王海明, 曾 鴻, 于兆吉, 羅 鷹, 居鶴華, 韓建斌, 張玉梅, 王玉超
1. 航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094 2. 南京航空航天大學,南京 210016
近年來,國內(nèi)外在軌操作任務逐漸增加,如國外的軌道快車、TECSAS項目、ETS-VII項目等[1-7],如圖1所示.隨著空間任務需求的復雜化和多樣化,在軌操作任務需求也大量涌現(xiàn),如大型故障航天器的在軌維修,廢舊失效航天器的在軌處理,以及大型空間結(jié)構(gòu)的在軌組裝等[8-9].這些需求為空間在軌操作任務提出了新的挑戰(zhàn).
另一方面,隨著大型復雜航天器的進一步發(fā)展,航天器的規(guī)模和復雜程度達到了前所未有的程度.雖然現(xiàn)有技術(shù)手段如空間站機械臂、宇航員太空行走等都可以完成任務[10-12],但如果采用多航天器協(xié)同操作的方式執(zhí)行在軌服務任務,顯然可以進一步提高在軌服務的效率以及消除宇航員太空行走任務的危險[13].針對可能的在軌維護任務,多航天器協(xié)同操作系統(tǒng)相對單個航天器的在軌操作能力更強,可執(zhí)行任務范圍更廣.
圖1 國外航天器在軌操作系統(tǒng)Fig.1 Spacecraft on-orbit operating systems abroad
因此,本文面向未來在軌組裝及在軌維護等需求,開展多星協(xié)同在軌操控需求及任務模式研究,進行多星協(xié)同在軌操控系統(tǒng)方案研究,建立信息傳遞與決策機制,提出智能任務規(guī)劃方法,形成多星協(xié)同空間操作系統(tǒng)方案,為未來大型航天器在軌組裝與維修任務奠定技術(shù)基礎(chǔ).
本在軌操作系統(tǒng)包含一顆信息處理星、兩顆操控星和一顆維護星,如圖2所示.由于各自負責的任務不同,在具體設(shè)計上有一定區(qū)別.
圖2 多機械臂在軌操作系統(tǒng)組成Fig.2 Configuration of the satellite combination
信息處理星軌道交會任務機動要求較高,需要足夠的燃料,因此其構(gòu)型圍繞貯箱進行設(shè)計.衛(wèi)星采用長方體構(gòu)型,4個貯箱位于對接環(huán)上方,其余星上設(shè)備位于貯箱上方的方艙內(nèi).衛(wèi)星使用成熟喇叭天線作為對地數(shù)傳天線,對地方向在適當位置安裝星星分離機構(gòu),用于抓捕星、操作星的安裝.衛(wèi)星飛行方向安裝星間交會測量系統(tǒng)(包括寬視場相機、窄視場相機、監(jiān)視相機、激光測距系統(tǒng))及在軌三維姿態(tài)監(jiān)測(單目相機).同時安裝星間通信天線及數(shù)傳天線.
操控星的主要載荷是兩個機械臂,根據(jù)星載或機械臂上安裝的單目相機成像對目標進行操控.同時需要將自身在軌狀態(tài)和任務信息通過星間鏈路及數(shù)傳天線向信息處理星進行傳輸.為保證一定的軌控能力(用于近距離逼近目標星)和在完成抓捕后對目標星進行姿態(tài)控制,有一定的燃料需求.同時考慮到抓捕星通過信息處理星搭載升空,要求體積和重量盡量小.
維修星與操控星類似,安裝有4套機械臂,即2個操控機械臂和2個維修機械臂.二者結(jié)構(gòu)形式類似,端部執(zhí)行機構(gòu)不同.由于載荷較大,因此星體比操控星較大.操控機械臂用于操控星在操控目標表面的移動,維修機械臂用于對操控目標的精細化維修,如視覺成像診斷、拆裝故障設(shè)備等.
機械臂主要執(zhí)行對目標星的在軌靈巧操作,另外具備對操作目標的消旋能力.因此機械臂在結(jié)構(gòu)布局上采用3-1-2 的關(guān)節(jié)布局方式,目的是可以增加機械臂的可達空間和運動的靈活性.機械臂具有6個一體化關(guān)節(jié),每個關(guān)節(jié)配備力矩傳感器.為適應在軌靈巧操作的任務需求,機械臂末端具有快拆接口,能夠連接不同的末端執(zhí)行器.此外,機械臂末端還安裝手眼相機,為靈巧操作任務提供視覺引導.機械臂結(jié)構(gòu)布局見圖3.
