復(fù)合材料空間可展結(jié)構(gòu)柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)研究基本信息

為了減輕自重增大有效載荷，航天器空間可展結(jié)構(gòu)普遍使用纖維增強復(fù)合材料。本項目主要研究如何將已有的各向同性多柔體系統(tǒng)動力學(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)的大范圍剛體運動和彈性變形相耦合的動力學(xué)行為，為包括材料設(shè)計在內(nèi)的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、控制和安全性評估提供高效可靠的分析工具。 2100433B

針對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)境運行的特點：系統(tǒng)模型高階且低階振動模態(tài)頻率低，阻尼弱。在調(diào)姿、變軌和溫度變化易引起振動和顫振問題，將影響航天器的穩(wěn)定性和指向精度。本項目采用動力學(xué)建模、數(shù)值計算和有限元分析方法等對空間柔性多體結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性分析；研究為低階控制器設(shè)計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)動器優(yōu)化配置方法，尤其是異位配置時閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自適應(yīng)時延補償算法；研究振動和顫振的自適應(yīng)控制方法及策略，進行穩(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等建立鉸接鎖緊板和柔性機械臂兩套柔性多體試驗裝置，進行振動和顫振辨識、主動控制試驗研究，驗證所探索的理論方法和技術(shù)。本項目采用理論和試驗相結(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：系統(tǒng)模型高階且低階振動模態(tài)頻率低，阻尼弱；在調(diào)姿、變軌和溫度變化易引起振動和顫振問題。研究了柔性多體結(jié)構(gòu)動力學(xué)、有限元建模、振動和顫振特性分析。研究智能結(jié)構(gòu)傳感器和驅(qū)動器優(yōu)化配置方法，分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自適應(yīng)時延補償算法。研究了基于模型降階和低階模型匹配的振動和顫振抑制的智能、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)動器、伺服電機、氣壓驅(qū)動和SMA驅(qū)動等建立實驗裝置，包括鉸接鎖緊板和柔性機械臂等實驗系統(tǒng)。進行振動和顫振辨識、主動控制算法的試驗研究，驗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)，進行了傳感器和驅(qū)動器優(yōu)化配置，實現(xiàn)了彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)在檢測和驅(qū)動上的解耦。進行了彎曲和扭轉(zhuǎn)振動的非線性控制和T-S模糊控制仿真和實驗研究，實現(xiàn)了快速振動抑制。(2) 提出了一種基于端部CCD相機視覺檢測，進行柔性板結(jié)構(gòu)的彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動檢測方案和圖像處理方法。并進行了有限時間快速殘余振動控制實驗研究。(3) 研制了一種基于滾珠絲杠驅(qū)動的壓電柔性臂系統(tǒng)，進行了特征模型的低階模型匹配的自適應(yīng)非線性控制實驗研究。(4) 研制了一種諧波齒輪傳動的壓電鉸接梁系統(tǒng)和一種基于行星減速器驅(qū)動的壓電雙柔性梁系統(tǒng)，分別進行了模糊終端滑?？刂坪头謱舆f推控制實驗研究。(5) 提出并研制了基于有桿氣缸和無桿氣缸驅(qū)動的壓電柔性臂系統(tǒng)，進行了模糊自適應(yīng)控制、自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)映射控制、自適應(yīng)時延補償控制等算法的仿真和實驗研究，實現(xiàn)了振動有效控制。(6) 研制了壓電固支板結(jié)構(gòu)，進行了自適應(yīng)濾波前饋Filter-X LMS、自適應(yīng)前饋結(jié)合反饋控制FULMS等算法仿真和實驗研究。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期刊和會議文章8篇，授權(quán)專利11件，申請發(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)在軌建造與維護的需求，開展大型空間結(jié)構(gòu)在軌裝配的多臂空間機器人協(xié)調(diào)控制研究，包括：(1)建立柔性多臂空間機器人裝配大型柔性結(jié)構(gòu)過程中的變構(gòu)型剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，分析各種構(gòu)型下系統(tǒng)的動力學(xué)耦合特性，得出空間機械臂、載荷及其基座之間剛性運動、柔性振動等的耦合關(guān)系；(2) 提出多臂空間機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，機械臂末端與載荷的接觸碰撞動力學(xué)模型，并提出利用雙臂的協(xié)調(diào)運動最小化碰撞效應(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)劃與振動抑制方法。. 課題的研究順應(yīng)了我國大力發(fā)展空間機器人在軌服務(wù)技術(shù)的大方向，研究成果對于未來大型航天系統(tǒng)在軌組裝、維護、拆解等任務(wù)，具有重要的理論和實際意義。