本書聚焦空間多體航天器各個模塊之間的接觸與相對滑動動力學與控制問題，著重考慮目標與機械臂之間復雜接觸環境的建模問題，提出了基于拓展自由度的動力學建模、參數辨識、組合體穩定控制等一系列方法。全書共分為兩大部分：第一部分從理論角度，介紹了動力學建模與參數識別等相關問題，包括傳統空間多體動力學系統建模理論、拓展自由度建模方法、多體系統運動測量與參數識別技術等內容；第二部分從工程應用場景角度，主要聚焦控制技術相關問題，通過幾個具體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務中所起到的作用。
本書可供從事航天器動力學、多體動力學等相關研究領域的工程技術人員，以及高等院校航天相關專業師生參考。
李爽，教授，南京航空航天大學航天學院博士生導師，主要從事航天器動力學與控制、航天任務智能規劃與博弈、深空探測技術和航天技術新概念等方面的教學與科研工作。入選江蘇省“青藍工程”中青年學術帶頭人、Elsevier“2019年中國高被引學者”榜單，擔任Astrodynamics、《中國空間科學技術》等期刊編委。
第1章 緒 論 1
1.1 空間多體動力學系統的定義與用途 2
1.1.1 空間碎片清除 2
1.1.2 空間服務與維護 3
1.1.3 空間對抗 5
1.2 單邊約束空間多體動力學系統的典型案例 5
1.2.1 空間機械臂組合體 5
1.2.2 帶有鉸間隙的多體航天器 9
1.3 本書的主要研究內容與章節安排 18
1.3.1 當前研究存在的不足之處 18
1.3.2 本書的研究內容與章節安排 20
第2章 傳統空間多體動力學系統建模理論 21
2.1 常用坐標系定義與坐標轉換方法 22
2.2 空間多體系統的運動學建模方法 25
2.3 空間多體系統的動力學建模方法 27
2.3.1 牛頓-歐拉法 28
2.3.2 拉格朗日法 30
2.3.3 凱恩法 31
2.3.4 仿真驗證 33
2.4 接觸動力學模型在多體動力學系統中的應用 36
2.4.1 常用的接觸動力學建模方式 36
2.4.2 傳統接觸動力學模型與多體動力學模型的集成方法 38
2.5 現階段多體動力學模型所存在的不足之處 40
第3章 基于拓展自由度的多體航天器動力學建模方法 41
3.1 拓展自由度定義 42
3.2 直線接觸邊緣工況下的拓展自由度動力學模型 44
3.3 一般情況下的拓展自由度動力學模型 48
3.3.1 拓展自由度可觀測性分析 48
3.3.2 一般情況下的改進型拓展自由度定義方式 50
3.4 仿真驗證 52
3.4.1 固連狀態動力學驗證 53
3.4.2 組合體航天器脈沖響應動力學驗證 54
3.4.3 拓展自由度模型與牛頓力學模型的比對 56
3.4.4 非直線接觸邊緣工況與不同摩擦力模型的比對 57
3.5 本章小結 61
第4章 基于拓展自由度的多體系統運動測量與參數識別技術 63
4.1 相對運動測量與解算方法 64
4.2 復雜相對運動環境下對非合作目標動力學參數的估計方法 68
4.2.1 基于幾何特征匹配的目標質心位置提取方法 69
4.2.2 基于拓展自由度的空間機械臂組合體動力學模型分析 71
4.3 基于初值猜測的非合作目標動力學參數識別方法 79
4.4 仿真驗證 84
4.4.1 目標與執行機構間相對運動的測量策略 85
4.4.2 復雜相對運動環境下非合作目標的動力學參數識別算法測試 87
4.5 本章小結 95
第5章 拓展自由度方法在空間單機械臂組合體系統中的應用 97
5.1 任務場景定義與傳統機械臂零空間控制算法回顧 98
5.2 基于模式切換的空間非合作目標組合體阻尼消旋穩定控制方法 100
5.2.1 第一類阻尼消旋控制方法 101
5.2.2 第二類阻尼消旋控制方法 103
5.2.3 基于多工作模式切換的組合體穩定消旋控制策略集成 105
5.3 考慮相對滑動的空間非合作目標組合體姿態機動控制算法 107
5.4 仿真驗證 109
5.4.1 基于模式切換的空間非合作目標組合體阻尼消旋穩定控制方法 110
5.4.2 基于模式切換的空間非合作目標組合體姿態控制算法 116
5.5 本章小結 121
第6章 拓展自由度方法在帶有鉸間隙的多體系統中的應用 122
6.1 撓性運動部件與星體姿態的耦合動力學建模 123
6.1.1 任務場景定義 123
6.1.2 帶有運動天線的敏捷衛星系統動力學建模方法 124
6.2 運動天線轉動擾動抑制與補償控制器設計 129
6.2.1 基于動力學模型的LPV誤差識別方法 129
6.2.2 一階滑模控制方法 130
6.2.3 針對天線撓性的討論 133
6.3 帶有間隙的多體動力學系統建模 134
6.3.1 任務場景介紹 134
6.3.2 二階滑模跟蹤控制方法的討論 138
6.3.3 鉸間隙對控制器的影響 138
6.4 仿真驗證 139
6.4.1 不考慮鉸間隙的定點模式控制 140
6.4.2 不考慮鉸間隙的多體系統跟蹤模式控制 145
6.4.3 帶有鉸間隙的控制器設計 147
6.5 本章小結 151
第7章 拓展自由度方法在空間多機械臂組合體系統中的應用 152
7.1 平面環境內復雜多機械臂變拓撲系統的建模 153
7.2 基于拓展自由度的三維空間內并聯多臂系統動力學建模方法 157
7.2.1 三維運動下摩擦力模型的拓展 157
7.2.2 基于接觸動力學模型的多體系統建模方法 159
7.2.3 模型集成 163
7.3 仿真驗證 166
7.3.1 二維環境任務場景仿真驗證 166
7.3.2 多機械臂對于多體目標的操控技術仿真 177
7.4 本章小結 182
第8章 拓展自由度方法在空間機械臂抓捕非合作目標過程中的應用 183
8.1 任務場景定義 184
8.1.1 單臂抓捕任務場景 184
8.1.2 多臂抓捕任務場景 186
8.2.抓捕策略設計 191
8.2.1 基于相對運動分解的空間單臂抓捕策略 191
8.2.2 基于深度強化學習的抓捕路徑規劃算法 199
8.3 仿真驗證 209
8.3.1 單臂抓捕 209
8.3.2 多臂抓捕 216
8.4 本章小結 223
參考文獻 225
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