基于拓展自由度的多體航天器動(dòng)力學(xué)與控制技術(shù)

第1章　緒　論    1
1.1　空間多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的定義與用途 2
1.1.1　空間碎片清除 2
1.1.2　空間服務(wù)與維護(hù) 3
1.1.3　空間對抗 5
1.2　單邊約束空間多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的典型案例 5
1.2.1　空間機(jī)械臂組合體 5
1.2.2　帶有鉸間隙的多體航天器 9
1.3　本書的主要研究內(nèi)容與章節(jié)安排 18
1.3.1　當(dāng)前研究存在的不足之處 18
1.3.2　本書的研究內(nèi)容與章節(jié)安排 20
第2章　傳統(tǒng)空間多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)建模理論 21
2.1　常用坐標(biāo)系定義與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法 22
2.2　空間多體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模方法 25
2.3　空間多體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模方法 27
2.3.1　牛頓-歐拉法 28
2.3.2　拉格朗日法 30
2.3.3　凱恩法 31
2.3.4　仿真驗(yàn)證 33
2.4　接觸動(dòng)力學(xué)模型在多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用 36
2.4.1　常用的接觸動(dòng)力學(xué)建模方式 36
2.4.2　傳統(tǒng)接觸動(dòng)力學(xué)模型與多體動(dòng)力學(xué)模型的集成方法 38
2.5　現(xiàn)階段多體動(dòng)力學(xué)模型所存在的不足之處 40
第3章　基于拓展自由度的多體航天器動(dòng)力學(xué)建模方法    41
3.1　拓展自由度定義 42
3.2　直線接觸邊緣工況下的拓展自由度動(dòng)力學(xué)模型 44
3.3　一般情況下的拓展自由度動(dòng)力學(xué)模型 48
3.3.1　拓展自由度可觀測性分析 48
3.3.2　一般情況下的改進(jìn)型拓展自由度定義方式 50
3.4　仿真驗(yàn)證 52
3.4.1　固連狀態(tài)動(dòng)力學(xué)驗(yàn)證 53
3.4.2　組合體航天器脈沖響應(yīng)動(dòng)力學(xué)驗(yàn)證 54
3.4.3　拓展自由度模型與牛頓力學(xué)模型的比對 56
3.4.4　非直線接觸邊緣工況與不同摩擦力模型的比對 57
3.5　本章小結(jié) 61
第4章　基于拓展自由度的多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)測量與參數(shù)識(shí)別技術(shù)    63
4.1　相對運(yùn)動(dòng)測量與解算方法 64
4.2　復(fù)雜相對運(yùn)動(dòng)環(huán)境下對非合作目標(biāo)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的估計(jì)方法 68
4.2.1　基于幾何特征匹配的目標(biāo)質(zhì)心位置提取方法 69
4.2.2　基于拓展自由度的空間機(jī)械臂組合體動(dòng)力學(xué)模型分析 71
4.3　基于初值猜測的非合作目標(biāo)動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別方法 79
4.4　仿真驗(yàn)證 84
4.4.1　目標(biāo)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)間相對運(yùn)動(dòng)的測量策略 85
4.4.2　復(fù)雜相對運(yùn)動(dòng)環(huán)境下非合作目標(biāo)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別算法測試 87
4.5　本章小結(jié) 95
第5章　拓展自由度方法在空間單機(jī)械臂組合體系統(tǒng)中的應(yīng)用    97
5.1　任務(wù)場景定義與傳統(tǒng)機(jī)械臂零空間控制算法回顧 98
5.2　基于模式切換的空間非合作目標(biāo)組合體阻尼消旋穩(wěn)定控制方法 100
5.2.1　類阻尼消旋控制方法 101
5.2.2　第二類阻尼消旋控制方法 103
5.2.3　基于多工作模式切換的組合體穩(wěn)定消旋控制策略集成 105
5.3　考慮相對滑動(dòng)的空間非合作目標(biāo)組合體姿態(tài)機(jī)動(dòng)控制算法 107
5.4　仿真驗(yàn)證 109
5.4.1　基于模式切換的空間非合作目標(biāo)組合體阻尼消旋穩(wěn)定控制方法 110
5.4.2  基于模式切換的空間非合作目標(biāo)組合體姿態(tài)控制算法 116
5.5　本章小結(jié) 121
第6章　拓展自由度方法在帶有鉸間隙的多體系統(tǒng)中的應(yīng)用    122
6.1　撓性運(yùn)動(dòng)部件與星體姿態(tài)的耦合動(dòng)力學(xué)建模 123
6.1.1　任務(wù)場景定義 123
6.1.2　帶有運(yùn)動(dòng)天線的敏捷衛(wèi)星系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法 124
6.2　運(yùn)動(dòng)天線轉(zhuǎn)動(dòng)擾動(dòng)抑制與補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì) 129
6.2.1　基于動(dòng)力學(xué)模型的LPV誤差識(shí)別方法 129
6.2.2　一階滑模控制方法 130
6.2.3　針對天線撓性的討論 133
6.3　帶有間隙的多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)建模 134
6.3.1　任務(wù)場景介紹 134
6.3.2　二階滑模跟蹤控制方法的討論 138
6.3.3　鉸間隙對控制器的影響 138
6.4　仿真驗(yàn)證 139
6.4.1　不考慮鉸間隙的定點(diǎn)模式控制 140
6.4.2　不考慮鉸間隙的多體系統(tǒng)跟蹤模式控制 145
6.4.3　帶有鉸間隙的控制器設(shè)計(jì) 147
6.5　本章小結(jié) 151
第7章　拓展自由度方法在空間多機(jī)械臂組合體系統(tǒng)中的應(yīng)用    152
7.1　平面環(huán)境內(nèi)復(fù)雜多機(jī)械臂變拓?fù)湎到y(tǒng)的建模 153
7.2　基于拓展自由度的三維空間內(nèi)并聯(lián)多臂系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法 157
7.2.1　三維運(yùn)動(dòng)下摩擦力模型的拓展 157
7.2.2　基于接觸動(dòng)力學(xué)模型的多體系統(tǒng)建模方法 159
7.2.3　模型集成 163
7.3  仿真驗(yàn)證 166
7.3.1  二維環(huán)境任務(wù)場景仿真驗(yàn)證 166
7.3.2　多機(jī)械臂對于多體目標(biāo)的操控技術(shù)仿真 177
7.4　本章小結(jié) 182
第8章　拓展自由度方法在空間機(jī)械臂抓捕非合作目標(biāo)過程中的應(yīng)用    183
8.1  任務(wù)場景定義 184
8.1.1  單臂抓捕任務(wù)場景 184
8.1.2　多臂抓捕任務(wù)場景 186
8.2.抓捕策略設(shè)計(jì) 191
8.2.1  基于相對運(yùn)動(dòng)分解的空間單臂抓捕策略 191
8.2.2  基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的抓捕路徑規(guī)劃算法 199
8.3  仿真驗(yàn)證 209
8.3.1  單臂抓捕 209
8.3.2  多臂抓捕 216
8.4  本章小結(jié) 223
參考文獻(xiàn)    225