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| 編輯推薦： |
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（1）本书具有较强的原创性，主要反映作者多年来潜心空间多体系统动力学与控制技术研究所获成果，以及由这些成果总结、凝练的理论、方法与技术。（2）本书着重考虑目标与机械臂之间复杂接触环境的建模问题，该领域在目前国内外研究中仍属于空白。（3）书中提出了一套完整的空间机械臂在轨操控任务的设计流程，具备较好的工程应用前景。（4）书中通过几种典型应用场景全面展示了拓展自由度方法在不同航天器操控任务中发挥的作用，可为相关航天任务提供新的研发思路与技术支持。
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| 內容簡介： |
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本书聚焦空间多体航天器各个模块之间的接触与相对滑动动力学与控制问题，着重考虑目标与机械臂之间复杂接触环境的建模问题，提出了基于拓展自由度的动力学建模、参数辨识、组合体稳定控制等一系列方法。全书共分为两大部分：第一部分从理论角度，介绍了动力学建模与参数识别等相关问题，包括传统空间多体动力学系统建模理论、拓展自由度建模方法、多体系统运动测量与参数识别技术等内容；第二部分从工程应用场景角度，主要聚焦控制技术相关问题，通过几个具体的算例全面展示拓展自由度建模方法在不同的航天器控制任务中所起到的作用。本书可供从事航天器动力学、多体动力学等相关研究领域的工程技术人员，以及高等院校航天相关专业师生参考。
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| 關於作者： |
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李爽，教授，南京航空航天大学航天学院博士生导师，主要从事航天器动力学与控制、航天任务智能规划与博弈、深空探测技术和航天技术新概念等方面的教学与科研工作。入选江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人、Elsevier“2019年中国高被引学者”榜单，担任Astrodynamics、《中国空间科学技术》等期刊编委。
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| 目錄：
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第1章 绪 论 1
1.1 空间多体动力学系统的定义与用途 2
1.1.1 空间碎片清除 2
1.1.2 空间服务与维护 3
1.1.3 空间对抗 5
1.2 单边约束空间多体动力学系统的典型案例 5
1.2.1 空间机械臂组合体 5
1.2.2 带有铰间隙的多体航天器 9
1.3 本书的主要研究内容与章节安排 18
1.3.1 当前研究存在的不足之处 18
1.3.2 本书的研究内容与章节安排 20
第2章 传统空间多体动力学系统建模理论 21
2.1 常用坐标系定义与坐标转换方法 22
2.2 空间多体系统的运动学建模方法 25
2.3 空间多体系统的动力学建模方法 27
2.3.1 牛顿-欧拉法 28
2.3.2 拉格朗日法 30
2.3.3 凯恩法 31
2.3.4 仿真验证 33
2.4 接触动力学模型在多体动力学系统中的应用 36
2.4.1 常用的接触动力学建模方式 36
2.4.2 传统接触动力学模型与多体动力学模型的集成方法 38
2.5 现阶段多体动力学模型所存在的不足之处 40
第3章 基于拓展自由度的多体航天器动力学建模方法 41
3.1 拓展自由度定义 42
3.2 直线接触边缘工况下的拓展自由度动力学模型 44
3.3 一般情况下的拓展自由度动力学模型 48
