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空间充气展开绳网系统捕获目标自抗扰控制研究

已有 129 次阅读 2019-11-1 10:40 |系统分类:博客资讯

空间充气展开绳网系统是依靠充气梁展开绳网进行目标捕获的航天器系统,具有更好的稳定性和可操控性.然而由于充气梁和绳网的大柔性变形以及捕获失稳自旋目标后的未知碰撞,使得捕获后的航天器姿态稳定控制困难.本文主要基于自抗扰控制解决了空间充气展开绳网系统捕获目标后的姿态稳定和消旋难题.首先,基于理想薄膜充压失效理论和绝对节点坐标方法建立充气展开绳网系统动力学模型,而后设计了航天器姿态稳定自抗扰控制器,用于实时估计并补偿系统捕获过程中未知惯量目标与捕获机构的碰撞干扰.仿真结果表明,动力学模型能够模拟捕获过程中充气梁的屈曲失效及碰撞特性,自抗扰控制器能够有效抑制碰撞带来的干扰,实现空间充气展开绳网系统捕获后的高精度姿态稳定控制,同时能够在有限时间内对自旋目标实现消旋.


随着太空垃圾日益增多,对人类的航天活动造成极大隐患。由于太空垃圾多为非合作目标,机械臂等刚性捕获系统已经难以胜任,因此空间飞网柔性捕获系统获得了极大发展,如空间绳系飞网、空间机动飞网等。空间绳系飞网通过抛射牵引质量块带动飞网展开,并由系绳拖拽被捕获目标离轨,增大的捕获面积,降低了对捕获精度的要求,但是空间绳网无法长久维持构型;空间机动飞网由绳网末端机动卫星维持绳网构型提高捕获成功概率,但是末端机动成本过高,且控制复杂。因此空间充气展开绳网系统(SINCS) 作为传统空间飞网捕获系统的改进被提出,其通过充气梁将绳网整体展开成一个伞状结构,并利用梁末端的收口装置实现目标捕获。该方案结构稳固,控制简单可靠,具有更好的应用潜力。


空间主动清理系统的发展


空间充气展开绳网系统工作流程包括充气展开、接近包裹以及捕获消旋三个阶段。其中捕获消旋是决定任务成败的关键。捕获后的充气绳网系统变成一个由柔性捕获机构和含碰撞的未知惯量目标组成的大柔性、多干扰、强耦合的非线性系统,给航天器姿态稳定控制带来了很大的困难。本文主要基于自抗扰控制解决了空间充气展开绳网系统捕获目标后的姿态稳定和消旋难题。首先, 基于理想薄膜充压失效理论和绝对节点坐标方法建立充气展开绳网系统动力学模型, 而后设计了航天器姿态稳定自抗扰控制器, 用于实时估计并补偿系统捕获过程中未知惯量目标与捕获机构的碰撞干扰。仿真结果表明, 动力学模型能够模拟捕获过程中充气梁的屈曲失效及碰撞特性, 自抗扰控制器能够有效抑制碰撞带来的干扰, 实现空间充气展开绳网系统捕获后的高精度姿态稳定控制, 同时能够在有限时间内对自旋目标实现消旋。


空间充气展开绳网系统工作流程 


引用格式:刘昊, 魏承, 谭春林, 刘永健, 赵阳. 空间充气展开绳网系统捕获目标自抗扰控制研究. 自动化学报, 2019, 45(9): 1691-1700.


链接:http://html.rhhz.net/ZDHXBZWB/html/2019-9-1691.htm



作者简介


刘昊, 哈尔滨工业大学航天学院博士研究生.主要研究方向为航天机构动力学控制与仿真. 

E-mail: liuhaoyt@stu.hit.edu.cn


魏承, 哈尔滨工业大学航天学院副教授.主要研究方向为空间柔性多体系统动力学,控制与系统仿真技术.本文通信作者. 

E-mail: weicheng@hit.edu.cn


谭春林, 北京控制工程研究所高级工程师. 北京空间飞行器总体设计部研究员.主要研究方向为航天器总体设计.

E-mail: tanchunlin1967@sina.com



刘永健, 北京空间飞行器总体设计部研究员.主要研究方向为航天器系统研发.

E-mail: liuyj03@126.com


赵阳, 哈尔滨工业大学航天学院教授.主要研究方向为航天器多体动力学与控制,航天器系统仿真技术.

E-mail: yangzhao@hit.edu.cn





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