航天器自旋人工重力场中航天员行走动力学与控制研究

发布时间：2017-07-26 11:00

  本文关键词：航天器自旋人工重力场中航天员行走动力学与控制研究

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【摘要】：随着人类航天技术的迅速发展和太空探索的不断深入,人工重力技术越来越受到各国研究机构的重视。本文针对航天器自旋人工重力场中航天员行走动力学与控制进行了研究。本文首先对地面上人体的行走过程进行了分析,建立了惯性系下的刚性三连杆人体行走模型,定义了系统的广义坐标,计算了系统模型的动能和势能,并利用Lagrange方程推导出了系统的动力学方程。然后,通过分析航天员在自旋人工重力航天器中的行走过程,建立了自旋人工重力航天器的简易模型以及航天员在其舱内行走时的三连杆模型,分析了人工重力环境下重力梯度效应和行走时受到的科氏力对三连杆模型的影响,利用Lagrange方程建立了系统的动力学方程,并利用MATLAB对航天员的行走过程进行了仿真分析。在进行仿真分析时,选择了适合作为人体行走模型数值仿真的控制算法,能够比较好地接近真实人体行走中采用的控制策略。通过数值仿真分析,得到了三连杆模型的运动轨迹和受到的科氏力,说明了航天员在自旋航天器舱内行走时,所受到的科氏力不容忽视。最后,为了进一步验证本文中建立的自旋人工重力航天器中的三连杆人体行走模型的动力学方程的正确性,引入了虚拟样机技术。在ADAMS中建立了自旋人工重力航天器及其内部三连杆人体行走模型的虚拟样机仿真模型,通过ADAMS与MATLAB的数据接口,构建了ADAMS与MATLAB的联合仿真平台,完成了航天器自旋人工重力环境下的三连杆人体行走模型的数值仿真分析。通过与前面的数值仿真结果进行对比,发现两者的仿真结果相吻合,证明了本文所建立的人工重力环境下三连杆人体行走模型的动力学方程的正确性。
【关键词】：人工重力 重力梯度 科氏力 航天员 舱内行走
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V527
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 绪论12-25
• 1.1 引言12-13
• 1.2 人工重力的发展现状13-22
• 1.2.1 产生人工重力的方法13-14
• 1.2.2 人工重力的发展历史14-18
• 1.2.3 旋转人工重力航天器的分类18-20
• 1.2.4 航天器自旋人工重力场对航天员的影响20-22
• 1.3 人体行走模型的建模和控制算法的选择22-23
• 1.3.1 人体模型理论22
• 1.3.2 动力学建模理论22-23
• 1.3.3 人体行走模型的控制算法的选择23
• 1.4 本文的研究内容及章节安排23-25
• 第二章 地面惯性系中人体行走模型的建立25-38
• 2.1 引言25
• 2.2 问题描述25-27
• 2.3 地面惯性系中的动力学模型27-36
• 2.3.1 Lagrange方程27
• 2.3.2 系统的动能和势能27-32
• 2.3.3 地面惯性系中系统的动力学模型32-36
• 2.4 本章小结36-38
• 第三章 人工重力环境下人体行走模型的建立38-58
• 3.1 引言38
• 3.2 问题描述38-39
• 3.3 重力梯度效应的影响39-41
• 3.4 科氏力的影响41-47
• 3.4.1 系统所受的科氏力41-44
• 3.4.2 科氏力对应的广义力44-47
• 3.5 人工重力环境下人体行走的动力学模型47-48
• 3.6 数值仿真分析48-57
• 3.6.1 系统状态方程48-50
• 3.6.2 人体模型行走过程仿真中控制算法的选择50-52
• 3.6.3 数值仿真及结果分析52-57
• 3.7 本章小结57-58
• 第四章 虚拟样机动力学建模与仿真分析58-67
• 4.1 引言58-59
• 4.2 ADAMS建立系统虚拟样机模型59-60
• 4.3 ADAMS与MATLAB的联合仿真60-66
• 4.3.1 基于MATLAB的人体行走控制策略描述61-62
• 4.3.2 联合仿真结果62-66
• 4.4 本章小结66-67
• 第五章 总结与展望67-69
• 5.1 研究工作总结67-68
• 5.2 研究工作的不足与展望68-69
• 参考文献69-72
• 致谢72-73
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文73

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本文编号：576022