面向空间光学载荷的粗、精级并联式指向及稳定一体化技术研究

With the development of the space optical payload, the demanding to the large adjustment range and high stability are increasing. Therefore, this project presents a novel kind of parallel coarse and fine pointing and stability technology based on the previous research. By combing the the strengths of the parallel precise positioning technology and the parallel quick response technology, this technology can achieve the large adjustment range and the high stability though controlling the six parallel coarse and fine actuators. This technology can realize a wide range of adjustment by coarse control, and improve the stability by the compensating the optical axis jitter caused by the vibration of the satellite by fine control. Compared to the series coarse and fine pointing and stability technology, this technology has the advantages of compact structure, small mass and size, so it is more applicable to be used in space. This project will research the configuration optimization, kinematics and dynamic model, control strategy and experiment. Some key scientific problems will be solved, include the multi-objective configuration optimization, the kinematics model with the actuators’ length constraint and the robust control based on the object space and so on. The breakthrough of the corresponding technologies can provide the research experience and theoretical foundation for the development of our country’s the pointing technology of the space optical payload.

空间光学载荷技术的不断发展，使得对指向范围和稳定度的要求越来越高。为此，本申请拟在前期精密定位并联平台和快速响应并联平台研究的基础上，充分利用光学载荷的光轴指向仅对转动敏感，对平动不敏感的特性，将两种技术的优点结合起来，提出了一种新型的粗、精级并联式指向及稳定一体化技术。该技术利用粗级控制实现指向的大范围调整，利用精级控制补偿由于卫星平台振动等因素导致的光轴抖动，提高稳定度。粗、精两级呈并联式，通过协调控制，实现运动解耦。相比传统的粗、精级串联式指向及稳定技术，具有结构紧凑、重量和尺寸小的优点，更适合空间应用。本项目拟针对该技术所涉及的构型优化、运动学和动力学建模、控制策略设计以及实验等方面的内容开展研究，突破多目标构型优化、部分腿长约束情况下的运动学建模以及基于任务空间的鲁棒性控制等一系列关键科学问题。本项目的实施，能够为我国发展高精度空间光学载荷指向技术积累研究经验，提供理论依据。

空间光学载荷技术的不断发展，使得对指向范围和稳定度的要求越来越高。为此，本项目在前期精密定位并联平台和快速响应并联平台研究的基础上，充分利用光学载荷的光轴指向 仅对转动敏感，对平动不敏感的特性，将两种技术的优点结合起来，发展了一种新型的粗、精级并联式指向及稳定一体化技术。针对该技术，开展了工作机理及构型优化设计、运动学建模及工作空间分析、精级协调控制策略研究、综合实验研究等方面的研究工作，突破了多目标构型设计及优化、部分腿长约束情况下的运动学建模及工作空间分析、基于任务空间的全链路闭环协调控制策略等关键技术。在工作机理及构型优化方面，深入论证了粗、级两级控制的工作机理，证明了通过粗级运动学控制实现大角度调整，通过精密主动隔振实现稳定控制的可行性，在此基础上，探讨了构型奇异性、动力学前馈以及重力卸载等因素的影响。在运动学建模及工作空间分析方面，建立了腿长约束情况下运动学模型，分析了角度工作空间，仿真计算得到所研制的样机的工作空间最大可达16°；在精级协调控制策略研究方面，建立了考虑支腿质量的简化动力学模型，发展了一种反馈和前馈相结合的混合控制策略，该策略的基本思想是先利用反馈控制器调节系统阻尼，保障稳定性，在此基础上再设计前馈控制器提高抑制效果，仿真结果表明该控制策略能够在全频段内均能取得很好的控制效果；在综合实验研究方面，研制了粗、精级并联式指向稳定一体化机构样机，并基于自行研制的空间多维微振动模拟平台，搭建了实验系统，开展了实验研究工作，实验结果表明，所研制的样机具有较好的稳定效果。至目前为止，本项目的研究成果发表了研究论文11篇，其中SCI收录8篇，EI收录3篇，申请并获授权发明专利1项，培养了研究生6名。