空间机器人目标捕获过程的碰撞冲击分析.pdf

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1、第33卷第02期计算机仿真2016年2月文章编号：1006—9348(2016)02—0438—05空间机器人目标捕获过程的碰撞冲击分析谢冉1，孔祥龙2，师鹏1，赵育善1(1．北京航空航天大学宇航学院，北京100191；2．上海卫星工程研究所，上海200240)摘要：针对空间机器人捕获目标过程中的基座航天器姿态扰动问题进行研究，提出了两种基座航天器姿态零扰动目标捕获方向的求解方法：解析法和遍历法。所提方法考虑了捕获目标运动特性对碰撞过程的影响，并在零扰动冲击力方向分析的基础上，分别推导了解析法和遍历法

2、的求解过程，给出了姿态零扰动目标捕获方向的解析表达式。利用Spacedyn工具箱进行了仿真验证，两种算法的仿真结果在数值计算精度允许的范围内是一致的，从而验证了上述方法的正确性。关键词：空间机器人；碰撞分析；目标捕获中图分类号：V412．4+2文献标识码：BImpactAnalysisofSpaceManipulatorsDuringTargetCaptureXIERanl，KONGXiang—lon92，SHIPen91，ZHAOYu—shanl(1．CollegeofAstronautics，Be

3、ihangUniversity，Beijing100191，China；2．ShanghaiInstituteofSatelliteEngineering，Shanghai200240，China)ABSTRACT：Twokindsofmethod，analyticalmethodandtraversalmethod，agepresentedinthispapertosolvethetargetcapturedirectionforspacemanipulators，whichwillresdtinz

4、erodisturbancetothebasespaeecrafts．Theeffectoftargetmotiononimpactdynamicsisconsidered．Basedontheanalysisofzero—disturbanceimpulsediree-tion，theanalyticalsolutionofzero—disturbancetargetcapturedirectionisgive．out．Numericalsimulationsageper-formedwiththe

5、Spacedyntoolbox，andthesimulationresultsoftwoalgorithmsareeonsentaneeusnumerically，whichverifiedthevalidityofthemethodsproposedinthispaper．KEYWORDS：Spacemanipulator；Impactanalysis；Targetcapture1引言空间目标捕获系统通常由基座航天器和其上安装的空间机械臂组成。随着空间探索的不断深入，空间机械臂在空间站组装、设备维护

6、与空间碎片清除等任务中起着越来越重要的作用。在捕获运动目标时，机械臂末端与目标发生碰撞，目标的动量将转移到空间机械臂系统上。这往往会带来基座航天器动量的改变，从而产生基座航天器姿态扰动，这将直接影响到通信天线与太阳能帆板的朝向。因此，针对空间机械臂系统捕获运动目标过程动力学特性的研究不仅可以分析碰撞冲击对系统运动状态的影响，还可以为接触碰撞后空间机械臂系统的进一步操作提供理论依据。基金项目：国家自然科学基金(11572019)；上海航天创新基金(SAST2015078)收稿日期：2015—12—02-

7、---——438----——国内外已有很多学者针对捕获空间目标过程的动力学特性展开了研究¨。3j。石永康等H1利用刚体系统碰撞理论，从系统动量变化的观点出发，提出以碰撞点速度表示的碰撞动力学模型该模型考虑了目标捕获点位置对碰撞冲量的影响，可以提供平台最小扰动的捕获分析。丛佩超等”1以空间机械臂系统的动量守恒关系式为基础，分析了空间机械臂抓取目标的碰撞作用对于系统角动量的影响，提出了“直臂抓取”与“广义直臂抓取”两种特殊的碰撞前构型，可有效地减小抓取过程中碰撞作用对于系统角动量的影响，保证了基座姿态的稳

8、定。税海涛等冲1针对空间机器人捕获目标时的基座姿态扰动问题，提出了基座姿态零扰动冲击方向的概念，如果末端冲击力沿此方向，碰撞冲击对基座航天器的姿态不产生影响。Nenchev等"o基于映射零空间的概念研究了机械臂捕获空间目标时的碰撞冲击问题，指出在特定情况下，碰撞过程产生的系统动量变化可以全部由机械臂吸收。但是上述方法都是在研究碰撞过程的冲击力方向。并不是捕获目标时的速度方向。因为碰撞过程产生的冲击力与目标碰撞前后的运动状态相关，所以捕获前的目标速度方向与