自主空间飞网机器人系统的捕获动力学与追逃微分对策研究

Net-based autonomous space robotic system means a new space capture system with the ability of autonomous maneuvering. In this new space capture system, space net is dragged by robots. In comparison to traditional non-autonomous maneuvering capture system, it can overcome the difficulty of capturing the non-cooperative maneuvering escaping object. This new capture system will be an important technology for the future space attack-defense missions. This project aims at capturing non-cooperative maneuvering object, and studies pursuit evasion dynamics and differential game problems. The main research contents in this project include: first, the precise capture dynamical model is established for the net-based space robotic system, and its complex dynamical behavior should be analyzed when the net based space robotic system is capturing the non-cooperative maneuvering object; then, in order to safeguard the safety of net-based space robotic system, the trajectory optimization is designed including parameter uncertainty, i.e., the relaxation of tether and collision avoidance of space robots are considered in the optimal capture trajectory; next, when the captured object finds the danger, the capture filed and escape filed for both net-based space robotic system and captured object should be determined, meanwhile the result of pursuit evasion should be predicted; at last, under the result of successful capturing non-cooperative maneuvering object, the differential game between the net-based space robotic system and the captured object should be evaluated and the structure-preserving algorithm for the differential game should also be constructed. The implementation of this project will provide the necessary technology for the future successfully applying the net-based space robotic system into space attack-defense.

自主空间飞网机器人系统是指空间机器人拖动绳网构成具有自主机动能力的新型捕获系统，相对传统非自主机动捕获系统，能够解决对逃逸非合作机动目标捕获的困难，并将成为未来空间攻防任务中的一项重要技术。本项目针对捕获非合作机动目标的任务需求，进行捕获动力学与追逃微分对策研究，主要内容包括：首先，建立空间飞网机器人系统的精细捕获动力学模型，对其在捕获非合作机动目标过程中的复杂动力学行为进行机理分析；然后，为保障空间飞网机器人系统的捕获安全，设计考虑绳系松弛与机器人碰撞避免的不确定性最优捕获轨迹规划方案；其次，当被捕获目标发觉，研究并确定空间飞网机器人系统的捕获域与被捕获目标的逃避域，进而对追逃博弈结果进行预测；最后，在可捕获的前提下，研究空间飞网机器人系统与被捕获目标的追逃微分对策，以及微分对策问题的保结构数值方法。本项目的实施将为我国空间飞网机器人系统在空间攻防任务中的成功应用提供必要技术储备和支撑。

空间飞网捕获技术无论是对未来在轨服务还是空间攻防等任务都具有重要意义。对于本项目关注的处于捕获与追逃阶段的空间飞网机器人系统，自身整体捕获机动策略以及与被捕获目标之间的追逃对策是影响成功捕获的两个主要因素。为了保证空间飞网系统的成功捕获，本项目主要对自主机动空间飞网系统进行动力学分析以及主动控制研究。. 本项目主要在四方面开展研究工作：1）自主机动空间飞网机器人系统的捕获动力学建模、机理分析与预测。建立了系统展开动力学模型，克服了空间飞网柔性多体系统的高度非线性，以及展开过程几何大变形造成的数值计算困难；建立了系统捕获碰撞动力学模型，使自主机动空间飞网机器人捕获过程更加真实准确。2）考虑绳系松弛与机器人碰撞避免的不确定性最优捕获方案设计。提出了考虑动力学系统松弛的保持动力学模拟方法，有效地克服了传统非线性有限元算法不收敛的问题，且能精准预测松弛绳索的分布；提出了动力学不确定性最优轨迹规划方法，且有效避免了多次求解空间飞网机器人动力学响应问题所导致的高昂计算成本。3）自主机动空间飞网机器人系统的捕获与非合作机动目标的逃避：提出了捕获过程的瞬时最优控制方法，不仅可以将飞网快速地展开至目标位置，且同时可使得飞网到达目标形态后残余振动最小；根据微分对策问题导出的哈密顿函数确定了飞网捕获终端时刻的状态与协态变量，获得了捕获与逃避问题的界栅。4）自主机动空间飞网机器人系统与非合作机动目标的追逃微分对策研究：提出了线性二次微分对策数值算法，克服传统“直接积分”方法在奇异点处中断积分过程的局限性；发展了捕获之后的系统振动分布式模型预测控制方法，相比于集中式控制器，分布式控制方法具有容错性良好、设计灵活、可实现快速反馈控制的优势。. 本项目的研究成果为我国未来自主机动空间飞网机器人系统等空间在轨服务以及空间攻防任务提供重要的参考依据。