长寿命空间机械臂在轨故障诊断、容错和预测策略研究

The development of space robots in China is stepping into a fresh age, which lays emphasis on the demands of long life and practical service for the space robots. Effective fault-diagnosis and fault-tolerance technology is the key scientific issue determining whether the space manipulator can run safely for a long time. In China, the research on the security operation technology for the long-life space robots is still in its infancy. Hence, there is an urgent need for establishing a set of scientific, refined, and practical fault-safe criteria for the long-life space robots, thereby realizing on-orbit performance evaluation and fault prediction of the space manipulator. . The proposal is presented on the basis of application requirements in space station construction and exoplanet detections; thus a long-life space manipulator with multi-degree of freedom is chosen to be the research object. To solve the security control problems of the selected manipulator in a distributed control mode, the proposal needs to finish a series of research work, including the reliability and fault-tolerance design, the control of safe running, as well as the evaluation and prediction of on-orbit performance for the manipulator system. The proposal aims to develop a joint control system with the self-reconfigurable ability of on-orbit resources, and construct a fault-response and fault-tolerance control structure for the manipulator. Moreover, the online fault detection of the sensors, controllers, and drivers should also be approached. The strategy of performance evaluation and fault prediction for the space manipulator could be proposed on the basis of on-orbit parameter recognition and energy efficiency analysis. Therefore, to research into the topic of this proposal is of very important scientific significance and practical value for improving the intelligence level and operational safety of space manipulator system.

我国空间机器人的研制正向着长寿命、业务服务型时代迈进，有效的故障诊断和容错控制是关系到空间机械臂能否长期安全运行的关键科学技术。在长寿命空间机器人安全保障技术方面,我国尚处起步阶段，亟需建立一套科学、完善、具有实用价值的安全保障规范，实现机械臂的在轨健康状态评价与故障预测。. 本项目以空间站建设和外行星探测为应用背景，针对分布式控制模式的多自由度、长寿命空间机械臂系统的安全控制问题，开展机械臂系统可靠性与容错设计、安全运行控制和在轨健康状态评价与故障预测等方面的研究工作。旨在研制具有在轨资源重构能力的关节控制系统，构建机械臂故障响应与容错控制架构，实现机械臂关节传感、控制与驱动系统故障的在线实时检测，提出基于在轨参数辨识、能效分析等技术的长寿命空间机械臂关节健康状态评价与故障预测策略。该课题的深入研究对提高我国空间机械臂系统的智能化水平和运行安全性具有重要的科学意义和实用价值。

本项目以设计在轨工作寿命不少于10年的长寿命空间机械臂为应用背景，以机械臂核心单机-关节（机械臂运动的动力源）为研究目标，从传感系统优化配置、在轨可重构容错控制系统设计、在线故障检测与容差控制策略等3个方面开展了系统性的研究工作。在对空间机械臂关节进行了详细的失效模式与影响分析（FMEA）基础上，以双星型绕组表面式永磁同步电机为动力源，以双绕组旋转变压器、双全桥力矩传感器等核心传感系统，以现场可编程门阵列（FPGA）为核心处理器，完成了空间机械臂关节可重构容错控制系统的优化设计。相对于传统双控制器-冷备份控制结构和单控制器-热备份控制结构，在元件可靠性相同的条件下，可靠性分别增加约3.9%和10.6%。通过设计具有掉电自动隔离能力的接口电路，实现了主份和备份子控制系统间既能同时上电协同工作，又能单独上电相互隔离，协同工作时数据交互频率不小于20KHz，满足双电流闭环控制要求，实验数据表明在热备控制模式下两套绕组中的电流能够很好地保持一致。提出了基于幅值追踪的电机相电流幅值估计方法，利用估计得到的冗余相电流幅值信息设计了电流传感器在线故障检测方法和容错控制策略，实现了零点偏移、增益变化、信号丢失等多种故障模式的在线检测和容错，实验结果表明该方法不但对于速度波动和电流幅值波动具有较好的鲁棒性，还能够实现两个同时出现的信号丢失故障的容错控制。基于冗余的电机位置和关节位置信息，实现了位置传感器故障的在线检测。基于电机位置、关节位置、关节刚度和电机电流信息，设计了关节力矩传感器的故障检测方法，再进一步结合关节力矩传感器信息，设计了基于能量和传动效率的关节健康状态评价机制。搭建了机械臂关节综合性能试验平台，验证了所提方法的正确性、实用性和可行性。这项研究对于提高空间机械臂关节的在轨使用寿命，保障安全运行具有重要的作用。