基于颗粒动力学的小天体采样过程动力学与控制仿真方法与流程

本发明属于空间相对导航，尤其涉及一种基于颗粒动力学的小天体采样过程动力学与控制仿真方法。

背景技术：

1、小天体是指围绕太阳运行的体积较小的天体，是迄今发现数量最多的太阳系天体。科学家普遍认为小天体是太阳系形成后原始太阳星云凝聚出的物质残余，很可能保留着原始太阳系信息。小天体研究能够推动太阳系起源、行星演化、生命起源等基础科学问题的突破，是当前空间探索的前沿、热点问题。

2、采样过程是小天体探测任务中技术难度大、不确定因素多、风险系数高的关键环节，涉及接触碰撞、结构振动、多体运动、姿态控制、机械臂控制等复杂动力学与控制行为，在地面难以精确模拟小天体特殊弱引力场环境的情况下，亟需通过仿真方法模拟小天体星壤力学特性和采样过程动力学与控制耦合特性，以确保方案设计合理性和在轨飞行安全性。

3、目前方法的主要问题有：

4、(1)在星壤特性建模方面，小天体表面土壤力学特性对安全附着和成功采样至关重要，不同于月球和火星等大天体，小天体体积小，引力场非常微弱，表面通常由比较松散的风化层颗粒和较小碎石组成，即使在低速碰撞条件下，小天体星壤仍会发生变形、流动或颗粒飞溅，给接触探测带来了挑战和风险，而现有的天体星壤建模主要采用基于连续介质理论的等效力学接触碰撞动力学建模方法，无法模拟小天体星壤风化层流动、飞溅等不连续的颗粒动力学行为。

5、(2)在动力学与控制联合仿真方面，虽然目前关于颗粒动力学、多体动力学和控制建模都有相关专业软件可用，如离散元仿真软件edem、多体动力学仿真软件adams、科学计算软件matlab等。但是，对于小天体采样过程所要求的系统级、多学科动力学与控制仿真要求，还缺少一款综合性仿真软件或研究方法。究其原因，主要是各商业软件能够满足软件本身专业范围内的建模工作，无法真实模拟采样过程各子系统间的复杂耦合特性，如离散元仿真软件edem本身可以实现小天体星壤颗粒动力学仿真和单质量体受限运动与颗粒流的耦合仿真，虽然具备与adams的联合仿真接口，但不具备控制系统的建模能力。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于颗粒动力学的小天体采样过程动力学与控制仿真方法，针对小天体采样过程多学科、系统级动力学与控制联合仿真问题，给出了小天体星壤颗粒流动力学、探测器柔性多体动力学、探测器姿轨控制与机械臂控制的数学仿真模型，并定义了相互之间的接口关系，实现了小天体采样过程颗粒动力学-多体动力学-控制的多学科、系统级联合仿真，为小天体星壤风化层颗粒特性模拟及采用过程动力学与控制耦合特性分析提供了重要技术手段。

2、为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于颗粒动力学的小天体采样过程动力学与控制仿真方法，包括：

3、建立小天体颗粒动力学模型和探测器系统柔性多体动力学模型；

4、基于小天体颗粒动力学模型和探测器系统柔性多体动力学模型，建立颗粒动力学-多体动力学-控制耦合仿真模型；

5、基于颗粒动力学-多体动力学-控制耦合仿真模型，利用数值积分算法，实现小天体采样过程的动力学与控制联合仿真求解计算，获得本体姿态、太阳翼振动、颗粒接触力、本体控制力和机械臂控制力，作为小天体采样方案设计与优化的依据。

6、在上述基于颗粒动力学的小天体采样过程动力学与控制仿真方法中，小天体颗粒动力学模型表示如下：

7、

8、fh＝fcontact(fn,ft)

9、其中，fn表示颗粒法向碰撞力，e*表示杨氏模量，r*表示当量半径，δn表示法向重叠量，m*表示当量质量，表示相对速度的法向分量，β表示系数，sn表示法向刚度；ft表示颗粒切向碰撞力，st表示切向刚度，δt表示切向重叠量，表示相对速度的切向分量；fh表示机械臂末端采样器与小天体接触碰撞力和力矩，fcontact()表示颗粒作用在机械臂末端采样器接触几何体的合力和合力矩计算函数。

10、在上述基于颗粒动力学的小天体采样过程动力学与控制仿真方法中，

11、

12、其中，e表示恢复系数。

13、在上述基于颗粒动力学的小天体采样过程动力学与控制仿真方法中，

14、

15、其中，g*表示当量剪切模量。

16、在上述基于颗粒动力学的小天体采样过程动力学与控制仿真方法中，探测器系统柔性多体动力学模型表示如下：

17、

18、其中，κ表示参数向量集，κ＝[v0,ω0,q,η]t，v0表示本体的速度，ω0表示本体的角速度，q表示机械臂关节角，η表示太阳翼弹性振动模态；m(q)表示广义质量阵，t表示时间，表示本体的角速度的斜对称矩阵，表示m(q)的前6行分块阵，q1表示机械臂第1关节的关节角，q2表示机械臂第2关节的关节角，表示本体的速度的斜对称矩阵，i表示单位矩阵，k表示太阳翼刚度阵，f表示作用在本体系的外力和外力矩，τ表示机械臂的关节力矩，j表示机械臂末端的雅可比矩阵。

