高机动气悬浮姿态模拟器系统设计及姿态机动控制研究.pdf

摘要

空间任务需求的日新月异，对于高机动空间飞行器的需求也越来越大，在飞行

器的研制过程中，飞行器地面试验验证也是飞行器研制的重要组成部分，开展飞行

器地面试验验证可以为飞行器研制提供先期技术积累和技术验证，为飞行器的顺

利研制奠定基础。因此，本课题针对高机动空间飞行器气悬浮模拟器系统研制，开

展高机动气悬浮模拟器系统快速姿态机动角轨迹规划与控制研究，本文的主要研

究工作如下：

针对高机动气悬浮姿态模拟器系统的总体研制需求，进行高机动气悬浮模拟

器系统功能及性能要求分析，开展高机动气悬浮姿态模拟器系统综合设计。针对高

机动气悬浮姿态模拟器快速机动控制需求，开展气悬浮模拟器快速姿态机动最优

机动角轨迹规划研究，并且针对高机动气悬浮姿态模拟器设计参数开展相应的仿

真分析，验证所提出的最优快速机动角轨迹规划方法的可行性。针对气悬浮模拟器

的姿态机动控制研究，根据优化得到的气悬浮模拟器大角度快速姿态机动最优角

轨迹，采用模型预测控制（MPC）实现气悬浮模拟器对最优机动角轨迹的跟踪控制

分析，并且基于本课题所研制的高机动气悬浮姿态模拟器系统，搭建试验验证系统，

对所提出的气悬浮模拟器大角度快速姿态机动角轨迹规划方法以及最优角轨迹跟

踪控制策略进行了初步的试验验证。

通过本课题的研究，完成了高机动气悬姿态浮模拟器系统的设计和研制工作，

同时，设计并实现了一套新的气悬浮模拟器系统姿态机动角轨迹规划与跟踪控制

方法，并且在空间飞行器气悬浮模拟器系统地面试验中进行了实际应用验证，为后

续空间飞行器气悬浮模拟器系统研制提供了一个新的思路和参考。

关键词：气悬浮模拟器；大角度快速机动；Bezier形函数规划；模型预测控制

Keywords:air-bearing-basedspacecraftsimulator,largeanglefastrotationalmaneuver,

Beziershapefunctionplanning,ModelPredictiveControl

目录

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1课题的来源1

1.2课题研究的背景和意义1

1.3国内外研究现状及分析2

1.3.1飞行器气悬浮模拟器研究现状2

1.3.2轨迹规划研究现状6

1.3.3姿态机动控制研究现状7

1.3.4国内外文献综述的简析9

1.4主要研究内容11

第2章高机动气悬浮姿态模拟器系统设计13

2.1引言13

2.2高机动气悬浮姿态模拟器系统总体设计13

2.3高机动气悬浮姿态模拟器主体结构分系统设计15

2.3.1气浮球轴承系统设计15

2.3.2支撑基座设计16

2.3.3载荷安装平台设计17

2.3.4调平装置设计18

2.3.5主体结构参数设计19

2.4高机动气悬浮姿态模拟器电控分系统设计20

2.4.1姿态控制执行机构设计20

2.4.2控制中心机设计29

2.4.3电源供配电设计30

2.5高机动气悬浮姿态模拟器供气分系统设计32

2.5.1冷喷气供气系统32

2.5.2球轴承供气系统33

2.5本章小结34

第3章基于形函数的气悬浮模拟器大角度快速姿态机动角轨迹规划35

3.1引言35

3.2高机动气悬浮模拟器姿态机动动力学模型35

3.2.1参考坐标系定义35

3.2.2基于欧拉角的气悬浮模拟器姿态运