绳系卫星编队动力学及控制研究进展

对空间绳系卫星编队构形进行了分类,阐述了编队构形的稳定性特征.对系统自旋运动、系绳振动及L2平动点附近周期运动进行分析,指出系统展开/回收过程、卫星刚体姿态的动力学行为及控制方法.最后,对绳系卫星编队系统的研究及发展进行概括和总结.     

基于非线性单元模型的绳系卫星系统动力学

建立连续绳系卫星系统的离散的可变自由度有限维动力学模型,描述其长时间空间大范围运动.绳系卫星系统为复杂的非线性动力学系统.考虑了系绳的黏弹性、分布质量和空间位形,使得建立的改进珠式模型能够细致地描述系绳的纵横向振动.根据绳索只能受拉而不能抗压的特性引入了系绳单元的松弛模型,准确反映系绳真实受力情况.研究了系统自由度改变的实现方法,通过数值积分计算得到了绳系卫星系统释放、收拢和保持阶段的长时间历程的动力学响应,计算结果是收敛的.仿真结果印证了稳定平衡位置在绳系系统动力学中的重要特性.     

带可控臂的绳系卫星短距释放实验研究

通过绳系卫星轨道面内运动的天-地动力学相似,利用地面物理仿真平台实验研究绳系卫星短距离释放的控制问题.首先建立带控制臂的绳系卫星系统非线性动力学方程,获得天-地动力学相似条件,采用比例-微分反馈控制方法,对受控绳系卫星的姿态运动进行数值仿真.其次,利用地面物理仿真平台实现绳系卫星的天-地动力学相似环境,通过单根刚性臂实现卫星姿态运动和系绳摆动的两自由度运动控制.实验和数值对比结果表明,借助控制臂可以有效的对绳系卫星的释放进行控制.     

基于保辛算法的绳系卫星系统闭环反馈控制问题求解

应用非线性系统滚动时域控制的保辛算法求解绳系卫星系统子星释放和回收过程的闭环反馈控制问题.通过第二类Lagrange方程推导出二体绳系卫星系统的动力学方程;通过拟线性化方法将绳系卫星系统闭环反馈控制问题转化为线性非齐次Hamilton系统两端边值问题的迭代求解;通过保辛算法将线性非齐次Hamilton两端边值问题转化为线性方程组的求解;通过递进更新时间步的状态变量和控制变量,完成绳系卫星系统的闭环反馈控制.数值仿真表明:相对于Legendre伪谱方法,用保辛算法求解绳系卫星系统的闭环反馈控制问题的计算速度和收敛速度较快.绳系卫星系统的开环控制和闭环反馈控制问题数值仿真结果表明:在绳系卫星的初始状态存在偏差的情况下,使用开环控制会导致系统在终端无法达到稳定状态,而使用闭环反馈控制则能在一段时间内抵消初始状态向量偏差对系统产生的影响,最终达到稳定状态.     

基于能量的欠驱动直连式双体绳系卫星稳定控制

针对存在未建模动态扰动的欠驱动直连式双体绳系卫星(UDBTS)系统的姿态稳定控制问题,本文提出了一种基于径向基函数(RBF)神经网络补偿的能量控制器(ECNNC),用于完成UDBTS系统的姿态稳定控制.首先,对于已知的UDBTS系统动力学模型,通过分别构造合适的能量评价函数,推导得到双体绳系卫星基于能量的控制器(EC),确保UDBTS系统姿态参数的一致收敛;其次,本文设计了RBF神经网络补偿器,用于消除UDBTS系统未建模动态产生的扰动影响;最终,为了检验本文提出的ECNNC的性能,进行了数值仿真实验,与EC和滑模控制器(SMC)相比,实验结果表明,本文提出的ECNNC具有更好的控制性能.     

