空间陀螺柔性多体系统动力学与控制研究

The space multibody systems have been actuated by joint actuators for decades. The torques and reaction torques at the joints make the dynamics of the system strongly coupled. Moreover, the number of the degrees of freedom for the system control input is limited by the joint actuation format,which makes it difficult to control the rigid motion and suppress the elastic vibration simultaneously. All the above factors make the high precision control of space multibody systems a challenging technical problem. To solve this problem, the gyroelastic multibody system is proposed in this project. The momentum exchange devices are mounted on the elastic body to control the rigid motion and suppress the elastic vibration simultaneously; and more importantly, it will reduce the dynamic coupling between the bodies. This study will conduct a systematic research into the dynamics and control of gyroelastic multibody systems. The main research contents include: dynamics and attitude/shape control of gyroelastic body with nonlinear dynamic properties; dynamic modeling of gyroelastic multibody systems; comparison of dynamics coupling between gyroelastic multibody systems and joint-actuated multibody systems; multi-objective control of gyroelastic multibody system; hybrid (joint motors and momentum exchange devices) actuation problem of gyroelastic multibody systems. On the completion of the project, it will provide new control schemes and methods for space flexible multibody systems, improve the control accuracy and further enrich the theories of dynamics and control of multibody systems.

目前，空间多柔体系统的多体运动均采用关节驱动方式实现，关节处的作用力矩/反作用力矩使得系统动力学耦合显著；此外，关节驱动方式也使得系统控制自由度受到很大限制。上述因素使得此类航天器的高精度控制问题一直是航天领域的技术难题。为解决这一问题，本项目提出空间陀螺柔性多体系统的概念，即在多柔体系统中的运动体上安装角动量交换装置，同时控制多体刚性运动和柔性振动，而关节处无需安装驱动机构。项目将系统地研究该类多体系统的动力学与控制问题，研究内容包括：具有非线性运动特性的空间陀螺柔性体动力学与姿态-形状协同控制；空间陀螺柔性多体系统的动力学建模方法研究；空间陀螺多体系统与关节驱动多体系统的动力学耦合对比研究；空间陀螺柔性多体系统多目标协调控制；混合执行机构的系统控制问题。项目完成后，将为空间多柔体系统提供新的控制方案和方法，有效地提高系统控制精度，并进一步丰富多柔体系统动力学与控制方面的研究成果。

本项目以空间机械臂系统以及空间多轴指向系统等多体系统为主要背景，研究空间陀螺柔性多体系统的动力学与控制问题。项目的主要研究内容包括：1. 空间陀螺柔性体动力学建模与模态分析；2. 空间陀螺柔性体执行机构与敏感器优化配置；3. 空间陀螺柔性体姿态-形状协同控制；4. 空间陀螺柔性多体系统的高效动力学建模；5. 空间间陀螺柔性多体系统多目标协调控制。. 研究表明：柔性体内部角动量可改变系统的阻尼和固有频率，可引起各向振动耦合效应，且具有两阶普通柔性结构不具备的伪刚体模态。对梁、板等结构，执行机构/敏感器配置在结构的边缘和顶角位置具有最好的能控/能观性，且执行机构/敏感器的配置数量可优化，并非越多越好。对执行机构/敏感器共位安装的约束边界陀螺柔性体，在反馈安装点角速度时，系统总是严格正实的；对自由边界陀螺柔性体，引入姿态角反馈可使系统符合严格正实性。对于陀螺柔性多体系统，递推动力学建模方法具有高计算效率，更适用于动力学计算与分析；组集建模方法可提供耦合型动力学模型，更适用于控制器设计。CMG驱动的空间机械臂系统相比传统的关节驱动系统，机械臂的运动对空间平台姿态干扰显著减小。对于冗余空间机械臂系统，通过轨迹规划算法，可有效降低CMG角动量饱和的可能性。安装于柔性臂杆的CMG可有效提高柔性臂杆的振动控制精度，较之传统的关节驱动方式，混合执行机构具有更好的控制性能。. 项目的研究揭示了陀螺柔性体的模态特性机理与动力学特性，并形成了系统的动力学建模、模态特性分析以及姿态-形状协同控制的方法体系。对陀螺柔性多体系统，研究得到了普适的动力学高效建模方法以及性能优越的多目标协调控制方法，并提出了多自由度球铰连接的空间机械臂等新的设计概念。项目的研究丰富了陀螺柔性体以及多体系统动力学和控制领域的研究成果，为空间大型柔性结构和多体系统的高精度控制提供了新的设计概念和方法。