基于超二次曲面的柔性航天器避障机动研究

摘要

航天科技的未来发展迫切需要掌握卫星编队飞行、在轨服务以及大型空间结构在轨组装等先进航天技术。此类任务涉及多空间物体的接近操作，必须避免因几何外形干涉所导致的碰撞。目前针对航天器避障的研究大多基于刚体动力学，不考虑柔性变形因素对避障机动的影响。然而，航天器机动过程可能激发结构的柔性振动。此外，太空环境中柔性部件的振动往往衰减缓慢。结构振动不但会影响耦合系统的姿态稳定，还会降低后续工作的精度和效率，甚至直接导致任务的失败。
　　本文主要研究带柔性附件航天器在障碍物环境中的位置、姿态机动问题。主要研究内容和结果如下：
　　1.将带柔性附件航天器系统简化为中心刚体—柔性梁系统。分别通过假设模态法和经典卡尔丹角，对柔性梁横向振动和航天器本体姿态进行描述。基于拉格朗日方程建立了带柔性梁附件航天器三维动力学模型。
　　2.同时考虑带柔性附件航天器和障碍物几何外形，利用超二次曲面建立了空间物体防碰撞包围盒模型。根据包围盒间距离和防碰撞人工势函数梯度，对航天器本体施加排斥力和力矩，实现防碰撞控制。
　　3.假定附件柔性变形不可测，仅以航天器本体状态信息为反馈量，设计了两类位置、姿态机动控制律。一是借鉴通常的刚体卫星位姿控制思路，设计了位置PD控制以及姿态四元数反馈控制律；二是基于对系统的无源特性分析和能量控制思想，设计了广义坐标及其变化率反馈控制律。最终，将位姿控制力/力矩与避障排斥力/力矩相叠加，得到系统位姿机动和避障联合控制力。通过数值仿真算例研究，验证了所述方法的有效性。

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注释表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 带柔性附件航天器的动力学建模

1.3 航天器避障控制

1.4 挠性航天器控制

1.5 本文研究内容与结构安排

第二章 动力学建模及避障势函数设计

2.1 带柔性附件航天器的动力学建模

2.2 基于超二次曲面的避障势函数设计

2.3 小结

第三章 带柔性附件航天器的运动与避障控制

3.1 航天器的运动控制

3.2 运动和避障联合控制律

3.3 小结

第四章 算例仿真研究

4.1 基于距离的人工势场和基于距离及速度的人工势场对比

4.2 基于两种位姿反馈控制算例对比

4.3参数设置对于避障任务的影响

4.4 小结

第五章 总结

5.1 本文的主要工作与贡献

5.2 未来工作展望

参考文献

致谢

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