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空间自主在轨服务航天器近距离操作运动规划研究

作　者: 王平
导　师: 崔乃刚；孙国江
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 空间在轨服务自主运动规划敏捷运动快速搜索随机树概率路标显式方程准本体坐标系精确运动协同
分类号: V476.5
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 310次
引　用: 2次
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内容摘要

空间自主在轨服务技术是空间在轨服务技术体系中的一个重要分支和方向,利用具备较高自主能力的航天器或空间机器人完成庞大或繁杂的空间装配、维护和服务等空间在轨服务任务是未来人类步入工业化、军事化太空时代的必然需求。由于自主运动规划能力是航天器自主水平的重要标志和评价标准,因此本文对空间自主在轨服务航天器的运动规划问题进行了深入、细致的研究,重点以作为服务航天器主要运动形式的近距离操作运动为研究背景,面向复杂的空间服务环境,按照“规划体系—建模—个体规划—协同规划”这一基本的研究思路,遵循从体系到理论、从个体到协同的基本原则,对空间自主在轨服务航天器近距离操作运动的规划方法进行了详细研究。本文首先给出了空间在轨服务的一些概念和以服务体和服务对象为主要组成部分的空间在轨服务体系,分析了空间在轨服务的主要任务,研究了用于实现服务任务的多种载体及任务实施步骤,最终针对本文的研究内容与空间在轨服务体系、任务等特点,研究了自主服务航天器近距离操作运动规划体系。研究了服务航天器空间运动所需的模型描述问题,给出了所需的坐标系和各坐标系之间的转换关系,提出了用于分解姿态描述的准本体坐标系的概念,推导了轨道相对运动的微分方程与显式方程。针对敏捷服务航天器应具备的基本能力,对基于连续推力模式的敏捷服务航天器运动规划问题进行了研究。介绍了适于解决高维状态和复杂环境运动规划问题的快速搜索随机树方法,明确了规划方法所需考虑的各种约束条件,重点对基于连续推力模式的敏捷自主在轨服务航天器运动规划问题所涉及的各项内容进行了深入研究,并提出了为实现精确服务运动而考虑时间因素的改进快速搜索随机树方法,针对固定障碍、移动障碍和突发事件三种复杂环境,检验了该方法对基于连续推力模式的敏捷服务航天器空间精确服务运动的规划能力。研究了基于脉冲推力模式的近距离服务航天器运动规划问题,介绍了基于随机采样原理的概率路标算法的基本原理,给出了规划问题所需考虑的各种约束条件,重点对基于脉冲推力模式的近距离服务航天器运动规划问题所涉及内容进行了研究,针对这一混杂系统规划问题将运动规划分解为平动与转动两部分分别进行研究。在平动规划中面对复杂空间环境给出了考虑时间因素的混合运动规划方法,并利用轨道相对运动的显式方程作为局部规划器;针对脉冲推力的特点在转动规划中提出了利用准本体坐标系将姿态规划分为两步的规划方法。最后针对固定障碍、移动障碍和突发事件三种复杂环境,检验了该规划方法对基于脉冲推力模式的近距离服务航天器空间精确运动的规划能力。研究了多服务航天器协同运动规划问题。介绍了协同问题的基本概况,给出了协同运动规划的概念。根据多服务航天器协同任务要求、协同运动和协同体系的特点,对协同运动规划方法进行了研究,具体针对连续推力和脉冲推力两种模式的服务航天器分别采用各自的运动规划算法,结合给出的协同策略完成最终的协同运动规划过程。最后利用该规划方法结合协同体系对两种推力模式的多服务航天器系统的协同运动规划问题进行了仿真检验,同样针对固定障碍、移动障碍和突发事件三种复杂环境,检验了规划方法的有效性与适应能力。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-13
第1章绪论  13-35
  1.1 论文研究目的和意义  13-14
  1.2 空间在轨服务技术研究发展概况  14-22
    1.2.1 有人在轨服务技术  15-17
    1.2.2 自主在轨服务技术  17-22
  1.3 航天器自主体系研究概况  22-24
  1.4 航天器运动规划方法研究概况  24-30
    1.4.1 运动规划方法研究概况  24-27
