全国优秀博士学位论文获得者，江苏高校“青蓝工程”中青年学术带头人。现任南京航空航天大学智能装备动力学中心教授、全国非线性振动专业委员会委员、复杂装备MBSE联盟数字孪生及使能技术委员会副主任委员、江苏省力学学会一般力学专业委员会委员和美国航空航天学会高级会员，曾任南京航空航天大学振动工程研究所长。目前主要从事大型空间结构、空间机器人及无人飞行器等领域研究。主持国家重点研发计划课题、民用航天预研、国家自然科学基金等科研项目，参与国家自然科学基金重大项目和重点项目、载人航天预研项目等课题研究。在Journal of Guidance, Control, and Dynamics、Nonlinear Dynamics、AIAA Journal等权威期刊发表学术论文80余篇，其中SCI收录论文50余篇，获发明专利授权10余项。

主要研究方向：

航天结构在轨组装和重构动力学与控制

Dynamics and Control of Autonomous Assembly of a Space Structure on Orbit

在轨组装是一种在太空进行结构装配的技术，其独特的优势在于：一是相比于在轨展开技术，能够构建尺度更大的巨型空间结构，例如，大口径望远镜、大口径天线、巨型太阳能阵列、太阳光子推进帆等；二是便于根据任务变化进行结构重构；三是易于对故障组件进行替换。在轨组装可分为“有人参与”和“自主”组装两种类型。有人参与的在轨组装主要通过地面远程控制或航天员在轨操作完成。自主组装则是由专门的空间机器人自动完成部件的取运和装配；或是利用部件间的自主交会、对接实现系统组装。研究团队针对在轨自主组装动力学、控制及地面实验开展了深入研究。例如，针对超大型空间望远镜在轨组装任务涉及的模块化结构设计、无接触视觉测量以及机械臂控制等关键问题，通过地面模拟实验平台对自主组装策略进行了验证，如图1所示。再如，针对追踪航天器与自旋目标航天器的交会对接任务，基于势函数理论、前馈控制理论以及比例-微分控制理论，提出了分阶段控制策略，并通过地面实验系统进行实验验证，如图2所示。又如，针对柔性机械臂空间机器人在轨目标捕获和在轨组装的动力学建模与运动控制问题，提出了含结构振动抑制和双臂抓捕的分段抓捕策略，并设计了携带柔性附件的空间飞行双臂机器人，通过气浮实验系统配合仿真器进行了实验验证，如图3所示。

图1 固定基座机械臂进行结构模块组装的物理仿真实验过程

Figure 1 Autonomous assembly of structural modules using fixed-base robot

图2 两个航天器进行自主交会、对接的物理仿真实验过程

Figure 2 Experimental research on RVD mission of two spacecraft simulators

图3 飞行双臂机器人进行部件组装地面实验过程

Figure 3 Ground experiment process of flight dual-arm robot assembly

图4 飞行双臂机器人地面模块预组装调整及装配实验过程

Figure 4 Ground experiment process of flight dual-arm robot module pre-assembly, adjustment, and assembly

