基于拓展自由度的多体航天器动力学与控制技术

　　本书聚焦空间多体航天器各个模块之间的接触与相对滑动动力学与控制问题，着重考虑目标与机械臂之间复杂接触环境的建模问题，提出了基于拓展自由度的动力学建模、参数辨识、组合体稳定控制等一系列方法。全书共分为两大部分：部分从理论角度，介绍了动力学建模与参数识别等相关问题，包括传统空间多体动力学系统建模理论、拓展自由度建模方法、多体系统运动测量与参数识别技术等内容；第二部分从工程应用场景角度，主要聚焦控制技术相关问题，通过几个具体的算例全面展示拓展自由度建模方法在不同的航天器控制任务中所起到的作用。本书可供从事航天器动力学、多体动力学等相关研究领域的工程技术人员，以及高等院校航天相关专业师生参考。

　　李爽，教授，南京航空航天大学航天学院博士生导师，主要从事航天器动力学与控制、航天任务智能规划与博弈、深空探测技术和航天技术新概念等方面的教学与科研工作。入选江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人、Elsevier“2019年中国高被引学者”榜单，担任Astrodynamics、《中国空间科学技术》等期刊编委。

第1章　绪　论    1
1.1　空间多体动力学系统的定义与用途 2
1.1.1　空间碎片清除 2
1.1.2　空间服务与维护 3
1.1.3　空间对抗 5
1.2　单边约束空间多体动力学系统的典型案例 5
1.2.1　空间机械臂组合体 5
1.2.2　带有铰间隙的多体航天器 9
1.3　本书的主要研究内容与章节安排 18
1.3.1　当前研究存在的不足之处 18
1.3.2　本书的研究内容与章节安排 20
第2章　传统空间多体动力学系统建模理论 21
2.1　常用坐标系定义与坐标转换方法 22
2.2　空间多体系统的运动学建模方法 25
2.3　空间多体系统的动力学建模方法 27
2.3.1　牛顿-欧拉法 28
2.3.2　拉格朗日法 30
2.3.3　凯恩法 31
2.3.4　仿真验证 33
2.4　接触动力学模型在多体动力学系统中的应用 36
2.4.1　常用的接触动力学建模方式 36
2.4.2　传统接触动力学模型与多体动力学模型的集成方法 38
2.5　现阶段多体动力学模型所存在的不足之处 40
第3章　基于拓展自由度的多体航天器动力学建模方法    41
3.1　拓展自由度定义 42
3.2　直线接触边缘工况下的拓展自由度动力学模型 44
3.3　一般情况下的拓展自由度动力学模型 48
3.3.1　拓展自由度可观测性分析 48
3.3.2　一般情况下的改进型拓展自由度定义方式 50
3.4　仿真验证 52
3.4.1　固连状态动力学验证 53
3.4.2　组合体航天器脉冲响应动力学验证 54
3.4.3　拓展自由度模型与牛顿力学模型的比对 56
3.4.4　非直线接触边缘工况与不同摩擦力模型的比对 57
3.5　本章小结 61
第4章　基于拓展自由度的多体系统运动测量与参数识别技术    63
4.1　相对运动测量与解算方法 64
4.2　复杂相对运动环境下对非合作目标动力学参数的估计方法 68
4.2.1　基于几何特征匹配的目标质心位置提取方法 69
4.2.2　基于拓展自由度的空间机械臂组合体动力学模型分析 71
4.3　基于初值猜测的非合作目标动力学参数识别方法 79
4.4　仿真验证 84
4.4.1　目标与执行机构间相对运动的测量策略 85
4.4.2　复杂相对运动环境下非合作目标的动力学参数识别算法测试 87
4.5　本章小结 95
第5章　拓展自由度方法在空间单机械臂组合体系统中的应用    97
5.1　任务场景定义与传统机械臂零空间控制算法回顾 98
5.2　基于模式切换的空间非合作目标组合体阻尼消旋稳定控制方法 100
5.2.1　类阻尼消旋控制方法 101
5.2.2　第二类阻尼消旋控制方法 103
5.2.3　基于多工作模式切换的组合体稳定消旋控制策略集成 105
5.3　考虑相对滑动的空间非合作目标组合体姿态机动控制算法 107
5.4　仿真验证 109
5.4.1　基于模式切换的空间非合作目标组合体阻尼消旋稳定控制方法 110
5.4.2  基于模式切换的空间非合作目标组合体姿态控制算法 116
5.5　本章小结 121
第6章　拓展自由度方法在带有铰间隙的多体系统中的应用    122
6.1　挠性运动部件与星体姿态的耦合动力学建模 123
6.1.1　任务场景定义 123
6.1.2　带有运动天线的敏捷卫星系统动力学建模方法 124
6.2　运动天线转动扰动抑制与补偿控制器设计 129
6.2.1　基于动力学模型的LPV误差识别方法 129
6.2.2　一阶滑模控制方法 130
6.2.3　针对天线挠性的讨论 133
6.3　带有间隙的多体动力学系统建模 134
6.3.1　任务场景介绍 134
6.3.2　二阶滑模跟踪控制方法的讨论 138
6.3.3　铰间隙对控制器的影响 138
6.4　仿真验证 139
6.4.1　不考虑铰间隙的定点模式控制 140
6.4.2　不考虑铰间隙的多体系统跟踪模式控制 145
6.4.3　带有铰间隙的控制器设计 147
6.5　本章小结 151
第7章　拓展自由度方法在空间多机械臂组合体系统中的应用    152
7.1　平面环境内复杂多机械臂变拓扑系统的建模 153
7.2　基于拓展自由度的三维空间内并联多臂系统动力学建模方法 157
7.2.1　三维运动下摩擦力模型的拓展 157
7.2.2　基于接触动力学模型的多体系统建模方法 159
7.2.3　模型集成 163
7.3  仿真验证 166
7.3.1  二维环境任务场景仿真验证 166
7.3.2　多机械臂对于多体目标的操控技术仿真 177
7.4　本章小结 182
第8章　拓展自由度方法在空间机械臂抓捕非合作目标过程中的应用    183
8.1  任务场景定义 184
8.1.1  单臂抓捕任务场景 184
8.1.2　多臂抓捕任务场景 186
8.2.抓捕策略设计 191
8.2.1  基于相对运动分解的空间单臂抓捕策略 191
8.2.2  基于深度强化学习的抓捕路径规划算法 199
8.3  仿真验证 209
8.3.1  单臂抓捕 209
8.3.2  多臂抓捕 216
8.4  本章小结 223
参考文献    225