劉志威，董正宏，葉新，楊帆

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空間碎片軟捕獲姿軌控模型構(gòu)建與仿真

劉志威1，董正宏2，葉新1，楊帆2

（1. 航天工程大學(xué) 研究生院； 2. 航天工程大學(xué) 航天信息學(xué)院：北京 101416）

為構(gòu)建利用柔性機(jī)械臂捕獲空間碎片的系統(tǒng)仿真模型，首先分析梳理空間碎片捕獲典型任務(wù)流程，包括軌道轉(zhuǎn)移、位置保持、路徑規(guī)劃、動(dòng)量穩(wěn)定控制等階段；然后針對(duì)任務(wù)流程分別搭建基于SimuLink的路徑規(guī)劃、動(dòng)量緩沖控制、姿態(tài)控制、動(dòng)力學(xué)和軌道仿真等子系統(tǒng)；各個(gè)子系統(tǒng)之間以TCP/IP的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，最終完成空間碎片軟捕獲任務(wù)姿軌控仿真系統(tǒng)的構(gòu)建。

柔性機(jī)械臂；空間碎片移除；姿軌控；系統(tǒng)仿真

0 引言

空間碎片對(duì)在軌航天器的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，尤其是中等尺寸碎片（1～10cm）的撞擊會(huì)使航天器姿態(tài)和軌道發(fā)生改變，甚至導(dǎo)致航天器損毀。

針對(duì)中等尺寸空間碎片，可以采用主動(dòng)移除的方式進(jìn)行清理。空間碎片屬于典型非合作目標(biāo)；多國(guó)對(duì)利用帶有機(jī)械臂的空間機(jī)器人捕獲非合作目標(biāo)進(jìn)行了研究[1-2]。美國(guó)的FREND機(jī)械臂[3-4]和日本的JEMRMS機(jī)械臂[5-6]等均在空間進(jìn)行過抓捕非合作目標(biāo)的試驗(yàn)；國(guó)內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)[7]、北京郵電大學(xué)[8]和航天工程大學(xué)[9]等單位也對(duì)空間機(jī)械臂技術(shù)開展了相關(guān)研究。

傳統(tǒng)的剛性機(jī)械臂由于其關(guān)節(jié)和臂桿均為剛性，在末端和非合作目標(biāo)接觸碰撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬間沖量，極易導(dǎo)致基座翻滾，使任務(wù)失敗[2]。利用柔性機(jī)械臂技術(shù)捕獲空間碎片可以克服剛性機(jī)械臂動(dòng)量不可控的缺點(diǎn)。然而國(guó)內(nèi)尚沒有利用柔性機(jī)械臂系統(tǒng)進(jìn)行空間碎片捕獲的仿真系統(tǒng)。

本文分析梳理典型空間碎片捕獲任務(wù)流程，構(gòu)建各任務(wù)階段的仿真模型，并在此基礎(chǔ)上搭建仿真系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)空間碎片軟捕獲的模塊化和可視化。

1 需求分析和框架設(shè)計(jì)

1.1 任務(wù)流程與仿真需求

無論空間機(jī)器人執(zhí)行何種任務(wù)，都需要通過近距離操作來完成，本質(zhì)上都屬于航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)的范疇。對(duì)于抓捕類的航天任務(wù)，任務(wù)過程設(shè)計(jì)需要從與目標(biāo)交會(huì)、近距離捕獲、轉(zhuǎn)移釋放等階段進(jìn)行分析。典型空間碎片捕獲移除的流程如圖1所示，任務(wù)流程與系統(tǒng)仿真需求的對(duì)照分析見表1。

圖1 典型空間碎片捕獲移除流程

表1 任務(wù)流程與系統(tǒng)仿真需求對(duì)照分析

1.2 框架設(shè)計(jì)

本節(jié)主要進(jìn)行空間碎片軟捕獲總體研究方案的設(shè)計(jì)，從不同層級(jí)和角度展開研究[10]。

如圖2所示，為完整地表示空間碎片軟捕獲仿真流程，需要構(gòu)建以下仿真子系統(tǒng)：衛(wèi)星軌道仿真子系統(tǒng)主要用于軌道機(jī)動(dòng)的三維和二維顯示，可以利用STK與VS聯(lián)合仿真的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；動(dòng)力學(xué)仿真子系統(tǒng)主要用于柔性機(jī)械臂系統(tǒng)的姿態(tài)顯示，可以基于UG NX進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建；三軸穩(wěn)定控制子系統(tǒng)、路徑規(guī)劃子系統(tǒng)和動(dòng)量穩(wěn)定控制子系統(tǒng)分別用于軌道機(jī)動(dòng)、路徑規(guī)劃和動(dòng)量控制，可以利用MatLab/SimuLink進(jìn)行模型構(gòu)建；數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)用于初始化參數(shù)的輸入和任務(wù)流程編輯，主要基于VS實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)交互調(diào)度子系統(tǒng)用于各個(gè)子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，主要基于VS實(shí)現(xiàn)。

