基于涡流效应的空间翻滚非合作目标主动姿态稳定方法研究

The active control of uncooperative tumbling target to stabilize its attitude before capture is essential to minimize collision risk and facilitate the motion tracking and attitude synchronization during autonomous docking to the tumbling target. Consequently, a non-contact method based on eddy current effect is put forwarded to stabilize the attitude of uncooperative target. The method utilizes the interaction force between the source magnetic field and the induced eddy current to stabilize the target motion. Aiming at the generation of multidimensional eddy current force and its active control, the project first investigate the main properties of eddy current force and optimize the magnetic field structure based on the theoretical model of multidimensional eddy current force on the target surface. Then the required torque to damp the spin and nutational motion of the target is analyzed using the built dynamic model and the control strategy of magnetic field is designed to detumble the target and redirect its attitude. The characteristics of the eddy current force and the stabilized attitude would be verified using the designed multidimensional eddy current brake ground microgravity simulation platform. The feasibility of this method in space capture would be tested by experiments. The project would provide new solutions for the development of on-orbit capture technology.

在空间翻滚非合作目标在轨捕获过程中，为减少碰撞事故发生和便于运动目标的跟随及协同控制，在捕获目标之前对其进行主动的姿态稳定控制是非常必要的。为此本项目提出了一种基于涡流效应的空间翻滚非合作目标非接触式姿态稳定方法。该方法利用源磁场与翻滚目标表面感生涡流磁场之间的电磁作用力，实现翻滚非合作目标的姿态稳定。研究围绕多维涡流作用力的产生和控制方式展开，首先建立运动磁场作用下非合作目标表面多维涡流力作用机理模型，分析源磁场主要参数对涡流力影响规律，优化设计源磁场拓扑结构；然后通过翻滚目标动力学特性建模分析，得到目标自旋及章动衰减的制动力矩需求，确定涡流力衰减目标翻滚运动、重定向目标姿态的磁场控制策略；最后搭建多自由度微重力环境涡流制动测试平台，利用该平台研究多维涡流作用力的产生及姿态稳定效果，验证理论分析的正确性。本项目的研究必将为空间在轨捕获技术的发展提供新的研究思路。

失效航天器等非合作目标的翻滚运动对其抓捕及后续移除带来极大的碰撞风险。对于这种处于无规律翻滚动作的空间非合作目标，如能通过非接触消旋方式使其转速降低、姿态稳定，则必然有利于后续的直接捕获操作。本项目在深入研究磁场与导电目标相互作用原理的基础之上，提出了一种基于旋转磁场的非接触电磁消旋方法，研究了旋转磁场稳定目标自旋及章动运动的原理，建立了消旋过程中的动力学模型并推导了消旋末端执行器的控制策略，搭建了三自由度模拟平台对非接触电磁消旋过程进行了实验验证。本研究势必为实现空间非合作目标姿态稳定控制提供新的技术手段，也必将为空间在轨捕获技术发展提供新的研究思路。.在电磁消旋涡流力/力矩作用原理建模方面，提出了一种旋转磁场式的磁场源结构，并利用旋转磁场在气隙均匀时的阻尼特性和气隙不均时的回复特性分别衰减目标的自旋和章动运动，实现了多自由度电磁消旋力矩的构建。建立了电磁力分析的解析模型，利用该解析模型确定了磁场源的最优设计参数。可以通过减小作用距离、提高磁场源平均半径设计参数、优化励磁参数提升电磁消旋力矩。.在电磁消旋系统运动学及动力学建模分析方面，分析了翻滚非合作目标典型的运动特性，建立了由服务航天器、机械臂及电磁消旋末端执行器和翻滚目标构成的电磁消旋系统的整体动力学模型，并分析了消旋过程中地磁场与电磁消旋磁场源之间相互作用时产生的扰动力和力矩的变化规律。将磁场源总磁矩最小作为磁场源设计基本原则，有效减小了地磁干扰。.在电磁消旋控制方面，针对低速翻滚目标提出了章动跟踪的消旋策略，针对机械臂难以跟踪的高速翻滚目标提出了目标质心位置跟踪的消旋策略，并进行了仿真验证。结果表明，所设计末端执行器连续跟踪目标章动的控制策略能够快速稳定目标自旋及章动运动，跟踪目标质心位置的消旋方法优势在可以快速稳定目标章动，且对惯量非对称目标有效。两种消旋方式结合起来实施时，可以更加高效的实现高速翻滚目标的消旋。.在电磁消旋地面实验模拟方面，利用双目相机搭建了非合作目标位姿及转速辨识系统，实现了目标位姿及转速的辨识。同时搭建了基于气浮球轴承的目标三自由度翻滚运动模拟系统，借助KUKA 6自由度工业机器人及电磁消旋末端执行器对目标三自由度翻滚运动消旋过程进行模拟实验，利用所设计的旋转磁场末端执行机构对低速翻滚目标的章动跟踪及高速翻滚目标的质心位置跟踪消旋策略进行了验证，可以完成目标三轴角速度的同步衰减。