随着人类对外层空间的不断探索、开发和利用,空间交会对接技术将在航天器补给、维修、在轨组装等领域发挥关键作用。开展航天器交会对接动力学、控制和地面实验研究可为航天工程未来的发展提供技术支撑和理论参考。本文基于二维交会对接模型,研究了两航天器的近程交会对接动力学与控制问题,通过数值分析和地面实验进行控制算法验证,并设计了相应的电磁对接机构。主要的研究内容如下:1.考虑追踪航天器与类矩形障碍物的避撞约束以及与心形目标航天器的安全对接区域约束,基于势函数方法设计了势能控制器,通过数值仿真算例证明了该控制器的有效性。2.考虑推进力、视场和速度约束,以及与菱形障碍物的避撞约束,利用最优控制方法对交会对接过程进行规划,通过辛算法求解得到了追踪航天器的最优轨迹。将求解的最优轨迹作为参考,设计了一种PD跟踪控制器,以满足实时反馈控制需求。3.考虑对接机构的主要设计指标,设计了两种电磁对接机构。第一种是可重复实现锁紧/解锁的空间电磁对接机构,可避免推进剂的消耗和羽流污染,并在理论上可把碰撞速度控制到零;另一种是应用于地面实验的简易电磁对接机构,可实现两气浮模拟器的对接、锁紧。4.基于花岗岩气浮平台搭建了二维交会对接地面实验系统,设计并研制了两套航天器气浮模拟器,并在模拟器上安装了实验电磁对接机构。通过地面实验依次验证了势能控制器和PD跟踪控制器的有效性。