自重构卫星的重构路径规划算法研究

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1、硕士学位论文自重构卫星的重构路径规划算法研究RESEARCHONRECONFIGURATIONPATHPLANNINGALGORITHMFORSELF-RECONFIGURABLESATELLITES陈欣哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V448.2学校代码：10213国际图书分类号：629.78密级：公开工学硕士学位论文自重构卫星的重构路径规划算法研究硕士研究生：陈欣导师：孙兆伟教授申请学位：工学硕士学科：航空宇航科学与技术所在单位：卫星技术研究所答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨

2、工业大学ClassifiedIndex:V448.2U.D.C:629.78DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONRECONFIGURATIONPATHPLANNINGALGORITHMFORSELF-RECONFIGURABLESATELLITESCandidate：CHENXinSupervisor：Prof.SUNZhaoweiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciali

3、ty：AerospaceScienceandTechnologyAffiliation：ResearchCenterofSatelliteTech.DateofDefense：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要自重构卫星由于其可在轨实现变结构的特点而具有广泛的应用前景，除了设计卫星模块的结构外，规划卫星实现构型重组的运动路径也成为应用难题。由于自重构卫星的结构独特性决定了其

4、基本运动方式，针对某种自重构模块提出的运动规划算法往往具有专一性，难以得到广泛的应用拓展。本文在对国内外多种自重构机器人的运动特点展开深入研究后，综合M-Blocks及Miche机器人的等优点，提出一种旋转式运动的立方体对称结构的自重构卫星，并且以此为研究对象研究了自重构卫星构型表达、重构运动规划算法等内容。卫星整体的工作空间与功能实现都与卫星的拓扑结构紧密相关，根据模块具有的运动自由度，提出基于图论理论的位置矩阵与连接矩阵结合的数学描述方法表达卫星构型。利用这两个矩阵，结合自重构卫星的运动规则，建立基

5、于MATLAB语言的二维及三维模块单步运动的可运动构型库。并且为保留卫星模块在旋转过程中变换的姿态信息，本文研究出模块在旋转运动中的姿态变换矩阵。在运动规则基础上，本文首先设计出二维平面内重构运动的集中式规划算法，得到数学仿真验证算法的可行性。然后提出针对卫星模块三维运动的集中式分层运动规划算法，并将三维运动降维至二维运动，利用二维平面内重构运动规划算法以降低路径的规划难度。考虑到实际任务中个别功能模块卫星具有指向性约束，结合模块运动的姿态信息，完成对有模块姿态约束的卫星重构运动路径规划。为提高重构运动

6、的效率，使卫星能够快速由初始构型变构至目标构型，本文利用自重构卫星对局部周围环境的感知能力和自主决策、独立运动的特点，提出分布式运动规划算法控制多个模块同时向目标位置运动，并通过仿真验证规划算法的有效性，并与集中式运动规划算法进行比较，得到较好的结果。最后，本文对分布式运动规划算法进行改进，并将其应用于含有姿态约束模块的卫星重构运动中，控制包括姿态约束模块在内的多个卫星模块同时向目标构型运动，并通过数学仿真得到的结果验证改进后算法的可行性与高效性。关键词：自重构卫星，路径规划，模块姿态约束，模块分布式运

7、动，构型最佳匹配-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractSelf-reconfigurablesatelliteshaveawiderangeofapplicationprospectsduetotheirvariablestructureinorbit.Inadditiontodesigningthestructureofthesatellitemodule,howtoplanthereconfigurationofthesatelliteconfigurationhasbecomeadi

8、fficultprobleminapplications.Theuniquenessofthestructureoftheself-reconfigurablesatellitedeterminesitsmotionrules.Therefore,theproposedreconfigurationplanningalgorithmisoftenspecificanddifficulttobewidelyused.Afterdeeplyre