空间可重构绳系编队飞行机器人动力学与构形控制研究

To solve the fuel consumption and synchronization of spacecrafts before and after formation flying, a space reconfigurable tethered formation flying robot is proposed in the project. The several microsatellites included in the robot system will implement structure separation and integration according to the task requirements which can reduce the complexity of control and improve the system stability. The multi-step deployment and integration method of formation flying and the scheme of docking integration using the tether as the guide are put forward. The main contents of this application are as follows. A rigid-flexible coupling multi-body dynamic model is to be established in terms of the tethered flying robot considering the tether nonlinearity. Then, control strategies for ejection expansion, configuration preservation and docking reconstruction are proposed. Lastly, the ground simulation experiment is conducted to validate the established dynamic model and the proposed control strategies. The study of this application is a basic research on the deployment of space large flexible materials (such as solar film and tethered net) which can provide theoretical guidance for solar power generation, deep space exploration and capture of space debris.

针对现有空间航天器编队飞行存在的燃料消耗及编队前后各航天器的同步性问题，本项目提出了一种空间可重构绳系编队飞行机器人，组成机器人系统的多个微卫星可根据任务需求进行结构分离与重构以降低控制的复杂性并提高系统的稳定性。根据结构特点，提出了分步式绳系编队弹射展开与对接重构方法，并给出了一种利用系绳引导实现微卫星的对接重构方案。本申请的具体研究内容包括：建立包含系绳非线性特性的可重构绳系编队飞行机器人刚柔耦合多体动力学模型；提出可重构绳系编队飞行机器人弹射展开、构形保持及对接重构等构形控制策略，实现系统编队飞行过程中系绳非负张力控制；研制可重构绳系编队飞行机器人地面实验系统并进行典型控制模拟，验证动力学模型的正确性及控制策略的有效性。本申请的研究工作是空间大型柔性材料展开（太阳薄膜、绳网等）的基础性工作，可为未来空间太阳能发电、深空探测及碎片捕获等提供一定的理论指导。

本项目空间可重构绳系编队飞行机器人为研究对象，针对绳系编队机器人的动力学及控制技术，主要的研究工作和相应成果如下：(1) 综述了多种空间柔性捕获技术的原理及性能特点，给出了一些具有代表性的案例。对比分析现有的几种常用的接触式消旋方法，以空间绳系捕获技术作为空间柔性捕获的代表，对系绳模型及系绳控制机构进行了综述。(2) 提出了一种用于空间绳系编队飞行的可重组机构，由四个结构相同的子机构构成，可提高绳系编队飞行的可靠性、降低控制的复杂性。基于此可重组机构，给出了适用于空间及水下目标物捕获的绳网捕获系统。(3) 开展了空间常用的凯夫拉柔性系绳非线性建模技术，重点研究了凯夫拉蠕变特性、非线性刚度等绳静态特性，准静态迟滞特性以及包含刚度、阻尼及动态迟滞项的动态特性。(4) 设计了以反馈线性化、近似线性化控制及滑模变结构控制为基础的空间绳系组合体消摆策略，在数值仿真软件中进行了不控条件与受控条件下的仿真，利用搭建的实验平台进行了消摆实验。(5) 研制了地面气浮实验平台，研究了地面气浮平台系统组成及基于机器视觉的目标物追踪技术。