基于数据驱动的平面铰接多刚体系统动力学建模

动力学模型是模拟物理系统的一种有效工具,能够帮助人们深入理解物理系统的运行规律,为物理系统的预测、优化设计以及控制系统的开发提供理论支持.近年来,基于数据驱动的动力学建模方法引起了学界的广泛关注.已有研究虽然取得了一定成果,但仍存在一些不足之处.本文深入研究了基于数据驱动的平面铰接多刚体系统动力学建模问题,并在拉格朗日神经网络(LNN)的基础上提出了一种改进的数据驱动建模方法——拓扑拉格朗日神经网络(TLNN).相较于LNN,TLNN通过嵌入多体系统的拓扑信息,实现了神经网络学习性能的提高.预测结果显示,使用相同训练数据集,相较LNN、哈密顿神经网络(HNN)以及神经常微分方程(NODE)三种数据驱动建模方法,TLNN可以建立精度更高的铰接多刚体动力学代理模型.另外,本文对数据驱动建模过程所涉及广义坐标选择问题进行讨论.训练和预测结果均显示,相较于选择关节相对角度进行数据驱动建模,采用刚体绝对姿态角进行建模可以获得精度更高的动力学代理模型.     

基于Open Inventor的卫星姿态控制可视化仿真

针对卫星运行可视化仿真中卫星的姿态控制问题,设计出一种基于Open Inventor的卫星运行姿态控制可视化仿真系统。介绍了通过平移,旋转等坐标变换实现卫星模型处于二体定向姿态的思路和算法,二体定向姿态即有效载荷面对准地球以利于科学探测,太阳帆板跟踪太阳以保持供电。提出了基于Open Inventor的具体实现算法,充分利用Open Inventor的功能特点,卫星建模时增加了太阳能电池板绕中心轴向的旋转自由度,简化了算法。仿真结果表明,该系统能够较好地满足系统仿真的实时性要求。描述的思路和算法对构建航天可视化仿真系统具有一定的借鉴意义。     

空间绳系飞网运动建模与仿真

研究在轨捕获技术的问题中,空间绳系飞网作为一种柔性捕获手段在航天工程中具有广泛的应用前景,进行仿真成为必不可少的研究手段.首先建立了系绳的简化模型,讨论其短距离捕获阶段的释放方式.在此基础上,运用弹簧-质点模型对飞网进行建模,分析了飞网飞行过程中的受力情况,并采用Verlet数值积分方法对模型进行仿真计算,最后对飞网捕获目标进行了碰撞检测.仿真结果正确显示了捕获阶段飞网的运动过程,实时性良好,对空间飞网的设计研究具有一定的意义.     

基于ADAMS的多刚体动力学简化建模与仿真

摘 要：应用多刚体动力学理论在 ADAMS 软件中对复杂模型进行简化建模与仿真,解决 复杂模型在 ADAMS 中建模过程繁琐、仿真过程计算效率低等问题。首先对简化建模方法的多 刚体动力学理论进行了分析;然后提出了基于 ADAMS 简化建模的具体方法,着重研究了使原 模型和简化模型中心主转动惯量、中心惯量主轴连体基方向相同的数学方法;最后,将该简化 建模方法应用到过山车单车模型上,并对仿真结果进行对比分析。结果显示基于 ADAMS 的多 刚体动力学简化过山车模型与原模型的仿真效果基本相同。该简化建模方法能有效提高复杂模 型在 ADAMS 中的建模效率和仿真的计算效率。     

Distributed event-triggered cooperative attitude control of multiple rigid bodies with leader–follower architecture

In this note, the distributed event-triggered cooperative attitude control of multiple rigid bodies with leader–follower architecture is investigated, where both the cases of static and dynamic leaders are all considered. Two distributed triggering procedures are first introduced for the followers and leaders, and then the distributed cooperative controllers are designed under the proposed triggering schemes. Under the designed controllers with the event-triggered strategies, it is shown that the orientations of followers converge to the convex hull formed by the desired leaders’ orientations with zero angular velocities. Moreover, the communication pressure in network is reduced and the energy of each agent is saved. Simulation results show the effectiveness of the proposed method.     

