仿昆虫复眼的微纳航天器群设计.pdfVIP

参赛队名称 仿昆虫复眼的微纳航天器群设计 （太空牧羊人） 参赛队单位 南京航空航天大学（航天学院） 参赛队其他单位 无 参赛队员 张业鑫 王嘉轶 张婉怡 王顺飞 王宸 联系人 姓名：张业鑫 邮箱：1024918042@ 电话 日期: 2015 年6 月28 日 目录 一、需求分析及研究现状3 1.1 微纳航天器群发展背景及需求分析3 1.2 国内外研究现状分析4 二、设计理念概述6 2.1 微纳航天器群仿生复眼视觉系统描述6 三、方案设计7 3.1 单颗微纳航天器的功能性组件设计7 3.2 微纳航天器群的协同控制策略设计 10 3.2.1 微纳航天器群系统相对动力学建模 10 3.2.2 协同控制策略设计 12 3.2.3 分组分布式协同策略 13 3.2.4 基于行为的微纳航天器群协同控制 16 3.3 复眼原理20 3.3.1 复眼的结构和光学特性21 3.3.2 复眼的成像特点21 3.4 双目视觉成像设计22 3.4.1 双目视觉基本理论22 3.4.2 双目立体视觉定位系统23 3.4.3 多源双目视觉系统26 3.5 复眼多源双目视觉系统28 四、应用场景设想 29 4.1 陨石探测任务29 4.2 太空垃圾清理30 4.3 空间维护近卫群31 五、作品创新点 33 参考文献 34 2 一、需求分析及研究现状 1.1 微纳航天器群发展背景及需求分析 20世纪90年代以来，随着航天科学技术的进步，航天器的种类和功能也呈现 出多元化的发展趋势，目前大量应用于通讯、导航定位、资源勘查及空间科学探 测等领域。而为了探索未知世界、进行新的科学研究以及观测新的现象，航天任 务变得日益复杂，考虑到收益、成本、风险以及可行性，传统的大型航天器已不 能满足任务需要。同时，伴随着集成电子技术、微机械技术和计算机技术的进步， 航天器也逐渐向小型化、低成本的方向发展，微小型航天器成为了航天器发展的 热点，而随着其技术逐渐趋于成熟，航天器已经能够达到微纳级别甚至更小。虽 然单颗微纳航天器的实力不足以抗衡传统大型航天器，但是由多颗微纳航天器组 [1] 成的航天器群却拥有着与生俱来的优势 。 航天器群的概念于20世纪90年代提出，它的出现标志着航天技术已进入一个 崭新的时代。多个微小型航天器组成的分布式系统比传统的单个大型航天器更具 灵活性和冗余度, 更能容忍单点故障，降低任务失败风险。微纳航天器群最吸引 人之处在于低廉的制造和发射成本， 即低投资和高回报。此外，群飞行还能简 化日常的维护工作， 降低航天器全寿命费用。与传统的大型航天器相比,微纳航 天器群能在近地轨道为科学实验提供前者很难实现的分布式空间平台。与星座相 比，微纳航天器群飞行时星间距离短，航天器之间密切联系、协同工作，有通信 和信息交换，互相间还有动力学联系和约束条件；各航天器的有效载荷可以相同, 也可不同, 通过各种组合完成复杂的任务。 因此，微纳航天器群必将在未来的航天领域占领一席之地，目前，科学家们 对航天器群的应用前景和应用需求进行了前期探索，主要包含如下四个领域： (1) 深空探测 深空探测的范围包含了广袤的宇宙空间。由于航天器群的前述特性，其在各 国科研机构提出的深空探测计划中都扮演了重要角色，代表性的研究有美国国家 航空航天局(NASA)的TPF （类地行星探测