空间绳系飞网机器人柔性组合体动力学与协调控制方法研究

For the capture system of uncontrolled satellites and clean-up tasks of space debris in future, space robots will be widely used because of its advantages in the space operation service such as flexible operation, safety, and so on. This project proposes a concept of tethered-net space robot system, which will be advantage to the traditional space robots with rigid manipulator especially in capturing of non-coorperation satellites such as uncontrolled satellites and space debris.. The research of tethered-net space robot system is still in its infancy, and especially the research of space flexible combination of tether and net is almost empty. But its prospects for future applications has been widely recognized. Therefore, it has important technology value to study the key technologies of tethered-net robot system. The main key technolgoies of the project are to be include: modelling of flexible combination of tethered-net space robot system, the coupling dynamics analysis among platform satellite, and tether-net, the dynamics and coordinated control of dynamical release of the tether-net, contact-impact studies of rigid (target satellite) - flexible (net). To resolved these key technologies will promote the application and development of the space tethered-net robot.

针对未来空间失控卫星捕获、空间垃圾清理等任务，空间机器人以其操作灵活、安全性高等诸多优点在空间机动与操作服务中得到广泛应用。本项目提出一种空间绳系飞网机器人的概念，该绳系飞网机器人系统对空间垃圾、失控卫星等非合作目标的捕获要优于传统的机械臂式的空间机器人。. 空间绳系飞网机器人的研究目前还处于初级阶段，尤其是对于系绳与飞网这样的柔性组合体的研究几近空白，但是其未来的应用前景已经得到广泛认可。因此，开展空间绳系飞网机器人的关键技术研究具有重要的科学意义，本项目拟完成的主要关键技术包括：空间绳系飞网柔性组合体的建模技术研究，卫星平台、系绳与飞网之间的耦合动力学研究，系绳与飞网的动态释放过程的动力学与协调控制研究，刚（目标）-柔（飞网）接触碰撞问题研究；这些关键技术的解决将极大的推动空间绳系飞网捕获机器人的应用与发展。

报告总结了本面上项目的所有研究内容，其中包括空间绳网动力学模型理论研究，动态释放过程中空间绳系飞网机器人与平台的协调控制方法研究，和抓捕过程中空间绳系飞网机器人的路径规划与控制。在对空间大尺寸、全柔性飞网机器人建模与动力学特性分析的基础上，研究了空间绳系飞网机器人与平台的耦合动力学问题，并在此基础上展开研究后续的控制问题。在飞网释放控制问题的研究中，针对平台卫星和轨道对飞网的耦合动力学建模，主要研究了释放过程中的平台与飞网协调控制问题。对于抓捕问题，我们主要研究了带有状态约束和控制约束的最优控制问题下的飞网推力器轨迹规划和内环控制问题，并完成了碰撞检测、碰撞动力学建模等研究。研究成果表明，空间飞网机器人是一种可行的非合作目标抓捕方式，其科学问题值得进一步深入研究。在项目资助下，共完成发表SCI论文30篇（其中中科院一、二区共14篇），ESI高被引1篇，出版学术专著2部，授权国家发明专利27项，国防技术发明二等奖1项等成果。最后具体给出了在本基金资助下的研究成果目录以及经费使用说明等。