19、在上述基于颗粒动力学的小天体采样过程动力学与控制仿真方法中，颗粒动力学-多体动力学-控制耦合仿真模型，包括：小天体颗粒动力学模型、探测器系统柔性多体动力学模型、本体姿轨控制模型和机械臂控制模型。

20、在上述基于颗粒动力学的小天体采样过程动力学与控制仿真方法中，本体姿轨控制模型表示如下：f＝fgnc(v0,ω0)；其中，f表示作用在本体的控制力和力矩，fgnc()表示本体姿轨控制函数。

21、在上述基于颗粒动力学的小天体采样过程动力学与控制仿真方法中，机械臂控制模型表示如下：其中，fjxb()表示机械臂控制函数。

22、本发明具有以下优点：

23、(1)本发明公开了一种基于颗粒动力学的小天体采样过程动力学与控制仿真方法，基于离散元理论方法实现了小天体星壤弱引力条件下的不连续接触碰撞建模，突破了目前多体动力学建模方法只能考虑连续体接触碰撞(如采样器与大岩石等硬性地面的接触碰撞)，而无法适用于小天体星壤特性建模的局限性。

24、(2)本发明公开了一种基于颗粒动力学的小天体采样过程动力学与控制仿真方法，可以实现小天体星壤特性、探测器多体运动特性、太阳翼振动特性、控制及相互间耦合特性建模，突破了目前研究方法只能做局部建模分析，而无法满足小天体采样过程复杂的多学科、系统级建模仿真要求的局限性。

25、(3)本发明公开了一种基于颗粒动力学的小天体采样过程动力学与控制仿真方法，能够根据颗粒动力学、多体动力学和控制等模型的多时间尺度特性及对仿真精细程度的不同要求，给出了变步长、高效率仿真方法，突破了目前商业软件间联合仿真因固定通信步长而导致仿真效率低下的局限性。

技术特征：

1.一种基于颗粒动力学的小天体采样过程动力学与控制仿真方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于颗粒动力学的小天体采样过程动力学与控制仿真方法，其特征在于，小天体颗粒动力学模型表示如下：

3.根据权利要求2所述的基于颗粒动力学的小天体采样过程动力学与控制仿真方法，其特征在于，

4.根据权利要求2所述的基于颗粒动力学的小天体采样过程动力学与控制仿真方法，其特征在于，

5.根据权利要求2所述的基于颗粒动力学的小天体采样过程动力学与控制仿真方法，其特征在于，探测器系统柔性多体动力学模型表示如下：

6.根据权利要求5所述的基于颗粒动力学的小天体采样过程动力学与控制仿真方法，其特征在于，颗粒动力学-多体动力学-控制耦合仿真模型，包括：小天体颗粒动力学模型、探测器系统柔性多体动力学模型、本体姿轨控制模型和机械臂控制模型。

7.根据权利要求6所述的基于颗粒动力学的小天体采样过程动力学与控制仿真方法，其特征在于，本体姿轨控制模型表示如下：f＝fgnc(v0,ω0)；其中，f表示作用在本体的控制力和力矩，fgnc()表示本体姿轨控制函数。

8.根据权利要求6所述的基于颗粒动力学的小天体采样过程动力学与控制仿真方法，其特征在于，机械臂控制模型表示如下：其中，fjxb()表示机械臂控制函数。

技术总结
本发明公开了一种基于颗粒动力学的小天体采样过程动力学与控制仿真方法，包括：建立小天体颗粒动力学模型和探测器系统柔性多体动力学模型；建立颗粒动力学‑多体动力学‑控制耦合仿真模型，并利用数值积分算法，实现小天体采样过程的动力学与控制联合仿真求解计算。本发明针对小天体采样过程多学科、系统级动力学与控制联合仿真问题，给出了小天体星壤颗粒流动力学、探测器柔性多体动力学、探测器姿轨控制与机械臂控制的数学仿真模型，并定义了相互之间的接口关系，实现了小天体采样过程颗粒动力学‑多体动力学‑控制的多学科、系统级联合仿真，为小天体星壤风化层颗粒特性模拟及采用过程动力学与控制耦合特性分析提供了重要技术手段。

技术研发人员：葛东明,张熇,邓润然,柳翠翠,郭璠,许映乔,邹元杰,宫伟伟,鄂薇,于伟
受保护的技术使用者：北京空间飞行器总体设计部
技术研发日：
技术公布日：2025/4/6