圖3 機械臂結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of the robotic arm
(1)
式(7)構(gòu)成多項式系統(tǒng)F3(Y2|T2)的Dixon矩陣具有如下結(jié)構(gòu):
(2)
(3)
維修星設(shè)計4個機械臂,其中2個機械臂端部安裝操控用末端執(zhí)行機構(gòu),另外2個機械臂端部安裝維修用末端執(zhí)行機構(gòu).在目標星被維修星穩(wěn)定后,維修星通過兩根操控機械臂與目標星對接,兩根操控機械臂為操控星提供一個相對于目標星的穩(wěn)定操作平臺.之后使用維修機械臂進行故障模塊的拆除與維修等操作.操控、維修機械臂都采用相同的結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計,不同處僅在于端部執(zhí)行器因為執(zhí)行任務的不同而有所區(qū)別.操控機械臂端部與操控星的機械臂末端相同,靠目標星表面突出物進行固定,依靠機械臂本身的6自由度設(shè)計,可以在較大范圍內(nèi)選擇星表突出物進行操控.維修機械臂端部安裝靈巧操作端部執(zhí)行器,2個機械臂配合可以完成更換模塊操作.
圖4 多臂對接操控示意圖Fig.4 On-orbit operation state of the multi-manipulator
對于給定多軸剛體系統(tǒng)D={A,K,T,NT,F,B},
慣性系記為F[i],?k,l,u∈A,NT=?;
軸k的質(zhì)量及質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量分別記為mk及kIJkI;
軸k的重力加速度為igkI;
環(huán)境i對軸l的力及力矩分別為iSflS及iτl;
軸u樹鏈Ju-Kane動力學方程[15]為
(4)
則軸u的Ju-Kane動力學規(guī)范方程為:
(5)
動力學方程的正解是指給定驅(qū)動力時根據(jù)動力學方程求解關(guān)節(jié)加速度或慣性加速度.
將重排后的軸驅(qū)動廣義力及不可測的環(huán)境作用力記為fC,
可測的環(huán)境廣義作用力記為fi;
該系統(tǒng)動力學方程為
(6)
正解
(7)
動力學方程的逆解是指已知動力學運動狀態(tài)、結(jié)構(gòu)參數(shù)及質(zhì)慣性,求解驅(qū)動力或驅(qū)動力矩.
(8)
軸序列為iAc=(i,c1,c2,c3,c4,c5,c],
軸類型序列為iKc=(X,R,R,R,P,P,P],
該運動鏈為ilc=(i,c1,c2,c3,c4,c5,c];
作用于體c上的合力及合力矩分別為i|Dfc及i|Dτc,
c|inc1=1[m],c|c1nc2=1[n],c|c2nc3=1[p]
m,n,p∈{x,y,z},m≠n,n≠p
c|c5nc=1[x],c|c4nc5=1[y],c|c3nc4=1[z]
(9)
(10)
則有
(11)
可以根據(jù)需要由式(11)確定本體c的笛卡爾體系F[c]3個轉(zhuǎn)動軸的序列,在建立動力學方程后,通過積分完成動力學仿真,直接可以得到所期望的姿態(tài).
在上述動力學模型的基礎(chǔ)上,基于全局線性化補償器的PD阻抗控制適用于較精確的被控對象的模型及可以檢測的環(huán)境作用阻抗.當被控對象的模型不精確或環(huán)境作用阻抗不可檢測時,為保證系統(tǒng)的控制性能,需要設(shè)計魯棒控制器.如圖5所示,考慮輸入為u=[u[1]…u[i]…u[n]]T、狀態(tài)為q=[q[1]…q[i]…q[n]]T的仿射性動力學系統(tǒng).
