空间合作目标运动再现中的建模与控制

空间合作目标的运动再现是将空间微重力环境下对空间合作目标与合作任务的影响通过地面物体的不同运动近似出来，这种再现不同于目前普遍使用的数值仿真和半实物仿真，是一种不受时间和空间限制的原理验证，具有很大的发展潜力，代表了当前空间合作研究的发展趋势。本项目针对运动再现中有关运动环境的建立，运动规划的确定以及运动信息的处理等问题开展研究，主要内容包括：（1）运动再现中受控多体系统的建模；（2）运动再现中的微重力补偿；（3）运动再现中的优化与协调控制；（4）运动再现中的网络与视觉信息快速融合；（5）运动再现原理验证系统研制。所获成果期望为我国空间科学研究提供基础理论和技术支撑，促进未来空间合作实验先期在地面更为精确地进行，以降低其型号研制风险，提高可靠性，缩短研究周期，节省投资，加快我国航天事业的发展步伐，大幅度提升我国的制天能力和可持续发展的潜力。

空间合作目标运动再现是将空间微重力环境对空间合作目标与合作任务的影响通过地面物体的不同运动近似重现出来，旨在提出先进的控制方法，发展相应的实现技术，建立一种不受时间与空间限制的空间运动验证环境，完整再现航天器的绝对与相对轨道与姿态运动。本项目围绕受控多体系统建模，重力补偿，多体系统协调控制与优化，运动信息处理及原理验证等核心内容开展研究，主要成果包括：1）建立了耦合拓扑结构下受控多体系统之间的相对运动学关系，及考虑控制器耦合作用的系统动力学模型。基于相似性定理给出了运动再现的相似动力学模型及相似度评价准则，从理论上保证了地面验证的等效性；2）设计了验证轨道运动的全方位自由基座以及运动物体重力补偿的悬挂系统，解决了基座自主实时定位、悬挂系统随动跟踪控制、张力主动悬挂设计控制等关键问题，建了不受时空约束的地面可移动微重力环境；3）提出了多运动基座的一致性控制，编队控制，以及面向运动再现系统跨尺度特征的跨尺度控制等多种控制方法，实现了运动再现中复杂大系统协调控制与优化；4）提出了运动图像跨尺度描述及融合方法，改进了图像数字采集、传输与处理的速度与质量，保证了空间运动再现系统中视觉跟踪性能能够满足要求；5）研制了运动再现原理验证系统，通过各子系统间的优化集成与协调控制，追踪航天器能够在移动微重力环境中完成相应的位姿调整任务，进而实现空间合作过程的地面再现。本项目已发表SCI论文122篇，EI论文65篇，专利授权15项，软件著作权登记4项，获国家技术发明二等奖1项,第21届国际人工生命与机器人会议杰出贡献奖1项。这些成果为进一步深入开展空间合作控制研究奠定了坚实的基础。