重装空投系统的动力学建模与控制律设计

针对当前重装空投数学模型与实际系统存在偏差等问题,改进传统的分离体建模方法。将货物视作刚体考虑分析,修正了货物约束力的作用点,引入了牵引伞力作用方向,综合考虑了货舱地板角、摩擦系数等影响因素,提出更加精确的干扰力矩计算方法,建立更加贴近实际的重装空投动力学模型。设计了俯仰高度保持和速度保持控制律,并利用遗传算法选取了合适的控制律参数。仿真结果表明,所给出的控制方案能够有效地保持飞行轨迹和稳定飞机姿态。     

红外地球敏感器的技术发展趋势

姿态控制系统是卫星得以持续正常工作的保证,红外地球敏感器是卫星姿态控制系统的重要部件之一.简要说明了红外地球敏感器的基本原理和构成.通过几种典型国外产品的介绍说明了当前国外地球敏感器的发展现状,最后,对红外地球敏感器的发展趋势进行了简要分析.     

采用基础激励下力反作用的大挠性结构动力学建模研究

以中心刚体和挠性梁为例,针对缺乏占质量和惯量强势成分中心刚体的刚柔耦合系统进行动力学建模研究.建立了基于基础激励输入和力反作用输出的离散动力学模型,以仿真计算对本文提出的模型进行验证,仿真结果表明,建立的模型解释了动力学刚化现象产生的原因并计算出不同转速下的系统频率,能够准确地解释刚柔耦合系统的动力刚化现象.同时考虑了中心刚体的运动,发现刚体质量和惯量对系统机动后姿态角振动频率有影响.     

基于滑模控制的3D刚体摆姿态稳定性

研究3D刚体摆姿态稳定性的滑模控制问题.3D刚体摆由一个刚体绕一固定且无摩擦的支点旋转,刚体受到恒重力作用且具有三个转动自由度.针对3D刚体摆平衡位置处的姿态稳定控制问题,设计了滑模控制器并分析了角速度和姿态的渐进稳定性.由Lyapunov直接法找出了各个滑模系数取值的充分条件,并通过数值仿真实验验证了滑模控制方法的有效性.     

Fast and compact dynamic data compression based on composite rigid body construction

3D dynamic datasets compression still poses two challenges. One is high time cost due to growing data and complex computation of compression algorithms. The other is low compression factor because of complex motions of dynamic scenes and unknown motion equations. In this paper, composite rigid body construction for fast and compact compression of 3D dynamic datasets is proposed to solve these two problems. It accelerates the compression with a fast rigid body decomposition based on disjoint union, and avoids serial searching, comparing and merging of the rigid body decomposition. To increase the compression factor, composite rigid body is introduced with consideration of motion consistency among rigid bodies at different time periods. The results of the experiments show that our algorithm compresses dynamic datasets quickly and achieves a high compression factor.     

非线性控制系统的能控性及在刚体动力学中的应用

在 [4 ]的基础上运用不变流形研究非线性系统的能控性问题 .由于不变流形的构造较为容易 ,通过实例表明 ,文中得到的仿射非线性系统能控性定理在刚体动力学中的应用是有效的 .     

六组合传感器的测量算法研究

基于六组合高精度陀螺(如激光陀螺、光纤陀螺等)传感器测量载体的三向角速率和三向加速度的数据,对三向姿态角进行求解测量算法的研究。利用一种四元数法的数学间接计算方法,即利用四维空间中的四元数的性质和运算规则来研究三维空间中刚体转动的问题,在科研试飞测量中具有很好的实际应用价值。     

带有两个动量飞轮刚体航天器的姿态非完整运动规划问题

航天器利用三个动量飞轮可以控制其姿态和任意定位.当其中一个动量飞轮失效,在某些特定的情况下,如何控制航天器的姿态问题还没有有效的方法.利用最优控制方法研究了带有两个动量飞轮的刚体航天器姿态优化控制问题.为此考虑系统角动量为零的情况下,将航天器姿态运动方程化为非完整形式约束方程,系统的控制问题可转化为无漂移系统的非完整运动规划问题.通过Ritz近似理论得到求解带有两个动量飞轮航天器姿态的运动规划控制算法.通过数值仿真,表明该方法对航天器姿态运动规划控制是有效的.