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    空間垃圾清除新技術| |《空間飛網機器人動力學與控制》出版

    瀏覽次數: 864 日期:2021年06月03日


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      近年來航天技術迅速發展,人類對于空間科學、空間資源、空間軍事的探索需求強烈,全世界各個國家每年發射的衛星總數都在不斷攀升。而相應地,空間垃圾的數量也在快速增長,以空間垃圾清理和非合作目標抓捕為對象的在軌服務任務已成為國際空間任務中的重大戰略需求,NASA、ESA等國家航天局均針對太空垃圾清除推出了清除計劃。

      從傳統的以剛性抓捕為代表的單臂空間機器人、多臂空間機器人、手爪機器人,到當下十分熱門的柔性連接抓捕裝置,如空間繩系機器人、空間繩系飛網等,世界各國的大學和研究機構已經提供了很多的空間垃圾主動抓捕清除方案??臻g飛網機器人就是這樣一種面向空間垃圾清除的新型在軌捕獲裝置,由平臺衛星彈射釋放,自由飛行展開后根據目標狀態機動飛網構型并完成抓捕??臻g飛網機器人既繼承了傳統繩系飛網的大包絡、易抓捕等特點,又繼承了繩系機器人的可機動性,是一種新型的空間垃圾主動抓捕移除裝置。

      國內外關于空間飛網的研究較少,且主要都是集中在機構研究和基于項目的彈射機構地面試驗研究,幾乎沒有關于其動力學特性分析和控制問題的研究。因此,本書的研究具有一定的探索意義。


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                                圖1 空間飛網機器人


     由于飛網的大包絡簡單的抓捕方式,在整個抓捕任務中不需要知道待抓捕衛星的質量、轉動慣量、尺寸、物理特征等信息,增加了可被抓捕目標的范圍和抓捕可靠性。本書從系統概念、任務流程描述、動力學建模與分析、不同階段和控制策略下的控制器設計,對空間飛網機器人設計及動力學建模、釋放特性研究、釋放后系統穩定控制和機動控制,以及基于分布式一致性的控制等內容進行了深入地分析和論證,并針對不同構型飛網的研究進行了由淺入深的探討,結合現有的較先進的智能控制算法,從不同角度解決問題。


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                      圖2 空間飛網機器人的任務總流程

     

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                      圖3 加速狀態下網型變化和網口面積變化

     

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                         圖4 減速狀態下網型變化和網口面積變化


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                            圖5 無控狀態下的逼近軌跡


      空間飛網機器人是一種新型的空間非合作目標抓捕裝置,結合了傳統柔性飛網的大包絡、易抓捕特性和繩系機器人的高機動能力,且在整個抓捕任務中不需要知道待抓捕目標的質量、轉動慣量、尺寸、物理特征等信息,增加了可被抓捕目標的范圍和抓捕可靠性。本書是國內第一本系統性講述空間飛網機器人動力學與控制體系的著作。本書介紹了空間飛網機器人的典型任務場景和任務流以及系統構成,在此基礎上推導了運動學和動力學模型,并討論了飛網折疊和彈射方面的技術問題。本書的重點是論述空間飛網機器人在釋放后逼近階段不同情況下的控制策略與控制方法。


      本書可供從事空間垃圾清理以及空間在軌服務技術研究的工程技術人員參考,也可作為高等院校航天應用類相關專業研究生和本科生高年級學生的教材。


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