空间爬行机器人动力学与控制

Dynamics and Control of Space Climbing Robots

随着空间科学与技术的不断进步，人类探索太空的脚步日益加快。为了适应高精度观测、大容量通讯、空间太阳能以及深空探测等重大战略需求，我国航天科技的未来发展迫切需要掌握基于柔性空间结构的大型航天器技术。2020年中国航天大会就将“超大型空间光学装置在轨组装和维护技术”列为“2020年宇航领域科学问题和技术难题”之一。2022年，中国科协将“如何实现极大口径星载天线在轨展开、组装及建造”遴选为十个重大工程技术难题之一。大型航天器在轨建造和维护主要有三种实施途径：宇航员出舱作业、遥操作机械臂和自主空间机器人。与前两种“有人参与”方式相比，自主空间机器人不受遥操作通讯时滞的影响，能够在极端温度、真空、辐射等恶劣环境下长期工作，规避了宇航员出舱作业风险和高昂维生成本，极大扩展了空间作业的区域和能力。随着机器人和人工智能技术的发展，通过自主空间机器人实施超大型航天器的构建和维护必将成为航天科技领域的重要发展方向。目前，空间机器人研究主要关注三类系统：自由飞行机器人、固定机械臂和爬行机器人。其中，爬行机器人通过机械臂末端夹爪或粘附机构等与航天器相互作用，利用机械臂关节驱动配合夹爪交替固定等方式，实现附着于航天器的爬行运动，因其无需消耗燃料且能覆盖较广的工作区间，更符合构建和维护超大型空间结构高效率、低成本的需求。针对大型空间桁架结构在轨组装场景中极远处结构难以装配的问题，研究团队设计了一种附着在桁架上移动的两足空间爬行机器人，用于执行极远处空间结构的组装任务。机器人两端各配备一个夹爪，通过交替改变夹爪位置实现在空间桁架上移动。针对机器人在离散桁架结构上的路径规划问题，综合考虑机器人步态、步长与安全裕度，规划最优落点序列；针对单个夹爪的移步运动阶段，采用基于几何一致变换的黎曼运动策略合成算法，对空间爬行机器人进行单步运动规划。图5为空间爬行机器人沿桁架结构爬行的仿真验证过程。再如，研究团队自行研制了机器人爬行试验平台，利用气浮技术模拟了微重力环境下机器人沿桁架爬行的试验，验证了机器人样机的运动功能及自行设计的“等距爬行的轨迹规划”方案的可行性，实现了较好的爬行效果，如图6所示。

图5 两足空间爬行机器人在桁架上移动的仿真过程

Figure 5 Simulated locomotion of bipedal climbing robot moving on a space truss

图6 两足空间爬行机器人在桁架上移动的地面实验过程

Figure 6 Ground experiment process of bipedal climbing robot moving on a space truss

绳系卫星系统的动力学与控制

Dynamics and Control of Tethered Satellite Systems

绳系卫星系统意指借助柔性系绳将两个或多个人造卫星连在一起飞行的组合体。这种系绳通常由高强度纤维或导电材料制成，长度可达几十公里。特别地，具有导电特性的空间系绳（通常称电动力系绳）在绕地飞行时会切割地磁场，并产生很大的动生电动势。电流在流过系绳时会与地磁场相互作用而产生Lorenz力，特别适合用于改变航天器轨道，或是太空垃圾的降轨及清理。基于电动力绳的离轨技术具有基本无需燃料、质量小、简单易用和低成本的优点，在众多空间碎片离轨技术中具有独特优势和经济价值。空间系绳的另一重要应用是通过系绳将多个卫星相连构成协同工作的绳系编队飞行系统，可用于对地观测、深空探测等科学任务，具有广阔的应用前景。基于合成孔径技术，将子孔径（光学、微波等观测器）安装在由系绳相连的编队卫星上构造超大孔径干涉仪，实现对目标的高分辨率成像。并且通过系绳卷绕实现孔径改变、队形保持，可大幅降低系统燃料消耗，提高在轨服务寿命。近二十年里，研究团队针对绳系航天器动力学、控制及实验问题开展了深入研究。图7所示是南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室研制的绳系航天器地面实验系统。

图7 绳系航天器地面实验系统

Figure 7 Ground-based experimental system for TSS research

部分学术论文：

1.     Wen H, Huang L, Xu S D, Jin D P. Angular velocity observer for space tether exploiting non-singular dynamics and vector measurements. Nonlinear Dynamics, 2021, 104(1): 399-410.

2.     Luo C Q, Huang L, Wen H, Kang J J, Jin D P. Model predictive control for spin-up maneuver of an electrodynamic tether system. Acta Astronautica, 2021, 189: 55-62.

3.     Pang Z J, Wen H, Rui X T, Du Z H. Nonlinear resonant analysis of space tethered satellite system in elliptical orbits. Acta Astronautica, 2021, 182: 264-273.

