● 摘要
小卫星具有成本低、质量轻、体积小、性能高、研制周期短等特点，在实现全球通信、对地观测以及快速反应的军事侦察等方面起到了重要作用。以小卫星为平台的微纳探测器（微纳卫星集成探测载荷）组网编队已成为空间环境监测领域平台设计的重要发展趋势，为避免航天器本身电磁特性对空间待测信号的干扰，必须采用伸杆机构支撑各类探测载荷或传感器远离卫星本体。因此，研究空间伸杆机构及其高精度控制具有重要的理论意义和应用价值。本文针对微纳探测器的实际需求，设计了一种小体积、高伸缩比、可重复伸展/收缩控制的探测载荷支撑用伸杆机构，针对其低速伸展过程中存在的参数不确定性、非线性摩擦等因素，研究了一种基于改进LuGre摩擦模型的自适应反步控制方法，并对所设计的控制方法进行了数字仿真和实验验证，验证了本文方法的有效性。具体研究内容如下：首先，针对微小卫星空间探测载荷支撑需求，设计了一种新型薄壁管式伸杆机构，采用定扭矩弹簧装置辅助电机驱动，可实现单向、可重复的伸展/收缩控制。与传统伸杆机构相比，该机构具有小体积、结构简单、高伸缩比等特点，适用于空间微纳卫星平台与探测载荷的集成化设计；在此基础之上，本文利用拉格朗日方法建立了空间伸杆机构的动力学模型，并为下一步伸展/收缩控制方法的研究奠定了模型基础。 然后，针对伸杆机构控制中存在的参数不确定性和非线性摩擦问题，本文建立了以展开速度、位置信号作为输入变量的改进LuGre摩擦模型，并基于该模型完成了反步自适应摩擦补偿控制算法的设计，通过与固定摩擦补偿方法进行对比从而验证本文方法的可行性。仿真结果表明，本文所设计的控制方法能够有效降低摩擦等不确定性因素对伸杆控制性能的影响，提高系统的跟踪定位精度和鲁棒性。此外，本文还完成了软件平台的设计，详细介绍了几个主要的功能模块，并最终通过实验完成了电机的测试，给出测试结果。