空间站双杆机械臂转位动力学及仿真研究

论文摘要

随着航天技术的发展和进步,越多的国家开始了开发太空的计划。空间站作为一种可供航天员长时间工作和生活的航天器,越来越受到各国的重视。从前苏联的世界第一座礼炮号空间站到有史以来最伟大的国际空间站,无不倾注了各国科研人员的心血。伴随着中国在载人航天领域取得的巨大成就,中国也开始规划自己的空间站。空间站在太空的组建过程比较复杂。通常先前发射的舱段需要从轴向的对接口转移到侧向对接口,这一过程需要机械臂来实现。相对于单杆机械臂有限的功能,双杆机械臂不仅能完成转位任务,还能执行其他较复杂的任务。在空间站转位过程中,空间站各组件的姿态都会发生变化,使得空间站受到的重力梯度力矩和气动力矩变得复杂。本文系统地分析了空间站在双杆机械臂转位的过程中的动力学特性,为中国拟建造的空间站提供理论参考。本文将空间站的4个主要模块视为刚体,以牛顿—欧拉法为基础,推导4刚体动力学方程,建立了空间站双杆机械臂转位动力学数学模型,并经MATLAB软件编程仿真验证,同时仿真结果表明空间站在转位过程中总体相对于总质心的转动惯量变化巨大,也就是说空间站的姿态变化非常大。分析了转位过程中重力梯度力矩的变化,以及重力梯度力矩对空间站姿态的影响。创新性地分析了多体系统相对于非质心的重力梯度力矩。分析结果表明重力梯度力矩对空间站的转位有非常大的影响,最大的重力梯度力矩达到10Nm左右,最终的角动量积累的最大值达到10000Nms左右。在控制系统设计中必须考虑重力梯度力矩的影响。分析了转位过程中空间站的受到的气动阻力及其引起的气动力矩对空间站姿态的影响。应用自由分子流理论建立气动阻力的模型,并利用集合理论计算气动阻力在空间站各组件上的有效作用面积。分析结果表明气动力矩的最大值的绝对值达到4Nm左右,角动量积累的最大值达到10000Nms左右,可见气动力矩虽然没有重力梯度力矩的影响大,但也是不得不考虑的因素。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国内外空间站发展概况
• 1.2.1 国外空间站的发展
• 1.2.2 中国的空间站计划
• 1.2.3 未来空间站的发展方向
• 1.3 国内外空间站机械臂的发展概况
• 1.4 多体系统动力学建模研究概况
• 1.4.1 多体系统动力学建模方法
• 1.4.2 挠性机械臂建模
• 1.4.3 机械臂关节研究
• 1.4.4 振动控制方法
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 双杆机械臂空间站转位动力学建模与仿真
• 2.1 引言
• 2.2 双杆机械臂空间站转位基本原理
• 2.3 牛顿—欧拉法基本原理及应用
• 2.4 运动方程的建立
• 2.4.1 坐标系的建立
• 2.4.2 欧拉角和坐标变化矩阵
• 2.4.3 四刚体系统总质心
• 2.4.4 各体质点的加速度
• 2.5 各分离体的运动方程
• 2.5.1 D 体绕d 点的转动
• 2.5.2 C+D 体绕c 点的转动
• 2.5.3 B+C+D 体绕b 点的转动
• 2.5.4 四体系统A+B+C+D 绕b 点的转动
• 2.6 状态方程及求解
• 2.7 程序编制
• 2.8 仿真分析
• 2.9 本章小结
• 第3章 重力梯度力矩对转位过程的影响
• 3.1 引言
• 3.2 重力梯度力矩
• 3.3 四刚体系统的重力梯度模型
• 3.3.1 A+B+C+D 体相对b 点的重力梯度力矩
• 3.3.2 B+C+D 体相对b 点的重力梯度力矩
• 3.3.3 C+D 体相对c 点的重力梯度力矩
• 3.3.4 D 体相对d 点的重力梯度力矩
• 3.4 编程计算
• 3.5 仿真分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 气动力矩对转位过程的影响
• 4.1 引言
• 4.2 气动力相关理论
• 4.3 投影坐标系
• 4.4 空间站的几何模型简化
• 4.5 遮挡关系与有效面积计算
• 4.5.1 遮挡面积的计算
• 4.5.2 遮挡顺序的判定
• 4.5.3 有效面积计算
• 4.6 编程计算
• 4.7 仿真分析
• 4.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