分布式空间运输系统协作控制研究

Large space structure(LSS) is the important space infrastructure for science research and space technology experimentation, which will greatly improve the abilities of human to explore and utilize the space. The most effective way to construct LSS is on-orbit assembly with space robots, and the transportation of LSS modules with a team of cooperative robots is not only the foundation of LSS construction but also a key technology. Therefore, we proposed the concept of distributed space transportation system (DSTS), of which the key technology is synchronous control of motion and force for multi-robot system..　The background of the project is the on-orbit transportation of the LSS, and the synchronous control of motion and force of the DSTS to transport the LSS into its desired position on orbit are the focus of the study. Firstly, the method of dynamics modeling for distributed space coupled system base on Lie group and dual quaternion proposed, which is basic for system control. Secondly, a decentralized control scheme based on information flow of algebraic graph theory and impedance control is provided, which includes multiple coupled feedback loops and breaks through the theory of synchronous control of motion and force for multi-robot system. Finally, the method to reconstruct the communication topology among the group of the robots is investigated by using algebraic matrix and rigidity theory, which is essential when a robot is out of work. The above studies will implement the concept of distributed space transportation system, and will support on-orbit assembly of LSS and on-orbit serving with multiple space robot system in the future.

大型空间结构是开展重大科学研究与空间技术应用的基础设施，基于空间机器人的自主在轨组装是构建大型空间结构的有效方式，而空间机器人群组以协作方式实现大型结构组件的在轨运输则是其前提和基础。据此，提出一种分布式空间运输系统概念，该空间系统的技术瓶颈在于实现运动与力同步协同的分散控制。.本项目以在轨运输为任务背景，以多机器人组成的分布式空间运输系统为研究对象，围绕任务过程中的系统控制问题开展研究。基于李群和对偶四元数理论，研究分布式空间耦合系统动力学建模方法，为系统的控制设计提供动力学基础；借鉴信息流控制、阻抗控制的思想，构建分布式空间耦合系统运动与力同步协同的分散控制理论框架, 突破分布式空间运输系统的技术瓶颈；基于矩阵代数与刚性图理论，研究分布系统通信拓扑结构快速生成算法，为故障时系统重建与控制恢复提供条件。上述研究为分布式空间运输系统建立理论基础，为多空间机器人深度协作的在轨服务提供支持。

大型空间结构是开展重大科学研究与空间技术应用的基础设施，基于空间机器人的自主在轨组装是构建大型空间结构的有效方式，而空间机器人群组以协作方式实现大型结构组件的在轨运输则是其前提和基础。据此，提出一种分布式空间运输系统概念，该空间系统的技术瓶颈在于实现运动与力同步协同的分散控制。.本项目以在轨运输为任务背景，以多机器人组成的分布式空间运输系统为研究对象，围绕任务过程中的系统控制问题开展研究。基于空间飞行动力学理论，研究分布式空间耦合系统动力学建模方法，为系统的控制设计提供动力学基础；借鉴信息流控制、阻抗控制的思想，构建分布式空间耦合系统运动与力同步协同的分散控制理论框架, 突破分布式空间运输系统的技术瓶颈；基于矩阵代数与刚性图理论，研究分布系统通信拓扑结构快速生成算法，为故障时系统重建与控制恢复提供条件。上述研究为分布式空间运输系统建立理论基础，为多空间机器人深度协作的在轨服务提供支持。