復(fù)合材料空間可展結(jié)構(gòu)柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究

為了減輕自重增大有效載荷，航天器空間可展結(jié)構(gòu)普遍使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。本項(xiàng)目主要研究如何將已有的各向同性多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法推廣到各向異性多柔體系統(tǒng)，用來預(yù)測復(fù)合材料空間伸展結(jié)構(gòu)的大范圍剛體運(yùn)動(dòng)和彈性變形相耦合的動(dòng)力學(xué)行為，為包括材料設(shè)計(jì)在內(nèi)的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、控制和安全性評(píng)估提供高效可靠的分析工具。 2100433B

針對(duì)空間鉸接鎖緊柔性帆板和空間柔性臂等柔性多體結(jié)構(gòu)，在空間環(huán)境運(yùn)行的特點(diǎn)：系統(tǒng)模型高階且低階振動(dòng)模態(tài)頻率低，阻尼弱。在調(diào)姿、變軌和溫度變化易引起振動(dòng)和顫振問題，將影響航天器的穩(wěn)定性和指向精度。本項(xiàng)目采用動(dòng)力學(xué)建模、數(shù)值計(jì)算和有限元分析方法等對(duì)空間柔性多體結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性分析；研究為低階控制器設(shè)計(jì)的模型降階和低階模型匹配方法；研究智能結(jié)構(gòu)傳感器和驅(qū)動(dòng)器優(yōu)化配置方法，尤其是異位配置時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自適應(yīng)時(shí)延補(bǔ)償算法；研究振動(dòng)和顫振的自適應(yīng)控制方法及策略，進(jìn)行穩(wěn)定性理論分析、數(shù)學(xué)仿真。擬采用智能結(jié)構(gòu)材料PZT、SMA、以及加速度傳感器、視覺傳感器和伺服電機(jī)等建立鉸接鎖緊板和柔性機(jī)械臂兩套柔性多體試驗(yàn)裝置，進(jìn)行振動(dòng)和顫振辨識(shí)、主動(dòng)控制試驗(yàn)研究，驗(yàn)證所探索的理論方法和技術(shù)。本項(xiàng)目采用理論和試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，旨在為柔性多體結(jié)構(gòu)控制工程實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)和新的技術(shù)途徑。

空間鉸接柔性帆板和空間柔性臂等柔性多體結(jié)構(gòu)在空間環(huán)境的特點(diǎn)：系統(tǒng)模型高階且低階振動(dòng)模態(tài)頻率低，阻尼弱；在調(diào)姿、變軌和溫度變化易引起振動(dòng)和顫振問題。研究了柔性多體結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、有限元建模、振動(dòng)和顫振特性分析。研究智能結(jié)構(gòu)傳感器和驅(qū)動(dòng)器優(yōu)化配置方法，分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自適應(yīng)時(shí)延補(bǔ)償算法。研究了基于模型降階和低階模型匹配的振動(dòng)和顫振抑制的智能、自適應(yīng)和非線性控制方法。采用智能結(jié)構(gòu)材料PZT傳感器、加速度傳感器、視覺傳感器，壓電驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、氣壓驅(qū)動(dòng)和SMA驅(qū)動(dòng)等建立實(shí)驗(yàn)裝置，包括鉸接鎖緊板和柔性機(jī)械臂等實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。進(jìn)行振動(dòng)和顫振辨識(shí)、主動(dòng)控制算法的試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了研究理論方法和技術(shù)。主要研究內(nèi)容、重要結(jié)果、關(guān)鍵數(shù)據(jù)：(1) 研制了一種壓電鉸接柔性板結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了傳感器和驅(qū)動(dòng)器優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)了彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)在檢測和驅(qū)動(dòng)上的解耦。進(jìn)行了彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的非線性控制和T-S模糊控制仿真和實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了快速振動(dòng)抑制。(2) 提出了一種基于端部CCD相機(jī)視覺檢測，進(jìn)行柔性板結(jié)構(gòu)的彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動(dòng)檢測方案和圖像處理方法。并進(jìn)行了有限時(shí)間快速殘余振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)研究。(3) 研制了一種基于滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的壓電柔性臂系統(tǒng)，進(jìn)行了特征模型的低階模型匹配的自適應(yīng)非線性控制實(shí)驗(yàn)研究。(4) 研制了一種諧波齒輪傳動(dòng)的壓電鉸接梁系統(tǒng)和一種基于行星減速器驅(qū)動(dòng)的壓電雙柔性梁系統(tǒng)，分別進(jìn)行了模糊終端滑模控制和分層遞推控制實(shí)驗(yàn)研究。(5) 提出并研制了基于有桿氣缸和無桿氣缸驅(qū)動(dòng)的壓電柔性臂系統(tǒng)，進(jìn)行了模糊自適應(yīng)控制、自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)映射控制、自適應(yīng)時(shí)延補(bǔ)償控制等算法的仿真和實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)有效控制。(6) 研制了壓電固支板結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了自適應(yīng)濾波前饋Filter-X LMS、自適應(yīng)前饋結(jié)合反饋控制FULMS等算法仿真和實(shí)驗(yàn)研究。相關(guān)研究成果發(fā)表文章SCI檢索12篇，錄用國際刊物6篇，發(fā)表EI期刊和會(huì)議文章8篇，授權(quán)專利11件，申請(qǐng)發(fā)明專利11件。研究成果為相關(guān)柔性結(jié)構(gòu)控制工程實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)和新的技術(shù)途徑。 2100433B

本課題面向我國空間站以及未來其他大型航天器系統(tǒng)在軌建造與維護(hù)的需求，開展大型空間結(jié)構(gòu)在軌裝配的多臂空間機(jī)器人協(xié)調(diào)控制研究，包括：(1)建立柔性多臂空間機(jī)器人裝配大型柔性結(jié)構(gòu)過程中的變構(gòu)型剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，分析各種構(gòu)型下系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)耦合特性，得出空間機(jī)械臂、載荷及其基座之間剛性運(yùn)動(dòng)、柔性振動(dòng)等的耦合關(guān)系；(2) 提出多臂空間機(jī)器人在軌操作大載荷過程中，保持基座穩(wěn)定的無奇異路徑規(guī)劃與控制方法；(3) 建立多臂傳遞大型撓性載荷過程中，機(jī)械臂末端與載荷的接觸碰撞動(dòng)力學(xué)模型，并提出利用雙臂的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)最小化碰撞效應(yīng)的路徑規(guī)劃與控制方法；(4) 提出雙臂抓持撓性載荷形成閉鏈后雙臂協(xié)調(diào)操作的軌跡規(guī)劃與振動(dòng)抑制方法。. 課題的研究順應(yīng)了我國大力發(fā)展空間機(jī)器人在軌服務(wù)技術(shù)的大方向，研究成果對(duì)于未來大型航天系統(tǒng)在軌組裝、維護(hù)、拆解等任務(wù)，具有重要的理論和實(shí)際意義。