4.     Luo C Q, Wen H, Jin D P, Xu S D. Dynamics of a flexible multi-tethered satellite formation in a Halo orbit with uncertain parameters. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2021, 99: 105828.

5.     Xu S D, Wei Z T, Huang Z, Wen H, Jin D P. Fuzzy-logic-based robust attitude control of networked spacecraft via event-triggered mechanism. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2021, 57(1): 206-226.

6.     Huang L, Wen H, Cheng L, Xu S D. Nonlinear model predictive control for attitude maneuver of a barbell electric sail through voltage regulation. Acta Astronautica, 2021, 179: 146-152.

7.     Cheng L, Wen H, Jin D P. Reconfiguration control of satellite formation using online quasi-linearization iteration and symplectic discretization. Aerospace Science and Technology, 2020, 107: 106348.

8.     Luo C Q, Sun J L, Wen H, Jin D P. Dynamics of a tethered satellite formation for space exploration modeled via ANCF. Acta Astronautica, 2020, 177: 882-890.

9.     Yang S J, Wen H, Hu Y H, Jin D P. Coordinated motion control of a dual-arm space robot for assembling modular parts. Acta Astronautica, 2020, 177, 627-638.

10.  Xu S D, Wen H, Huang Z, Jin D P. A fuzzy control scheme for deployment of space tethered system with tension constraint, Aerospace Science and Technology, 2020, 106: 106143.

11.  Ma J T, Wei Z T, Wen H, Jin D P. Boundary control of a Timoshenko beam with prescribed performance. Acta Mechanica, 2020, 231(8), 3219-3234.

12.  Wei Z T, Wen H, Hu H Y, Jin D P. Ground experiment on rendezvous and docking with a spinning target using multistage control strategy, Aerospace Science and Technology, 2020, 104: 105967.

13.  Xu S D, Wen H, Zheng H. Robust fuzzy sampled-data attitude control of spacecraft with actuator saturation and persistent disturbance. Aerospace Science and Technology, 2020, 101: 105850.

14.  Lu Y, Huang Z, Zhang W, Wen H, Jin D P. Experimental investigation on automated assembly of space structure from cooperative modular components. Acta Astronautica, 2020, 171: 378-387.

15.  Ma J T, Wen H, Jin D P. PDE model-based boundary control of a spacecraft with double flexible appendages under prescribed performance. Advances in Space Research, 2020: 65(1): 586-597.

16.  Chen Y, Wen H, Jin D P. Design and experiment of a noncontact electromagnetic vibration isolator with controllable stiffness. Acta Astronautica, 2020, 168: 130-137.

17.  罗操群, 孙加亮, 文浩, 胡海岩, 金栋平. 多刚体系统分离策略及释放动力学研究. 力学学报, 52(2), 503-513, 2020.

18.  徐兴念, 文浩, 韦正涛. 基于超二次曲线障碍描述的航天器交会对接地面实验研究. 动力学与控制学报, 18(2), 42-49, 2020.

 

承担的科研项目情况：

国家自然科学基金青年、面上、重点和重大项目，国家重点研发计划项目、博士学科点基金，中国博士后基金，全国优博专项基金，国家重点实验室自主研究课题，民用航天及载人航天预研项目，与航天院所合作研究项目等

• 2002.9 -- 2009.3

  南京航空航天大学       工学       南京航空航天大学航空宇航学院       博士

• 1998.9 -- 2002.6

  南京航空航天大学       航空飞行器设计       大学本科毕业       工学学士学位

• 《Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering》Associate Editor

• 《力学学报》青年编委

• 《航空学报》青年编委

• 复杂装备MBSE联盟数字孪生及使能技术委员会副主任委员

• [1]数字主线及数字孪生
• [2]复杂结构动力学建模及振动控制
• [3]空间机器人动力学与控制
• [4]绳系卫星系统的动力学与控制
• [5]航天结构的在轨组装和重构动力学与控制