并分析试验结果及节点能耗,最后预估节点寿命。试验与分析结果表明:监测系统可同时实现4路振动及温度信号的同步采集与组网传输,实时性好、误码率低;同时,网络节点能耗与寿命也满足系统要求。

基于多项式近似的空间碎片群体轨道预报算法

快速准确地分析空间碎片群轨道演化行为对于其他在轨航天器碰撞规避至关重要。在各摄动力的作用下,空间碎片群演化运动呈现出复杂的非线性特征。空间碎片群体个体数量巨大,如果通过对空间碎片群中每个空间碎片进行轨道积分来分析群体预报的方法会导致计算量过大。针对该问题,提出一种基于多项式近似的轨道快速预报分析方法。该方法将空间碎片群分为少量的标称碎片和其他大量关联碎片。针对标称碎片的轨道预报采用数值积分求解保证预报精度;而针对其他大量的关联碎片轨道预报问题,采用多项式泰勒展开半解析方法求解,从而在保证预报精度的前提下有效减少空间碎片群轨道预报的计算量。为了验证方法的有效性,对不同空间碎片群进行了轨道预报仿真。仿真结果表明,当轨道预报精度设定在1 m范围内时,多项式近似算法的计算量较蒙特卡洛方法计算效率提高了2.2~17.2倍,验证了所提出方法的有效性。

水润滑轴承加载装置电磁力动态变化机理研究

针对电磁加载装置电磁力在动态载荷模拟试验中的不稳定现象,为了给水力机械中的水润滑轴承性能研究提供准确载荷,电磁力动态变化机理需深入研究。首先,通过理论推导得到了电磁加载装置电磁力动态变化数学模型;其次,建立了电磁加载装置物理模型并进行有限元分析,获得了电磁力、磁阻力矩与磁通密度等参数的变化规律;最后,进行了电磁加载装置电磁力动态试验测试。理论、仿真与试验测试对比分析结果表明:电磁力动态变化与轴转速变化、轴偏心密切相关;轴转速升高,电磁铁表面涡流与集肤效应逐渐增强,加载盘表面磁阻增大,电磁力逐渐减小;轴偏心会引起轴与电磁铁间隙变化,从而导致电磁力变化;在0.5~1.5 A电磁铁电流激励下,轴无偏心与存在偏心时,电磁力仿真与试验结果的最大误差分别为6.8%,6.1%。

基于星联合分布的星图识别

针对栅格类算法中难以合适选取栅格尺寸的缺点,设计了将星图划分为多个多边形的划分方法,使星图中所有星都位于与其唯一对应的多边形中,提取多边形几何特征,对导航星库和观测星图的特征模式进行匹配。根据仿真数据进行验证,表明这一方法避免了栅格类算法中可能使多颗星位于同一栅格中的现象,同时也克服了栅格类算法不能正确选取定位星进而使星图识别失败的缺点,有效提升了星图识别的准确度。

采用单目视觉的非合作目标星状态估计

针对微小卫星逼近观测未知的空间翻滚非合作目标星任务,提出一种基于单目视觉的目标星相对状态估计方法。在建立追踪星/目标星相对运动模型的基础上,以单目相机识别并测量获得的目标星固有特征的像素位置为观测输入,通过扩展卡尔曼滤波算法实现对目标星相对位置、相对速度、相对姿态、角速度、惯量比和特征位置等状态的估计。仿真结果表明,该方法能够很好地实现对未知非合作目标星的相对状态估计,姿态估计误差小于2°,位置估计误差小于0.1 m,特征点位置平均估计误差小于0.04 m。

水润滑轴承非接触式电磁加载装置研究

为深入研究水润滑轴承带载工况下的特性,设计一种非接触式电磁加载装置,并通过理论计算、建模仿真与试验相结合的方法对该装置性能进行研究。首先,介绍电磁加载装置结构与原理,建立该装置等效磁路图,并基于麦克斯韦电磁理论推导出电磁加载力方程;然后,建立电磁加载装置三维有限元模型,对仿真结果进行分析;最后进行水润滑轴承加载试验,将电磁力仿真、理论及试验结果进行对比分析。研究结果表明,磁感线在加载盘底部最为密集,电磁加载装置漏磁很少,电磁力仿真值与实际值最大误差为10.7%,证明该装置合理。

水润滑轴承水膜压力损失机理研究

针对已有水膜压力无线传感测试方法中由于设置L型管道从而导致传递过程中水膜压力的损失问题,采用数值分析法建立了水润滑轴承系统管道压力损失数学模型,用ANSYS软件建立了物理模型,通过仿真分析了压力损失机理,并对试验结果进行了校正与分析。结果表明:管道入口处润滑水的流量越高,水膜压力损失越大;轴转速越高,局部压力损失越大;管道越长,L型管道直管段压力损失越大,在动态工况下管道的压力损失与能耗比静态工况下的大。

航天器轨道递推及Lambert问题计算方法综述

航天器轨道计算是航天动力学与控制领域的基础问题,未来空间任务对轨道计算的精度和实时性要求更高,研究新型高性能空间轨道计算方法对于中国未来航天工程具有重大应用价值。概述了空间轨道计算的研究背景,系统梳理了求解轨道递推问题和Lambert问题的各类方法,介绍了各类方法的求解思想和优缺点,对轨道计算方法的发展趋势进行展望,为具体任务中轨道计算方法的选取提供参考,也为新型高性能空间轨道计算方法的设计提供启发。