《空間陀螺柔性多體系統動力學與控制研究》是依託北京航空航天大學，由賈英宏擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：空間陀螺柔性多體系統動力學與控制研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：賈英宏
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
目前，空間多柔體系統的多體運動均採用關節驅動方式實現，關節處的作用力矩/反作用力矩使得系統動力學耦合顯著；此外，關節驅動方式也使得系統控制自由度受到很大限制。上述因素使得此類太空飛行器的高精度控制問題一直是航天領域的技術難題。為解決這一問題，本項目提出空間陀螺柔性多體系統的概念，即在多柔體系統中的運動體上安裝角動量交換裝置，同時控制多體剛性運動和柔性振動，而關節處無需安裝驅動機構。項目將系統地研究該類多體系統的動力學與控制問題，研究內容包括：具有非線性運動特性的空間陀螺柔性體動力學與姿態-形狀協同控制；空間陀螺柔性多體系統的動力學建模方法研究；空間陀螺多體系統與關節驅動多體系統的動力學耦合對比研究；空間陀螺柔性多體系統多目標協調控制；混合執行機構的系統控制問題。項目完成後，將為空間多柔體系統提供新的控制方案和方法，有效地提高系統控制精度，並進一步豐富多柔體系統動力學與控制方面的研究成果。
結題摘要
本項目以空間機械臂系統以及空間多軸指向系統等多體系統為主要背景，研究空間陀螺柔性多體系統的動力學與控制問題。項目的主要研究內容包括：1. 空間陀螺柔性體動力學建模與模態分析；2. 空間陀螺柔性體執行機構與敏感器最佳化配置；3. 空間陀螺柔性體姿態-形狀協同控制；4. 空間陀螺柔性多體系統的高效動力學建模；5. 空間間陀螺柔性多體系統多目標協調控制。 研究表明：柔性體內部角動量可改變系統的阻尼和固有頻率，可引起各向振動耦合效應，且具有兩階普通柔性結構不具備的偽剛體模態。對梁、板等結構，執行機構/敏感器配置在結構的邊緣和頂角位置具有最好的能控/能觀性，且執行機構/敏感器的配置數量可最佳化，並非越多越好。對執行機構/敏感器共位安裝的約束邊界陀螺柔性體，在反饋安裝點角速度時，系統總是嚴格正實的；對自由邊界陀螺柔性體，引入姿態角反饋可使系統符合嚴格正實性。對於陀螺柔性多體系統，遞推動力學建模方法具有高計算效率，更適用於動力學計算與分析；組集建模方法可提供耦合型動力學模型，更適用於控制器設計。CMG驅動的空間機械臂系統相比傳統的關節驅動系統，機械臂的運動對空間平台姿態干擾顯著減小。對於冗餘空間機械臂系統，通過軌跡規划算法，可有效降低CMG角動量飽和的可能性。安裝於柔性臂桿的CMG可有效提高柔性臂桿的振動控制精度，較之傳統的關節驅動方式，混合執行機構具有更好的控制性能。 項目的研究揭示了陀螺柔性體的模態特性機理與動力學特性，並形成了系統的動力學建模、模態特性分析以及姿態-形狀協同控制的方法體系。對陀螺柔性多體系統，研究得到了普適的動力學高效建模方法以及性能優越的多目標協調控制方法，並提出了多自由度球鉸連線的空間機械臂等新的設計概念。項目的研究豐富了陀螺柔性體以及多體系統動力學和控制領域的研究成果，為空間大型柔性結構和多體系統的高精度控制提供了新的設計概念和方法。
