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《第二届中国空天安全会议论文集》2017年
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自主机动飞网机器人动力学精细建模及网型控制

赵亚坤  黄攀峰  张帆  
【摘要】:随着空间垃圾对航天器和宇航员的威胁越来越大,空间主动垃圾清理成为目前的研究热点之一。许多学者提出利用空间飞网机器人进行主动垃圾清理。空间飞网机器人由于其质量轻、安全度高得到广泛关注。本文提出的自主机动飞网机器人是一种新型的"平台+主系绳+飞网+自主机动单元"结构的空间飞网机器人,位于飞网四个角落的"自主机动单元"使得飞网在整个任务过程中可控。由于其具有可机动性,使得自主机动飞网机器人的平台、主系绳与飞网之间的姿态强耦合并且动力学方程为强非线性方程。为了便于研究自主机动飞网机器人的动力学特性并设计一种适用于其逼近阶段网型保持的控制方法,本文采用拉格朗日建模法,在同时考虑平台、主系绳及飞网三维姿态的情况下建立了自主机动飞网机器人的姿态精细化模型。在无控状态及主系绳长度不变情况下,对自主机动飞网机器人的运动进行了数字仿真,仿真结果表明:在自主机动单元无控状态下,平台姿态角及主系绳与飞网系绳的面内、面外角均做振荡运动,会使得主系绳与平台发生缠绕或者飞网构型混乱,导致任务失败。因此,本文设计了一种针对自主机动飞网机器人逼近阶段的反馈控制律,并进行了仿真验证。仿真结果表明:所设计的控制律能够消除自主机动飞网机器人主系绳面内面外角的摆动并使得飞网网型得到保持。本文所建立的飞网机器人模型,不仅是一个三维模型,并且考虑了平台、主系绳与飞网之间的耦合动力学,是一个针对自主机动飞网机器人的精细化模型。根据此精细化动力学模型设计的网型保持控制律,能够将网型保持在期望状态,为下一步抓捕做好准备。

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