圖2 空間碎片軟捕獲仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

2 系統(tǒng)集成

2.1 仿真系統(tǒng)運(yùn)行控制流程

結(jié)合空間碎片軟捕獲的任務(wù)流程以及仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以分析得到仿真系統(tǒng)的運(yùn)行控制流程。

圖3為基于任務(wù)與應(yīng)用邏輯映射的仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程。初始化階段由可視化任務(wù)編輯系統(tǒng)向各個(gè)子系統(tǒng)發(fā)送初始化指令，設(shè)置各個(gè)系統(tǒng)的初始化狀態(tài)。軌道轉(zhuǎn)移和帶載轉(zhuǎn)移階段，姿態(tài)控制子系統(tǒng)將軌道控制數(shù)據(jù)通過接口調(diào)度子系統(tǒng)傳輸給軌道仿真子系統(tǒng)。位姿保持、路徑規(guī)劃和緩沖控制階段，姿態(tài)控制數(shù)據(jù)輸出給動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)；動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)輸出姿態(tài)數(shù)據(jù)，并通過接口調(diào)度子系統(tǒng)傳輸給軌道仿真子系統(tǒng)。停止階段，任務(wù)編輯系統(tǒng)向各個(gè)子系統(tǒng)發(fā)送停止指令，停止各個(gè)系統(tǒng)的仿真運(yùn)行。

圖3 基于任務(wù)與應(yīng)用邏輯映射的仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

2.2 仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行控制流程可知，交互數(shù)據(jù)類型包括仿真控制指令、初始化數(shù)據(jù)、軌道控制數(shù)據(jù)、姿態(tài)控制數(shù)據(jù)、軌道輸出數(shù)據(jù)和姿態(tài)輸出數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)交互機(jī)制如圖4所示。

圖4 仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互機(jī)制

3 系統(tǒng)構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)

3.1 動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)

關(guān)節(jié)機(jī)理模型設(shè)計(jì)一方面要在靈活度、工作空間、復(fù)雜度等方面滿足路徑規(guī)劃需求；另一方面要能夠減小衛(wèi)星平臺(tái)受到的干擾動(dòng)量，并可通過一定的協(xié)同控制將脈沖式傳遞轉(zhuǎn)化為諧波式傳遞，以滿足干擾動(dòng)量控制需求。因此，關(guān)節(jié)機(jī)理模型設(shè)計(jì)必須包含剛性傳動(dòng)單元和柔性可控阻尼單元2大功能模塊。柔性機(jī)械臂關(guān)節(jié)機(jī)理及三關(guān)節(jié)機(jī)械臂系統(tǒng)的三維模型如圖5所示[9]。

圖5 柔性機(jī)械臂關(guān)節(jié)與系統(tǒng)模型

基于UG NX的空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真的流程如圖6所示。本文的仿真設(shè)計(jì)過程中，主要通過控制關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)副的扭矩來實(shí)現(xiàn)空間機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真，因此為3個(gè)關(guān)節(jié)各自的俯仰軸、偏航軸設(shè)置扭矩。輸入形式為函數(shù)驅(qū)動(dòng)，工廠輸入就是扭矩函數(shù)；工廠輸出設(shè)置為基座、關(guān)節(jié)、末端執(zhí)行器的位移、角度、速度/角速度、加速度/角加速度。解算器分析類型為控制/動(dòng)力學(xué)，解算方案類型為常規(guī)驅(qū)動(dòng)，重力參數(shù)為0。對(duì)解算器進(jìn)行求解，可以得到包含空間機(jī)器人控制/動(dòng)力學(xué)的.m文件，運(yùn)行產(chǎn)生.mdl文件，可以集成到SimuLink之中進(jìn)行解算。

圖6 基于UG NX的動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

3.2 路徑規(guī)劃子系統(tǒng)

路徑規(guī)劃控制子系統(tǒng)主要包括空間機(jī)器人路徑規(guī)劃算法模塊、NX動(dòng)力學(xué)模型模塊、數(shù)據(jù)傳輸與處理模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊4部分。

各模塊之間關(guān)系如圖7所示：路徑規(guī)劃算法模塊是基于廣義雅可比矩陣的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解構(gòu)建的[11]，利用MatLab/SimuLink進(jìn)行封裝，輸入為末端執(zhí)行器的初始及終了位姿，輸出為空間機(jī)器人關(guān)節(jié)的角度序列；NX動(dòng)力學(xué)模型模塊接收關(guān)節(jié)角速度序列并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)解算；數(shù)據(jù)傳輸與處理模塊則用于對(duì)接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和封裝；網(wǎng)絡(luò)通信模塊負(fù)責(zé)以TCP/IP協(xié)議規(guī)范的形式接收和發(fā)送指令及數(shù)據(jù)。

