基于柔索驱动并联机构的航天器月面起飞模拟技术研究

The technology of taking off lunar is the key for lunar exploration project, which is of great importance for the returning of spacecraft from lunar. To verify the stability of spacecraft when taking off lunar, the force state of the spacecraft needs to be simulated accurately, which is the key of the take-off from lunar. A flexible cable driven parallel mechanism is used to simulate the instant force state of the spacecraft when taking off lunar and a force-controlled simulation method based on the feedback of spacecraft’s attitude is proposed. In this method, the force of the spacecraft is simulated simultaneously based on the real-time measurement of spacecraft’s attitude to verify the stability of the take-off process. To realize the high frequency and high accuracy control, the basic theories of cable driven parallel mechanism force optimization, real-time servo control of multi-axis force, and control of flutter suppression are studied. The models of the flexible cable’s elasticity and the force parallel inverse solution are derived. The mechanical propertiesis are analyzed adequately, and the algorithm of servo control is studied. Finally, experiment is designed to verify the effect in engineering application. The innovation of this project is the use of force control simulation method based on attitude feedback, to achieve control simulation over 1kHz frequency, which meets the accuracy and real-time requirements.

月面起飞技术是我国探月工程的关键技术，对航天器月面返回的成败有至关重要的意义。准确模拟月面起飞瞬间航天器的受力状态,进而验证起飞过程稳定性，是月面起飞技术的关键环节。本项目采用柔索驱动并联机构来模拟月面起飞瞬间航天器的受力状态，提出基于姿态反馈的力控模拟方法。该方法通过实时测量航天器姿态，对航天器受力进行实时模拟，从而验证起飞过程稳定性。针对控制频率和控制精度要求高的问题，开展柔索驱动并联机构索力优化、多轴的力实时控制策略、振颤抑制控制策略等基础理论研究。项目采用理论推导的方法得到柔索弹性模型和力并联逆解模型，进而对索并联机构力特性进行深入分析，并进行系统伺服控制算法的研究，最后通过实验验证本项目所提出的模拟方法的工程应用效果。本项目创新之处在于使用基于姿态反馈的力控模拟方法，使模拟系统能够达到1kHz以上的控制频率，满足模拟的准确性、实时性要求。

月面起飞技术是我国探月工程的关键技术，对航天器月面返回的成败有至关重要的意义。准确模拟月面起飞瞬间航天器的受力状态,进而验证起飞过程稳定性，是月面起飞技术的关键环节。本项目采用柔索驱动并联机构来模拟月面起飞瞬间航天器的受力状态，提出基于姿态反馈的力控模拟方法。该方法通过实时测量航天器姿态，对航天器受力进行实时模拟，从而验证起飞过程稳定性。针对控制频率和控制精度要求高的问题，开展柔索驱动并联机构支链拉力优化、多轴力伺服实时控制、振颤抑制控制等基础理论研究。项目采用理论推导的方法得到柔索弹性模型和力并联逆解模型，进而对索并联机构力特性进行深入分析，并进行系统伺服控制算法的研究，最后通过实验验证本项目所提出的模拟方法的工程应用效果。本项目创新之处在于使用基于姿态反馈的力控模拟方法，使模拟系统能够达到1kHz以上的控制频率，满足模拟的准确性、实时性要求。.研究基本按照原计划执行。（1）对索振颤机理与模型精度开展了研究，利用Hessian矩阵建立了完整刚度模型，区分出主动刚度和被动刚度并进行刚度分析及相关振动特性的分析；（2）对航天器月面起飞模拟的精度进行综合性研究，在考虑输入饱和和状态受限的情况下，位置误差和姿态误差均可以被控制在一定范围内，同时保证控制过程中，分析出九索并联机构索力连续变化且满足索力限制的条件，使用电流力控模式替代力位混合控制模式。力位混合控制方案的力输出均方根误差在 10%左右，而电流力控模式下的力输出均方根误差在5%以下，误差降低了50%。.在九索冗余并联机构中引入电流力控模式使得控制精度得到了大幅提高，从而使得索驱动并联机构在高精度力控制领域的应用找到了突破，这对于索驱动并联机构用于动力学过程模拟，尤其是航天器推进过程中的动力学过程模拟具有重要的推动意义。