面向弱撞击对接的空间机构及其主动柔顺控制研究

Low impact docking has the characteristics of low speed and low impact, and it can be employed in the complicated docking task with the wide range of inertia and deviation and adjustable docking kinetic energy. Therefore, low impact docking mechanism can be widely applied in the space activities, such as manned spaceflight and space station project, deep-space exploration and space assembly launch, and it is only studied by U. S. in the world. This project closely keeps up with the advanced international trend, and seeks breakthrough of low impact docking mechanism in its complicated topology, non-linear rigid-flexible coupling and interaction of multi-physical fields in space. The project will be mainly focused on the design and optimization of low impact docking system topology, the features of complicated multi-parameter coupling and the theory of accurate control on docking. Its main research contents are: (1) the theories on the design and optimization of low impact docking mechanism which can flexibly adopts to different aircraft spectrums and various docking speed; (2) the analysis on the complicated dynamic multi-parameter coupling features of low impact docking system under the combined space multi-physical fields action of high and low temperature, microgravity and high vacuum; (3) the self-adaptive anti-interference cooperative docking control methods based on six single-axis sensors; (4) the construction of the practical docking mechanism based on six single degree of freedom driving rods, the realization of the demonstration and verification of prototype according to the low impact docking theory and combined with the two- dimensional air floatation ground test platform, and the producing of basic theories and practical evidence for the engineering application of low impact docking mechanism.

弱撞击对接具有低速、低冲击的特点，能适应惯量与偏差范围大、对接动能可调的复杂对接任务，因此弱撞击对接机构可广泛应用在载人航天与空间站工程、深空探测、天基组装发射等太空活动中，目前仅有美国开始了该方面的研究。本项目紧密跟踪国际先进趋势，以弱撞击对接空间机构的复杂拓扑、非线性刚柔耦合以及空间多物理场作用等问题为突破口，重点研究弱撞击对接系统拓扑设计与优化、复杂多参数耦合特性及对接精确控制理论。主要研究内容有：（1）灵活适应多种飞行器型谱及多种对接速度的弱撞击对接机构拓扑设计与优化理论；（2）在高低温、微重力、高真空等空间多物理场综合作用下，弱撞击对接系统复杂多参数耦合动态特性分析；（3）基于六单维力传感器的对接自适应抗扰协同控制方法；（4）建立基于六个单自由度驱动杆的实用对接机构，结合地面二维气浮试验平台，实现弱撞击对接原理样机的演示验证，为弱撞击对接机构的工程应用提供基础理论和实践依据。

相比于传统的被动缓冲式空间对接，弱撞击空间对接具有对接过程中接触力小、允许的初始位姿偏差大等优点，因此成为国际空间技术研究的热点。弱撞击柔顺对接需要在对接过程中实时采集对接接触力，进行信号处理并完成位置命令修正，导致控制系统更加复杂。因此，研究弱撞击空间对接机构的优化设计方法及柔顺控制策略，对开展弱撞击空间对接具有非常重要的理论和现实意义。.首先，设计了专用的并联弱撞击对接机构，在每个支链末端安装一维力传感器，用于采集对接过程中的接触力信息，完成其构型设计，进行正逆运动学分析，并完成其雅克比矩阵的推导，为后续的尺度综合和柔顺控制奠定了基础。.为提高对接机构的综合性能，对并联机构性能评价指标进行深入的对比分析，选定具有坐标系不依赖性和单位统一性优点的螺旋理论评价指标，利用其进行结构优化，并提出全局传递性能指标（GTIc）来评价确定工作空间条件下并联机构的传递性能。采用粒子群算法开展空间对接机构的尺度综合和优化设计。.提出了惯量-阻尼控制器，消除由于末端作动器偏离期望位置而产生的恢复力；提出期望对接力解算方法判定对接是否完成。在此基础上，提出关节空间柔顺控制策略和笛卡尔空间柔顺控制策略来完成对接环位姿测量不精确条件下的弱撞击对接，采用联合仿真验证两种控制策略的可行性，对比分析其优缺点。.研制弱撞击对接机构及其实验装置，构建对接模拟实验系统，对主动柔顺控制策略进行实验验证。完善了弱撞击空间对接实验流程，攻克力信号滤波、重力补偿、主被动对接环位姿测量等相关技术，开展了弱撞击空间对接模拟实验，充分验证了控制策略的可行性，达到了预期的效果。.本项目的开展为弱撞击对接提供了机构设计方法、柔顺控制策略、试验验证方法和初步试验数据，得到航天部门的关注和配合，将为我国后续弱撞击空间对接的发展提供重要的理论和实践基础。