空间飞网机器人碰撞抓捕稳定控制研究

With the development of space technology, number of space debris rapidly increases, and accordingly the need for space debris removal is becoming more and more urgent. Due to the special rigid-flexible impact, Tethered Space Net Robot has several advantages, such as large envelop, easy capture, and fragment free. However, complex rigid-flexible impact with uncertainties enhances the difficulty of post-impact stability control and rapid capture control under multi-constraint coupling. The whole impact dynamics model is firstly derived, including the dynamics model of Tethered Space Net Robot, rigid-flexible contact inspection, impact dynamics. Based on the dynamics, natural motion of the maneuvering units after the impact is studied. Then, an intelligent estimation of the combination’s stable/spin expected trajectory is addressed, based on the net-target impact. Therefore, the adaptive stabilization/spinning control for maneuvering units is solved. Finally, the strategy of parameter and impact center estimation based on the net-target contact is proposed to solve capture control of maneuvering units under the multi-constraint coupling. The ground test experiments are carried out. This research lays the foundation of the Tethered Space Net Robot for space debris removal.

随着航天技术快速发展，空间垃圾数量快速增长，空间垃圾清理的需求也越来越迫切。空间飞网机器人特有的刚-柔碰撞式抓捕，具有大包络、易抓捕、无碎片等优势。但其复杂、且具有不确定性的刚-柔碰撞，大大增加了欠驱动、多约束耦合下的碰撞稳定控制和大包络快速抓捕控制问题的难度。本项目首先建立了包括飞网机器人动力学、刚-柔接触检测和碰撞动力学在内的碰撞系统模型，研究了各种碰撞与可机动单元碰撞后无控运动的内在联系；然后，提出一种通过飞网碰撞干扰力逆推目标运动，智能估算复合体稳定/自旋期望轨迹的方法，解决各类旋转/非旋转目标碰撞后，可机动单元的快速自适应稳定/跟旋控制；最后，提出利用飞网碰撞干扰力辨识复合体参数和估计碰撞中心的方法，解决多约束耦合下，可机动单元快速大机动的包络抓捕控制问题，并完成地面实验验证。为空间垃圾等非合作目标清理提供一种安全、高效的解决手段，为空间飞网机器人的发展和应用奠定基础。

随着航天技术快速发展，空间垃圾数量快速增长，空间垃圾清理的需求也越来越迫切。空间飞网机器人特有的刚-柔碰撞式抓捕，具有大包络、易抓捕、无碎片等优势。但其复杂、且具有不确定性的刚-柔碰撞，大大增加了欠驱动、多约束耦合下的碰撞稳定控制和大包络快速抓捕控制问题的难度。本项目首先建立了包括飞网机器人动力学、刚-柔接触检测和碰撞动力学在内的碰撞系统模型，研究了各种碰撞与可机动单元碰撞后无控运动的内在联系；然后，提出一种通过飞网碰撞干扰力逆推目标运动，智能估算复合体稳定/自旋期望轨迹的方法，解决各类旋转/非旋转目标碰撞后，可机动单元的快速自适应稳定/跟旋控制；最后，提出利用飞网碰撞干扰力辨识复合体参数和估计碰撞中心的方法，解决多约束耦合下，可机动单元快速大机动的包络抓捕控制问题，并完成地面实验验证。为空间垃圾等非合作目标清理提供一种安全、高效的解决手段，为空间飞网机器人的发展和应用奠定基础。. 基于以上研究内容，该项目负责人作为第一/通信作者，共发表期刊/会议论文20余篇，其中在IEEE T Fuzzy，IEEE T CYBER等中科院I/II区期刊文章8篇；在Elsevier和中国国防工业出版社出版中、英文专著各一部；申请发明专利共7件，授权1件。项目相关成果将用于航天一院某型运载火箭上面级仪器舱检测绳系卫星中，将于2022年底择机发射。项目负责人作为第三完成人参与的《星载绳系操控技术》获2019年国防技术发明二等奖；作为第二完成人参与的《空间绳系系统的高效稳定控制理论及其应用研究》获2021年陕西省科学技术奖自然科学一等奖。