基于功能复合的新型对接动力学测试平台可靠性机理及实验研究

In order to meet performance test requirements of various high performance space docking mechanism under the comprehensive conditions, this application is intended to take space docking mechanism dynamics semi-physical test platform as the research object which has the composite function of vertical/horizontal pose conversion, study the transient and steady-state distribution of pose error generated when the six degree freedom motion simulator is in operation by combining theoretical analysis and experimental test, optimize the structure to improve the precision, explore the test and control mechanism with multi-sensor data fusion technology, engage in the research on the failure mode which has relations with the operation stability, and build the prediction model of the reliability.Based on the above mentioned works, research methods on the distribution of pose error and evaluation theory about operation reliability are established. The novel dynamic semi-physical test platform and its experiment methods with functional composition and data fusion are developed. Expected results can not only provide the theoretical foundation and design method for further development of advanced space docking mechanism and ground simulation test platform, but also accumulate technology and data for realizing rendezvous docking with large international space in China for the future. Important achievements are made in improving pose accuracy and working reliability of multi-degree-of-freedom motion simulator.

为了快速满足各种高性能空间对接机构在综合条件下的性能试验要求，本申请拟以垂直/水平位姿转换测试功能复合的空间对接机构动力学半物理测试平台为研究对象。理论分析和实验测试相结合，研究测试平台六自由度运动模拟器在运行中的位姿误差其瞬态和稳态分布规律，优化结构以提高精度，并基于多传感器数据融合技术研究测试和操控机理，多角度研究影响运行稳定性的失效模式，建立可靠性预测模型。基于上述工作，建立一套位姿误差分布规律的研究方法和运行可靠性的评价理论，研究兼具功能复合和数据融合技术的新型动力学半物理测试平台及综合实验方法。预期成果不仅可为高精尖空间对接机构和地面仿真测试平台的进一步研制提供理论基础和设计方法，也为我国未来研究与大型国际空间站的交会对接积累技术和数据，在提高多自由度运动模拟器的位姿精度和工作可靠性方面更上一个台阶。

空间对接机构其构型的合理性和性能的可靠性关系到太空对接任务能否顺利完成。对接机构在研制后都需要结合对应的地面仿真测试平台来模拟太空环境进行样机的实测分析，以确保其具有良好的性能。针对空间对接机构交会对接的实际需求，本项目主要围绕以下几个方面展开研究:对接机构与测试平台的构型设计、对接测试过程中运动学及动力学特性分析、运行位姿失稳误差来源与产生规律、六自由度运动模拟器随动与可操控机理、姿态角误差的控制策略与多传感器数据融合机理、测试平台测试过程中的稳定性分析、物理样机实现及实验研究等。. 通过确定对接过程中的功能要求设计了三爪式对接机构，建立了对接过程中的动力学模型，分析了抓爪的静力学特性并优化了结构参数，解决了关键部件的结构力学强度以及激振共振问题；针对空间对接位姿的运动学特性进行分析，建立了主被动对接机构的位姿数学模型，明确了相应坐标、各姿态参数和参数间的相互转换关系；通过分析对接机构的动力学特性，建立了对接过程的抓爪碰撞力与缓冲动力学模型；开展了新型复合式对接测试平台的构型和六自由度运动模拟器的设计，具备随动和可操控功能；通过分析失稳误差来源与产生规律，建立了运行可靠性模型并研究了非脆弱鲁棒控制策略和多传感器数据融合机理，以提高运行精度；依据测试平台的稳定性准则，提出了采用Sm稳定裕度与Sne能量裕度法的联合判定方法，实现了复合式对接测试平台处于静态和动态两种形式下的稳定状态判定，满足了稳定性要求；基于理论研究与优化结果，研制了三爪式对接机构和六自由度测试平台的物理样机，并进行了对接机构与测试平台的联合仿真实验，验证了两物理样机设计的合理性。. 本项目的研究成果不仅可为高精尖空间对接机构和地面仿真测试平台的进一步研制提供理论基础和设计方法，也为我国在提高多自由度运动模拟器的位姿精度和工作可靠性方面积累了一定的技术成果。