3.3.1 拓展自由度可观测性分析 48
3.3.2 一般情况下的改进型拓展自由度定义方式 50
3.4 仿真验证 52
3.4.1 固连状态动力学验证 53
3.4.2 组合体航天器脉冲响应动力学验证 54
3.4.3 拓展自由度模型与牛顿力学模型的比对 56
3.4.4 非直线接触边缘工况与不同摩擦力模型的比对 57
3.5 本章小结 61
第4章 基于拓展自由度的多体系统运动测量与参数识别技术 63
4.1 相对运动测量与解算方法 64
4.2 复杂相对运动环境下对非合作目标动力学参数的估计方法 68
4.2.1 基于几何特征匹配的目标质心位置提取方法 69
4.2.2 基于拓展自由度的空间机械臂组合体动力学模型分析 71
4.3 基于初值猜测的非合作目标动力学参数识别方法 79
4.4 仿真验证 84
4.4.1 目标与执行机构间相对运动的测量策略 85
4.4.2 复杂相对运动环境下非合作目标的动力学参数识别算法测试 87
4.5 本章小结 95
第5章 拓展自由度方法在空间单机械臂组合体系统中的应用 97
5.1 任务场景定义与传统机械臂零空间控制算法回顾 98
5.2 基于模式切换的空间非合作目标组合体阻尼消旋稳定控制方法 100
5.2.1 第一类阻尼消旋控制方法 101
5.2.2 第二类阻尼消旋控制方法 103
5.2.3 基于多工作模式切换的组合体稳定消旋控制策略集成 105
5.3 考虑相对滑动的空间非合作目标组合体姿态机动控制算法 107
5.4 仿真验证 109
5.4.1 基于模式切换的空间非合作目标组合体阻尼消旋稳定控制方法 110
5.4.2 基于模式切换的空间非合作目标组合体姿态控制算法 116
5.5 本章小结 121
第6章 拓展自由度方法在带有铰间隙的多体系统中的应用 122
6.1 挠性运动部件与星体姿态的耦合动力学建模 123
6.1.1 任务场景定义 123
6.1.2 带有运动天线的敏捷卫星系统动力学建模方法 124
6.2 运动天线转动扰动抑制与补偿控制器设计 129
6.2.1 基于动力学模型的LPV误差识别方法 129
6.2.2 一阶滑模控制方法 130
6.2.3 针对天线挠性的讨论 133
6.3 带有间隙的多体动力学系统建模 134
6.3.1 任务场景介绍 134
6.3.2 二阶滑模跟踪控制方法的讨论 138
6.3.3 铰间隙对控制器的影响 138
6.4 仿真验证 139
6.4.1 不考虑铰间隙的定点模式控制 140
6.4.2 不考虑铰间隙的多体系统跟踪模式控制 145
6.4.3 带有铰间隙的控制器设计 147
6.5 本章小结 151
第7章 拓展自由度方法在空间多机械臂组合体系统中的应用 152
7.1 平面环境内复杂多机械臂变拓扑系统的建模 153
7.2 基于拓展自由度的三维空间内并联多臂系统动力学建模方法 157
7.2.1 三维运动下摩擦力模型的拓展 157
7.2.2 基于接触动力学模型的多体系统建模方法 159
7.2.3 模型集成 163
7.3 仿真验证 166
7.3.1 二维环境任务场景仿真验证 166
7.3.2 多机械臂对于多体目标的操控技术仿真 177
7.4 本章小结 182
第8章 拓展自由度方法在空间机械臂抓捕非合作目标过程中的应用 183
8.1 任务场景定义 184
8.1.1 单臂抓捕任务场景 184
8.1.2 多臂抓捕任务场景 186
8.2.抓捕策略设计 191
8.2.1 基于相对运动分解的空间单臂抓捕策略 191
8.2.2 基于深度强化学习的抓捕路径规划算法 199
8.3 仿真验证 209
8.3.1 单臂抓捕 209
8.3.2 多臂抓捕 216
8.4 本章小结 223
参考文献 225
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| 內容試閱：
