开放式空间刚-柔智能群体机器人基础理论与关键技术研究

Tethered Space System has received much attention in recent years because of its significant advantages of dexterousness, long life cycle and function expansion. Rigid-flexible intelligent system is a new concept of space system, which consists of intelligent cluster robots and several connected tethers. It can be widely applied in scientific experiment, space resources exploration, Earth observation and space defense. Thus, it plays an important role in the development of space technology. However, there are nearly no related research focused on this topic. A better understanding of dynamic modeling, dynamic analysis and calculation methods for multi-tether intelligent cluster robot system is necessary. In order to provide the basic theory for rigid-flexible space system, this project studies the scientific problems of rigid-flexible intelligent cluster in different space mission scenarios,including configuration design, dynamics analysis, collaborative sensing, intelligent decision, and multi-agent control. The results of this project based on the gournd test of the key technology will lay the theoretical foundation for extensible rigid-flexible intelligent cluster space system.

空间系绳在灵活性、生命周期和功能拓展性等方面优势显著，成为近年来国内外航天领域的研究热点之一。开放式空间刚-柔智能群体机器人是一种新概念航天系统，由多根空间系绳将智能群体机器人逐一连接组成，其在科学实验、空间资源探索、对地观测以及空间攻防等任务中具有广泛应用前景，对国家航天技术的发展具有重要战略意义，必须尽快开展相关的基础理论和相关技术研究。本项目针对开放式空间刚-柔智能群体，根据其在不同任务背景下的应用需求，提炼共性科学问题，揭示此类空间刚-柔混合智能群体在动力学、感知和控制方面的科学本质，具体研究内容包括：拓扑构型设计和动力学建模、多刚-柔耦合动力学特性分析、连接约束下的运动状态协同估计、系统构型保持/机动/变构型的智能决策与多智能体控制，最后，开展基于关键科学问题和技术方法的地面实验验证，研究成果将为空间大尺寸刚-柔混合系统提供理论支撑。

本项目“开放式刚-柔智能群体的基础理论与关键技术研究”旨在提炼此类空间多柔性连接卫星平台的科学问题，揭示此类空间刚-柔混合智能群体在动力学、感知和控制等方面的科学本质，为更多的空间刚-柔混合系统提供理论支撑。按照2019-2022年度计划，本项目围绕拓扑构型设计和动力学建模、多刚-柔耦合动力学特性分析、连接约束下的运动状态协同估计、系统构型保持/机动/变构型的智能决策与多智能体控制及相关地面实验验证等研究内容展开了研究，圆满完成了各项计划要求。重点研究了基于伪测量法的直链式N体空间绳系系统约束状态估计、基于最少传感器设计的空间三体绳系系统状态估计研究、基于弦振动的大尺度柔性系绳张力非接触测量方法研究，考虑系绳约束及姿轨耦合等约束条件下的星-绳一致性控制、基于动态最优的多约束耦合下的姿态\位置一致性控制，并根据研究内容完成了地面试验验证。. 项目成果中的空间绳系机器人稳定控制技术，已经与中国航天某院总体部建立项目合作关系，明确了绳系伴飞卫星对火箭上面级的成像监测任务需求，相关项目拟于2023年上半年择机进行在轨飞行验证。圆满完成了项目任务书规定的成果要求。此外，项目团队已与中科院微小卫星研究中心联合，拟通过载人航天搭载试验方式，完成本项目相关的多绳系航天器关键基础理论与技术的在轨试验与验证。. 基于以上理论研究、技术攻关与工程应用，结合理论研究和实验验证结果，发表SCI论文44篇，其中在相关领域IEEE Trans、航空航天领域TOP期刊、中科院I/II区等国际知名期刊发表高水平SCI论文23篇。在Springer和国防工业出版社共出版中英文学术专著2部，获授权国家发明专利33件。项目团队2名青年教师获国家自然科学基金优秀青年科学基金支持（2020，2022）；相关成果《空间绳系系统的高效稳定控制理论及其应用研究》获2021年陕西省自然科学一等奖，《XXXX绳系操控技术》获2019年国防技术发明二等奖。