面向空间离轨的刚柔耦合绳系机器人动力学与拖曳欠驱动鲁棒控制

The rigid-flexible coupling tethered robot for space deorbit is an active removal technology for space debris, which possesses merits, such as low energy consumption, high safety and strong repeatability. The tethered robot involves strong couplings, large parametric uncertainties and less anti-interference ability, which poses a challenge for its dynamics and controller design. This project investigates the dynamics and control problems for rigid-flexible coupling tethered robot. In this project, the model of rigid-flexible coupling tethered robot will be established on the basis of Lagrange equation, and the stability and motion regularity of tethered robot will be revealed. Besides, the feedback linearization technique and hierarchical sliding mode technique will be introduced and a nonlinear robust control approach will be proposed for tethered robot to reduce the influences of nonlinearity and coupling dynamics on the closed-loop control system and thereby reduce the conservation of the robust controller design. The project includes dynamics analysis, underactuated robust controller design and experimental verification. The project provides a theoretical basis for on-orbit drag technology.

面向空间离轨的刚柔耦合绳系机器人具有能耗低、安全性高、可重复性强等优点，是一种极具应用前景的空间碎片主动清理技术。该绳系机器人具有耦合程度高、时变性强、非线性严重、参数不确定性大、抗外界干扰能力差等特点，动力学和控制研究需考虑和解决诸多问题，具有很大挑战性。本课题拟研究和解决面向空间离轨的刚柔耦合绳系机器人拖曳中的动力学和欠驱动鲁棒控制问题。首先采用凝固导数表示的拉格朗日方程建立动力学模型，并揭示刚柔耦合多体系统的稳定性及运动演化规律，为拖曳控制方案的制定和控制律设计提供依据。其次，本课题拟引入分层滑模技术和反馈线性化技术，提出一种欠驱动非线性鲁棒控制方法，以减轻非线性和耦合状态对于闭环控制系统的影响，从而降低鲁棒控制器设计的保守性。研究工作将围绕建模及动力学分析、欠驱动鲁棒控制器设计、实验验证等环节展开。本课题的研究成果为后续开展在轨拖曳技术验证提供理论依据。

面向空间离轨的刚柔耦合绳系机器人具有能耗低、安全性高、可重复性强等优点，是一种极具应用前景的空间碎片主动清理技术。该绳系机器人具有耦合程度高、时变性强、非线性严重、参数不确定性大、抗外界干扰能力差等特点，动力学和控制研究需考虑和解决诸多问题，具有很大挑战性。本课题研究和解决面向空间离轨的刚柔耦合绳系机器人拖曳中的动力学和欠驱动鲁棒控制问题。首先采用凝固导数表示的拉格朗日方程建立动力学模型，并揭示刚柔耦合多体系统的稳定性及运动演化规律，为拖曳控制方案的制定和控制律设计提供依据。其次，本课题拟引入分层滑模技术和反馈线性化技术，提出一种欠驱动非线性鲁棒控制方法，以减轻非线性和耦合状态对于闭环控制系统的影响，从而降低鲁棒控制器设计的保守性。研究工作将围绕建模及动力学分析、欠驱动鲁棒控制器设计、实验验证等环节展开。本课题的研究成果为后续开展在轨拖曳技术验证提供理论依据。.项目组发展了刚柔耦合多体动力学理论，提出了基于柔性连接航天器的系列化欠驱动鲁棒控制方法，形成了一套适用于柔性连接航天器控制系统的工程化设计方法。项目组负责人在基于柔性连接航天器动力学与控制方面取得系统性成果，在IEEE T-AES、Acta Astronautica等国际期刊发表SCI文章5篇（一作/通讯），参加国际会议5次。受理专利2项。成果应用于××星的工程型号及亚太空间合作组织（APSCO）大学生小卫星项目中，其中亚太空间合作组织大学生小卫星已被列入《2016中国的航天》白皮书国际合作项目。同时解决了欧空局（ESA）某空间操控平台防缠绕、抑振动的控制技术难题。基于系绳连接航天器的动力学理论成果为航天某所某重要项目某飞行器控制系统方案设计起了重要的理论支撑作用。