基于主被动复合驱动的空间探测柔性伸杆机构动力学建模及其振动控制方法研究

Space flexible deployable manipulator is a complicated time-variable and nonlinear coupling system, in order to realize high precision pointing of the manipulator, the key technologies are to implement ungoffered deployment & retractation, suppress vibration and reject the effect of the various disturbances or the uncertainties. The project proposes a novel deployable manipulator based on active-passive composite driver to satisfy the application of micro/nano prober. Firstly, the constitutive feature relationship between output moment and distortion of the tape spring joint is revealed. Secondly, the energy equilibrium condition of the deployable velocity with payload kinematics, potential energy of the joint and the actuating torque of the motor is deduced to match parameters of the active, passive driver and the flexible boom. Then, combined with the mechanics analysis of the flexible boom such as bending, torsion, planishing and crinkling specifications,the dynamics modelling of the system is established. At last, a direct adaptive input shaper based feed forward controller is designed to suppress residual vibration of the flexible manipulator, and a variable structure disturbance observer based feedback controller is complement to reject and suppress the effect of the variable disturbances including the impact caused by the joint coupling moment. The research achievements have a good reference for the design and application of the space flexible deployable manipulator.

空间探测柔性伸杆机构是一类时变、强耦合的复杂非线性系统，柔性伸杆的无褶皱伸展和收拢、振动及干扰抑制是实现机构高精度指向的重要保证。为满足微纳探测器应用需求，本项目基于主被动结合的复合驱动思想提出一种新型伸缩式伸杆机构。首先，探索描述卷尺弹簧铰链输出力矩-变形量的本构特征关系。然后，通过建立柔性伸杆伸展速度、负载动能、铰链势能及电动机驱动力矩等参数的能量流平衡方程，进行主(电动机)、被动(铰链)驱动和柔性伸杆的参数匹配研究。在此基础上，结合柔性伸杆伸展/收拢中的弯曲、扭转、压平和卷曲性能分析，完成伸杆机构的动力学建模及其特性分析。最后，研究基于直接自适应指令整形的前馈控制器抑制柔性伸杆残余振动，并结合基于变结构扰动观测器的反馈控制方法，对铰链耦合力矩引入的冲击等各类扰动进行抵消和抑制，实现机构的无褶皱平稳伸展、收拢和高精度指向控制。相关成果为伸杆机构参数设计和控制应用奠定理论和技术基础。

空间探测和对地观测技术已经成为人类观测、认知地球和太空的主要手段，近年来，随着现代微机电等技术的快速发展，利用多微纳探测器编队进行多点、原位、分布式空间探测，已成为国内外空间科学与技术领域的研究热点之一。与此同时，为了满足探测任务的需求和性能要求，避免航天器平台本身对空间待测信号的干扰，必须采用伸杆机构支撑各类探测载荷或传感器远离卫星本体，以保证探测数据的准确性和空间信息的精确度。因此，伸杆机构作为空间科学探测、天基遥感系统等领域的支撑性技术，具有重要的科学研究意义和广阔的工程应用前景。本项目针对微纳探测器的应用需求，基于主被动复合驱动的思想提出一种大伸展/收拢比、小自重/负载比、无褶皱伸展、可控性能好的新型伸缩式空间伸杆机构。研究了弹簧铰链的力矩驱动特性和柔性伸杆的力学特性，建立了柔性伸杆伸展速度与负载动能、弹簧铰链势能及电动机驱动力矩等参数的能量流平衡方程，以此为依据，完成了主动（电动机）、被动（簧铰链）驱动源和柔性伸杆的参数匹配研究。结合弹簧铰链、柔性伸杆以及电动机等子件的力学性能分析，基于拉格朗日方程建立了伸杆机构伸展/收拢的动力学模型，重点考虑将无法精确建模的柔性伸杆、弹簧铰链等子件以及相互之间的摩擦力进行线性化或二次化处理，分成可建模部分与不确定项，并进行必要的简化，为后续控制方案的研究提供了合理、适用的系统模型。在此基础上，考虑将动力学模型中的不确定项进行分类，重点包括各类惯量阵摄动和粘滞摩擦力等结构化常参数不确定性、构型重构和非线性摩擦等变参数不确定性以及未建模不确定性，借鉴鲁棒自适应的控制思想分别设计了：具有PI控制结构的前馈-反馈控制器消除主要偏差；具有很强适应参数变化能力的自适应控制器补偿常参数不确定性干扰；具有很强抗干扰能力的鲁棒控制器抑制变参数与未建模不确定性的影响。综合三种控制器，有效抑制伸杆机构的偏差和振动影响，实现伸杆机构的高精度位置控制。最后搭建了空间伸杆机构的地面实验平台，主要包括伸杆机构的机械结构设计、驱动系统设计和软件程序设计，并开展了伸杆机构的展开/伸缩实验，验证了理论方法的有效性。