环月遥操作交会对接变时延共享控制与操纵品质研究

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交会对接技术是飞行器空间组装、天地往返运输和货运补给的重要支撑技术。对于无人飞行器环月轨道交会对接任务而言,遥操作交会对接技术可与自动交会对接技术互为备份。本文以我国未来探月活动中环月轨道无人交会对接任务为背景,对遥操作交会对接平移靠拢段控制进行研究。本文的研究工作如下:提出了基于变时延缓冲器预测校正模型的遥操作交会预显示方法。建立了遥操作通信回路时延模型,引入了变时延缓冲方法,将遥操作控制回路中的变时延转换成定时延。设计了基于相对轨道动力学模型的飞行器相对运动状态预测显示方法,提出了仿真预测模型校正理论。基于遥操作交会对接半实物仿真系统开展仿真试验,结果表明该方法可有效降低遥操作控制回路中的时延影响,提高对接精度。研究了基于改进人工势场理论的遥操作交会的共享控制方法。针对时延条件下的遥操作交会控制问题,提出了基于共享控制方法的遥操作交会控制算法,以降低遥操作操控人员工作负荷,并提高任务控制精度。设计了遥操作交会控制结构,建立了遥操作交会共享控制模式。构建了遥操作交会安全走廊,提出了基于改进人工势场理论的动态计算模型,并建立了考虑通信时延、测量精度和控制人员综合指数的共享控制权重理论模型。基于遥操作交会对接半实物仿真系统开展仿真试验,结果表明,共享控制方法可显著提高遥操作控制人员的控制能力,提高遥操作交会任务控制精度。建立了基于模糊控制理论的遥操作交会人控模型。建立遥操作交会人控模型,对遥操作交会任务操作人员的行为特征进行了有效模拟,使遥操作全数字仿真得以实现,克服主观因素影响,并能够进行单参数影响分析。开展了近距离相对轨道动力学特性和人的操作策略特性分析,设计了遥操作交会控制策略。在此基础上,基于模糊控制理论设计了x轴、y轴和z轴的人控模型。基于遥操作交会对接半实物仿真系统对建立的人控模型开展仿真试验,结果表明,所建立的人控能够较好地模拟人的实际操作行为、任务时间和燃油消耗量等指标,具有较高的准确性。开展了遥操作交会对接系统操纵品质评价方法的研究。系统操纵品质评价是贯穿系统研发的关键环节,是衡量控制人员能否容易、较好地完成既定任务的重要指标,系统操纵品质的研究对系统开发、设计和性能提升都具有重要工程意义。明确了遥操作交会系统操纵品质评价的试验原则、试验目的,说明了试验人员选取方法,介绍了不同因变量条件下的试验矩阵,选取了C-H评价指标、NASA-TLX评价指标和Beford评价指标作为遥操作交会系统操纵品质评价的评价指标。根据试验矩阵开展了遥操作交会对接系统操纵品质半实物仿真评价试验,得出了不同因变量条件下系统的操纵品质等级。论文围绕时延条件下遥操作交会控制方法做了系统的研究,所提出的方法和获得的结论对我国未来开展环月轨道遥操作交会对接任务具有一定的参考价值。
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