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空间多体航天器系统在现代航天任务中扮演着极其重要的角色，空间在轨服务与维护、空间交会对接、空间碎片清理、大型航天器在轨组装等都属于这个范畴。顾名思义，多体航天器指的是需要数个模块彼此连接协同才能运转的空间系统，而模块与模块之间在彼此连接接触的过程中，难免会出现固连、滑动、迟滞、扭转等复杂的接触现象。因此，对于模块之间存在物理接触的情况下出现的复杂相对运动的研究就显得尤为重要，这就是单边约束运动的概念。
当前，对空间多体航天器系统数学建模的方法一般较为固定，基本上都是采用基于多关节运动链系统的多体动力学模型。而对于关节之间的复杂接触和相对运动问题，现阶段的研究中则没有得到充分的讨论，也没有把这种复杂接触问题定量地引入到多体航天器的参数辨识与控制器设计之中。
本书主要以单边约束环境下的多体航天器动力学建模与控制技术为背景，重点研究基于拓展自由度方法的多体航天器各个模块之间的复杂接触情况下动力学建模问题，并发展了与之相配套的控制算法，从而较完满地解决了复杂接触条件下空间多体航天器动力学建模与控制难题。本书所提出的空间多体航天器动力学建模与控制技术，有效地提高了空间机械臂系统在复杂任务环境中的操控能力，为空间机械臂操控理论的发展提供了一条新思路，也为后续的相关型号任务的顺利实施提供了有益的借鉴。
本书将聚焦空间多体航天器各个模块之间的接触与相对滑动问题，通过动力学建模、参数辨识与控制器设计三个方面的工作，解决现有研究的不足。全书共分为两大部分：
第一部分为理论讨论，聚焦动力学建模与参数识别等相关问题，包括本书的第１章～第４章。其中，第１章为绪论，明确了本书的研究背景、研究目标和主要研究内容。第２章为传统空间多体动力学系统建模理论，介绍了在研究多体动力学系统过程中会用到的数学工具，并对传统的空间多体动力学建模方法进行回顾。第３章为拓展自由度建模方法，定义了本书的研究对象，明确了相关的假设和约束条件，并基于传统建模方法的不足，给出拓展自由度的具体定义。第４章为基于拓展自由度的多体系统运动测量与参数识别技术，对拓展自由度动力学模型进行进一步深入讨论，并从实际工程应用需求出发，对新增自由度的可观测性和普适性等方面的问题进行论证。
第二部分为应用场景分析，聚焦控制技术相关问题，通过几个具体的算例全面展示拓展自由度建模方法在不同的航天器控制任务中所起到的作用，包括本书的第５章～第8章。其中，第5章以空间单机械臂抓捕非合作目标为任务背景，描述了在考虑单边约束的情况下，利用拓展自由度建模方法实现对空间单机械臂组合体系统的建模与控制器设计。第6章则将研究对象定为带有铰间隙的多体航天器系统，以一个带有可运动天线的航天器控制任务为例，描述了基于拓展自由度的铰间隙多体系统的建模方法和相关的控制器设计。第7章进一步将任务场景设置为空间多机械臂系统，首先通过拓展自由度的方式提出了空间并联系统的动力学建模方法，并采用新型神经网络自适应方法实现了对空间多柔性机械臂系统的控制作业。可以注意到，第5章～第7章这三个应用场景都是单个多体航天器系统或机械臂抓住目标之后的组合体运动。为了尽可能全面地认识拓展自由度建模方法的特点和优势，本书最后在第8章将问题设定在空间机械臂抓捕非合作目标的任务之中，探讨拓展自由度模型在任务场景中同时存在机械臂和目标两个物体的情况下，对抓捕任务的规划和控制过程将起到怎样的影响。
本书主要由南京航空航天大学航天学院李爽、佘宇琛、李胤慷撰写。其中，第1章和第2章由李爽、佘宇琛撰写；第3章～第8章由李爽、佘宇琛、李胤慷撰写；李爽负责全书统稿和审校。在此，特别致谢上海交通大学孟光教授和西北工业大学邓子辰教授，他们都是我在学术研究中的良师益友，向他们表示衷心的感谢！本书的出版还得到了国家自然科学基金和中国航天科技集团五院502所空间智能控制技术重点实验室项目的支持，在此一并表示感谢！
本书在撰写过程中参考和引用了国内外相关文献，本书的完成离不开这些文献作者的开创性工作，在此表示深深的谢意。
限于作者水平及能力，书中难免有诸多不妥之处，敬请广大读者不吝批评指正。
李爽
2022年10月
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