微纳探测器自展开柔性伸杆机构姿轨-展开-振动耦合系统建模与抑振方法研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
50905006
项目类别：
青年科学基金项目
资助金额：
20.0万
负责人：
楚中毅
依托单位：
北京航空航天大学
学科分类：
E0501.机器人与机构学
结题年份：
2012
批准年份：
2009
项目状态：
已结题
起止时间：
2010-01-01 至2012-12-31

项目参与者：
周向阳；宁晓琳；王利民；孙科；陶冶；杜磊；魏学敏；
关键词：
动力学微纳探测器自展开伸杆机构振动抑制柔性

项目摘要

微纳探测器自展开柔性伸杆机构是空间环境探测和天基遥感系统等领域的支撑性技术，后展开柔性伸杆附件的振动抑制是实现高精度指向的重要保证。本项目针对微纳探测器自展开伸杆机构实际应用中的动力学及振动抑制问题进行系统深入研究。首先，分析柔性多功能铰锁的力矩驱动特性，考虑轨道力学因素以及伸杆机构与中心体运动的动力学耦合等影响，基于姿/轨-展开-振动耦合系统的分析方法建立伸杆机构的展开动力学模型，有效预估在轨动态特性和展开运动过程中的特征参数。在此基础上，设计基于自适应指令整形技术结合变结构扰动观测器的分层复合鲁棒自适应主动振动控制方法，抑制后展开伸杆机构的残余振动以实现高精度指向的目的。项目所涉及的研究内容均为设计和应用微纳探测器自展开柔性伸杆机构亟需解决的关键问题，在理论和应用上均具有重要的研究价值。

结项摘要

微纳探测器自展开柔性伸杆机构是空间环境探测和天基遥感系统等领域的支撑性技术，后展开柔性伸杆附件的振动抑制是实现高精度指向的重要保证。本项目针对微纳探测器自展开伸杆机构实际应用中的动力学及振动抑制问题进行了深入研究。在考虑轨道力学因素以及伸杆机构与中心体运动的动力学耦合等影响的基础上，基于姿/轨—展开—振动耦合系统的分析方法建立了微纳探测器中心体-柔性伸杆机构的耦合动力学模型并进行了仿真研究。在此基础上，微纳探测器本体建模中考虑了执行机构的模型，并针对在运行过程中受到的各种不确定因素影响，研究了以单框架控制力矩陀螺簇(SGCMGs)为执行机构的中心体姿态机动和姿态跟踪问题，设计了一种具有自适应能力的控制系统并进行了半物理仿真实验研究。针对伸杆机构的高精度指向控制问题，首先在理想刚性模型假设条件下，考虑杆臂和关节电机驱动器存在的各类模型不确定性和未建模动态的影响，提出了一种基于模糊自适应扰动观测器的伸杆机构高精度指向控制方法。进一步考虑到伸杆机构的柔性影响，提出了一种基于自适应指令整形技术的柔性伸杆机构振动抑制方法，采用经验传递函数估计方法建立最优指令整形器的自调整机制，设计改进的自适应指令整形器，结合金字塔构型的单框架控制力矩陀螺簇为本体执行机构进行了半物理仿真实验验证。同时，考虑到柔性伸杆的残余振动不可避免地会耦合作用到微纳探测器本体，在本体反馈控制中设计了自适应扰动抑制滤波器来进一步抵消柔性伸杆残余振动对本体的干扰影响，引入自适应陷波滤波器设计扰动抑制滤波器参数的自调整机制，提高其对变频干扰的鲁棒性，在有效抑制柔性伸杆残余振动的基础上，通过干扰抵消和抑制的控制策略显著提高微纳探测器本体的姿态控制精度和稳定度，并在搭建的半物理仿真实验平台上开展了相关的半物理实验研究。在相关理论方法研究的基础上，还进行了探测载荷支撑用伸缩式空间伸杆机构的样机研制及其优化设计，对伸杆机构的应力、应变、能量传递关系在内的多项参数进行理论分析，完成伸杆、展开/收缩机构及其附属支撑装置的设计。并考虑系统存储体积、伸杆材料许用应力、一阶振动频率等约束条件，基于顺序二次规划法（SQP）对伸杆本体和展开/收缩机构进行了优化设计。相关研究工作为设计和应用微纳探测器自展开柔性伸杆机构奠定了坚实的理论和技术基础。