    1.4.2 航天器运动规划研究概况  27-30
  1.5 航天器协同运动规划方法研究概况  30-33
    1.5.1 协同体系结构  30-31
    1.5.2 协同规划方法  31-32
    1.5.3 航天器协同问题的研究现状  32-33
  1.6 本文研究内容  33-35
    1.6.1 本文组织结构  33
    1.6.2 本文主要研究内容  33-35
第2章空间在轨服务体系及任务分析  35-50
  2.1 引言  35
  2.2 空间在轨服务的概念  35-36
  2.3 空间在轨服务体系  36-41
    2.3.1 服务体  36-40
    2.3.2 服务对象  40-41
  2.4 空间在轨服务任务分析  41-45
    2.4.1 任务内容  41-43
    2.4.2 实现方式  43-45
  2.5 自主服务航天器近距离操作运动规划体系  45-49
    2.5.1 单个自主服务航天器的规划体系  45-47
    2.5.2 多自主服务航天器协同规划体系  47-49
  2.6 本章小结  49-50
第3章近距离操作服务航天器模型的建立  50-63
  3.1 引言  50
  3.2 坐标系定义与转换  50-53
    3.2.1 坐标系定义  50-51
    3.2.2 坐标系转换  51-53
  3.3 相对轨道运动模型  53-62
    3.3.1 动力学模型  53-54
    3.3.2 相对运动显式方程模型  54-62
  3.4 本章小结  62-63
第4章基于连续推力模式的敏捷服务航天器运动规划研究  63-101
  4.1 引言  63-64
  4.2 快速搜索随机树规划方法  64-79
    4.2.1 规划理论的基本要素  64-65
    4.2.2 离散规划  65-70
    4.2.3 基于采样的规划方法  70-74
    4.2.4 快速搜索随机树规划方法理论与应用  74-79
  4.3 约束条件  79-80
    4.3.1 运动动力学约束  79-80
    4.3.2 几何约束  80
  4.4 基于连续推力模式的敏捷服务航天器运动规划  80-87
    4.4.1 运动状态的确定与度量  80-81
    4.4.2 局部规划器  81-84
    4.4.3 规划问题的基本描述  84
    4.4.4 必然碰撞区  84-85
    4.4.6 规划方法  85-87
  4.5 仿真算例  87-100
  4.6 本章小结  100-101
第5章基于脉冲推力模式的近距离服务航天器运动规划研究  101-126
  5.1 引言  101-102
  5.2 概率路标算法  102-103
    5.2.1 预处理阶段  102-103
    5.2.2 查询阶段  103
  5.3 约束条件  103-104
    5.3.1 运动动力学约束  103-104
    5.3.2 几何约束  104
  5.4 基于脉冲推力模式的近距离服务航天器运动规划  104-113
    5.4.1 平动运动规划  105-110
    5.4.2 转动运动规划  110-113
  5.5 仿真算例  113-125
  5.6 本章小结  125-126
第6章多服务航天器协同运动规划研究  126-142
  6.1 引言  126
  6.2 协同问题概述  126-128
    6.2.1 协同  126-127
    6.2.2 协同运动规划  127-128
  6.3 多服务航天器协同运动规划方法  128-130
    6.3.1 运动规划算法  129
    6.3.2 协调策略  129-130
  6.4 仿真算例  130-141
    6.4.1 连续推力模式的敏捷服务航天器协同规划  130-136
    6.4.2 脉冲推力模式的近距离服务航天器协同规划  136-141
  6.5 本章小结  141-142
结论  142-144
参考文献  144-157
攻读博士学位期间发表的论文  157-160
致谢  160-161
个人简历  161

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