圖5 模糊變結(jié)構(gòu)控制框圖Fig.5 Diagram of fuzzy variable structure control block
若期望該閉環(huán)控制系統(tǒng)由初態(tài)q(0)到滑模面的控制過程滿足Lyapunov-like穩(wěn)定,即
(12)
其中s[i]表示系統(tǒng)廣義誤差,φ[i]表示廣義誤差控制邊界,η[i]>0,φ[i]>0,驅(qū)動軸控制廣義力及不可測環(huán)境作用力記為u,關(guān)節(jié)位移記為q,則該系統(tǒng)的模糊滑??刂坡扇缦拢?/p>
(13)
圖6 模糊變結(jié)構(gòu)控制控制律Fig.6 Fuzzy variable-structure control law
利用基于軸不變量的機械臂結(jié)構(gòu)參數(shù)精測原理,對激光跟蹤儀控制軟件進行二次開發(fā),通過控制激光跟蹤儀和機械臂進行采點測量,從而確定機械臂的工程D-H系及D-H參數(shù)機器人整機測量整定系統(tǒng)由激光跟蹤儀、六軸機械臂、末端夾具、測試臺、計算機、交換機及數(shù)據(jù)采集卡組成.在測量一體化關(guān)節(jié)的運動誤差時,通過夾具將千分表表頭壓緊在饋軸端面,轉(zhuǎn)動饋軸并記錄千分表指針變化范圍.機械臂整機測量系統(tǒng)及現(xiàn)場如圖7所示.
圖7 機械臂精測場地Fig.7 Precise measurement of the robotic arm
測試結(jié)果如下:饋軸軸向端面跳動<25 μm,饋軸徑向端面跳動<30 μm;最大位置跟蹤誤差 +/-19.4″(1004count);最大跟蹤誤差 +/-21″(1091count);位置穩(wěn)態(tài)誤差 +/-0.3″(15count).
虛擬現(xiàn)實演示系統(tǒng)由多軸系統(tǒng)動力學與控制模塊、機械臂逆運動學模塊,多航天器協(xié)作控制模塊及虛擬現(xiàn)實4個模塊組成.前兩個模塊是本文設(shè)計與開發(fā)的核心模塊,多航天器協(xié)作控制模塊基于NASA的GMAT進行二次開發(fā),虛擬現(xiàn)實模塊基于開源的Coin3D進行二次開發(fā).
應用機械臂動力學模型,開發(fā)了多軸系統(tǒng)動力學軟件,以本文所述的非理想約束的6軸機械臂為對象進行仿真測試,見圖8,測試結(jié)果為:在2.1 GHz CPU運行動力學單步時間為10 ms.
圖8 動力學仿真軟件下機械臂控制功能測試Fig.8 Test results of the dynamic simulation software
空間失重環(huán)境是對機械臂動力學特性影響最大的環(huán)境因素,而在地面利用吊絲等方面模擬失重環(huán)境具有極大的難度,尤其是對多機械臂協(xié)同操作問題,其運動控制跟蹤精度難以保證.而軟件仿真測試恰好在此方面具有極大的技術(shù)優(yōu)勢.利用前文完成的動力學仿真軟件,對多機械臂協(xié)同操作過程進行仿真測試,已驗證系統(tǒng)可行性.測試結(jié)果如圖9所示.
圖9 多機械臂協(xié)同操作測試Fig.9 Results of the multi-arm cooperative operation test
測試結(jié)果表明,應用多軸系統(tǒng)運動學、動力學與控制,以及機械臂逆運動學等,可以完成多航天器協(xié)作操作的仿真分析.由于可以精確建立動力學系統(tǒng)的模型,并應用全局線性化及任一軸的PID控制,航天器具有極高的穩(wěn)定性,理論上只取絕于計算機的計算精度,當浮點乘除運算過多時,會導致有效數(shù)字減少,精度過低.對于樹結(jié)構(gòu)的多軸系統(tǒng),樹的深度少于100層,則計算精度優(yōu)于10-12.
本文針對未來航天器在軌服務需求,提出了一套信息處理星-操控星-維護星的多航天器協(xié)同操作模式,并對其核心的多臂協(xié)同操作控制方法進行了研究和測試驗證.測試結(jié)果表明,該操作模式針對大型空間目標有良好的適應性,可以完成單顆星不可能完成的在軌操作任務,具有較高的前沿性.在未來的工作中,針對在軌維護、在軌組裝等問題,后續(xù)將進一步開展理論和仿真的研究,以提高本系統(tǒng)的對象適應性.