基于空間機械臂的航天器系統(tǒng)慣性參數(shù)辨識

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1、學(xué)校代碼10530學(xué)號201230111727分類號V443.5密級公開碩士學(xué)位論文基于空間機械臂的航天器系統(tǒng)慣性參數(shù)辨識學(xué)位申請人文坤指導(dǎo)教師廖瑛、黃輝先教授學(xué)院名稱信息工程學(xué)院學(xué)科專業(yè)控制科學(xué)與工程研究方向復(fù)雜系統(tǒng)過程建模與優(yōu)化控制二Ο一五年五月二十日IdentificationofInertiaParametersfortheSpacecraftSystemwithaSpaceManipulatorCandidateWenKunSupervisorProf.LiaoYing&Prof.HuangHuixianColl

2、egeTheCollegeofInformationEngineeringProgramControlTheoryandEngineeringSpecializationComplexSystemModelingandOptimizationControlDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversitythDateMay20,2015湘潭大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研巧成果。除了文中特別加Ｗ標(biāo)注

3、引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中?。廾鞔_方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名：？日期：月又。日節(jié)＾興少年＾學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部口或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)湘潭大學(xué)可Ｗ將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可采用影巧、縮印或掃搖等復(fù)制手段保存和匯

4、編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。■作者簽名；：＾來日期年主月日寧導(dǎo)師簽名日期．年日；＾ＪＴ月＾。摘要隨著航天事業(yè)的發(fā)展，航天探索任務(wù)變得更加復(fù)雜化與多樣化。在航天領(lǐng)域中，帶有空間機械臂的航天器系統(tǒng)在執(zhí)行空間任務(wù)時，往往要求航天器的軌道、姿態(tài)可控。然而，由于各種原因的存在，比如燃料的大量消耗、內(nèi)置載荷的釋放以及目標(biāo)星的捕獲等，都有可能導(dǎo)致航天器的慣性參數(shù)發(fā)生改變，從而致使航天器系統(tǒng)已有控制律失去效用。因此，研究航天器的慣性參數(shù)在軌辨識方法，對航天器的姿態(tài)控制，具有非常重要的意義。論文首先介紹了國內(nèi)

5、外關(guān)于航天器慣性參數(shù)辨識所面臨的問題以及已取得的成果。針對已有的辨識方法，系統(tǒng)的分析了各方法的優(yōu)劣，得出基于空間機械臂的方法辨識航天器慣性參數(shù)的可行性與優(yōu)勢。論文以帶有空間機械臂的航天器系統(tǒng)作為研究模型，對其進行了運動學(xué)分析，并基于拉格朗日方法進行了動力學(xué)建模。基于動量、動量距守恒原理推導(dǎo)得出了初始動量已知、未知情況下的航天器慣性參數(shù)辨識方法。該方法充分利用空間機械臂的大幅度變構(gòu)運動促使航天器慣性進行重新分布，從而導(dǎo)致航天器速度發(fā)生變化。通過測量這些變化，基于動量守恒原理，構(gòu)建出了線性回歸模型，接著，利用遞推最小二乘法對航

6、天器各慣性參數(shù)進行了分步辨識。通過對辨識方法的仿真驗證實驗，驗證算法有效，然而同時得出該方法對擾動和機械臂軌跡比較敏感的結(jié)論。針對參數(shù)辨識性問題，作者根據(jù)矩陣分析理論，提出了利用最優(yōu)激勵下的空間機械臂軌跡運動對航天器慣性參數(shù)進行辨識的方法。通過利用基本參數(shù)集的方法對動力學(xué)模型進行轉(zhuǎn)化，得到統(tǒng)一的線性回歸模型，并將回歸矩陣的條件數(shù)最小化作為空間機械臂軌跡的優(yōu)化指標(biāo)。在關(guān)節(jié)激勵設(shè)定上，采用傅立葉級數(shù)對激勵進行了參數(shù)化，然后結(jié)合軌跡約束問題，設(shè)定了初始軌跡作為目標(biāo)函數(shù)初始值，隨后利用模式搜索算法對目標(biāo)函數(shù)進行優(yōu)化，獲得空間機械臂

7、的最優(yōu)激勵運動軌跡。最后同樣對辨識方法進行了仿真實驗，對比前后兩種軌跡下的辨識結(jié)果，得出后者更優(yōu)。論文最后對全文中所涉及到的理論、方法、研究進行了系統(tǒng)性的總結(jié)，并且確定了未來的研究方向。關(guān)鍵詞：航天器；空間機械臂；動量守恒；最優(yōu)激勵；慣性參數(shù)IAbstractWiththedevelopmentoftheaerospaceindustry,aerospaceexplorationsbecomemorecomplexanddiversified.Inaerospaceexploration,spacecraftsystems

8、withspacemanipulatorintheperformanceoftasks,itoftenrequiresthatthespacecraftiscontrolledontheorbitandattitude.However,duetovariousreasons,suchasconsumpt