衛(wèi)星噴管對接裝置及捕獲策略研究.pdf

1、 國內圖書分類號：TP242.6 學校代碼：10213 國際圖書分類號：621 密級：公開 工學博士學位論文 工學博士學位論文 衛(wèi)星噴管對接裝置及捕獲策略研究 博 士 研 究 生：張 禹 導 師：劉 宏 教授 申 請 學 位：工學博士 學 科：機械電子工程 所 在 單 位：機電工程學院 答

2、 辯 日 期：2016 年 9 月 授予學位單位：哈爾濱工業(yè)大學 摘 要 - I -摘 要 隨著空間科學技術的進步與發(fā)展， 人類向太空中發(fā)射了越來越多的航天器。太空中有大量的衛(wèi)星需要得到維護，有大量的太空垃圾需要得到清理，更有寶貴的空間資源需要得到保護，人類迫切需要掌握在軌服務技術。而空間非合作衛(wèi)星的自主捕獲技術則成為開展在軌服務的前提和關鍵技術。本文主要研究基于衛(wèi)星噴管捕獲的對接裝置和捕獲策略。采用對接裝置來捕獲安裝有衛(wèi)星噴

3、管的非合作衛(wèi)星。 這些衛(wèi)星主要運行在 GEO 軌道和中高軌道， 占用了寶貴的軌道資源，并且造價昂貴，捕獲這些衛(wèi)星開展在軌維護可獲得明顯的經(jīng)濟效益同時起到軌道資源保護作用。 本文將采用相對容差最大的“桿-錐”式捕獲結構，通過衛(wèi)星?？糠绞綇膰姽軆让鎭聿东@衛(wèi)星，從而實現(xiàn)空間非合作衛(wèi)星捕獲對接。研制捕獲衛(wèi)星噴管的對接裝置， 包括鎖緊系統(tǒng)、 傳感器系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)。 研制鎖緊系統(tǒng)的鎖緊機構，以實現(xiàn)捕獲鎖緊衛(wèi)星噴喉噴喉結構，并通過仿真和實驗驗證其設計

4、的正確性。設計對接裝置的可接觸外殼。研制用于感知衛(wèi)星噴管位姿的微小型激光測距傳感器，結合六維力/力矩傳感器、就位檢測傳感器、微型監(jiān)控攝像機和電機驅動的內部傳感器構成了對接裝置的傳感器系統(tǒng)。 搭建基于 FPGA 的電氣控制系統(tǒng)，研制環(huán)形的電氣電路，實現(xiàn)對接裝置的機電控制一體化設計。 為了實現(xiàn)空間自主捕獲非合作衛(wèi)星，本文合理布置傳感器的構型，開發(fā)位姿測量算法，研究對接裝置在進入噴管后的超近距離的位姿測量。分析了基于激光測距的位姿測量原理，介

5、紹了雙層六點放射型測距的傳感器布置，以此布置構型來感知回轉面的相對位姿。 為了避免計算復雜的非線性隱式超越方程組，本文提出了可以用于實時計算回轉面相對位姿的幾何軸近似 GAA 方法，分析了 GAA 方法特性， 通過實驗驗證了其有效性， 從而實現(xiàn)了對接裝置進入噴管后在超近距離時的位姿測量。 利用本文研制的激光測距傳感器和噴管的位姿測量方法，提出了基于非接觸測量的捕獲勢場方法。在人工勢場方法的基礎上，提出了在不同坐標維度上各向異性的捕獲勢場