圖7 路徑規(guī)劃子系統(tǒng)SimuLink模型構(gòu)建

3.3 動(dòng)量緩沖控制子系統(tǒng)

本節(jié)對(duì)空間軟接觸機(jī)構(gòu)與目標(biāo)星碰撞后的緩沖過程方法進(jìn)行研究。實(shí)際任務(wù)中，往往存在由于目標(biāo)衛(wèi)星對(duì)空間機(jī)器人的碰撞動(dòng)量過大而導(dǎo)致空間機(jī)器人翻滾失控的風(fēng)險(xiǎn)，因此應(yīng)控制空間機(jī)器人的基座所受到的擾動(dòng)，越小越好。以空間軟接觸機(jī)構(gòu)基座受到的干擾動(dòng)量最小為期望函數(shù)，提出各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩的最優(yōu)控制方法，如圖8所示。

圖8 動(dòng)量緩沖控制子系統(tǒng)SimuLink模型構(gòu)建

3.4 姿態(tài)控制子系統(tǒng)

空間機(jī)器人三軸姿態(tài)控制使空間機(jī)器人相互垂直的3個(gè)軸（本體軸）在空間相對(duì)于某個(gè)參考系具有預(yù)期方向。三軸姿態(tài)控制系統(tǒng)包括姿態(tài)敏感器、姿態(tài)控制器和姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。衛(wèi)星姿態(tài)控制基本原理如圖9所示，姿態(tài)控制器的輸入為本體系相對(duì)軌道系的歐拉角偏差，輸出為本體系三軸輸出的控制力矩。

圖9 姿態(tài)控制子系統(tǒng)SimuLink仿真模型構(gòu)建

3.5 軌道仿真子系統(tǒng)

為了構(gòu)建軌道仿真子系統(tǒng)中空間機(jī)器人的三維可視化模型，需要將UG NX軟件中已經(jīng)構(gòu)建好的柔性臂模型轉(zhuǎn)換為可被STK模塊加載的.mdl格式，完成軌道仿真子系統(tǒng)中的柔性臂模型。模型格式轉(zhuǎn)換的流程如圖10所示。

圖10 柔性臂模型格式轉(zhuǎn)換流程

空間機(jī)器人軌道仿真子系統(tǒng)應(yīng)能在接收到上述4個(gè)子系統(tǒng)傳來的軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)后，實(shí)時(shí)地顯示空間機(jī)器人進(jìn)行軌道轉(zhuǎn)移、路徑規(guī)劃和碰撞后穩(wěn)定控制階段的空間姿態(tài)。因此，軌道仿真子系統(tǒng)應(yīng)包括網(wǎng)絡(luò)通信模塊、數(shù)據(jù)傳輸與處理模塊、姿軌仿真場(chǎng)景模塊[12]，如圖11所示。

圖11 軌道姿態(tài)仿真子系統(tǒng)模型組成

網(wǎng)絡(luò)通信模塊接收其他子系統(tǒng)發(fā)送的消息，再通過數(shù)據(jù)傳輸與處理模塊對(duì)消息進(jìn)行解析，根據(jù)相應(yīng)指令變更場(chǎng)景的運(yùn)行狀態(tài)，或者利用控制系統(tǒng)提供的空間機(jī)器人姿態(tài)數(shù)據(jù)，在實(shí)時(shí)推進(jìn)衛(wèi)星軌道狀態(tài)的同時(shí)改變?nèi)S場(chǎng)景中空間機(jī)器人姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)軌道與姿態(tài)的同步仿真，并輸出星歷數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸與處理模塊負(fù)責(zé)本子系統(tǒng)數(shù)據(jù)和指令的接收、分發(fā)、解包和打包，網(wǎng)絡(luò)通信模塊則負(fù)責(zé)與接口調(diào)度子系統(tǒng)進(jìn)行通信。應(yīng)用程序?qū)ο蠼涌诮M件模塊用于接收STK/X組件的場(chǎng)景變更命令，傳輸至STK分析引擎并輸出各項(xiàng)實(shí)時(shí)場(chǎng)景參數(shù)。二維顯示模塊和三維顯示模塊分別負(fù)責(zé)二維空間衛(wèi)星軌道實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)和三維空間衛(wèi)星姿軌實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)的顯示?？臻g仿真環(huán)境分析模塊負(fù)責(zé)空間仿真環(huán)境的構(gòu)建與分析。

按照第2章分析得到的任務(wù)流程，在構(gòu)建軌道仿真系統(tǒng)時(shí)需要借助STK API函數(shù)，提供場(chǎng)景的載入和初始化，設(shè)置模型和關(guān)節(jié)，軌道機(jī)動(dòng)，仿真推進(jìn)，以及空間機(jī)器人姿態(tài)更新與參數(shù)輸出。具體功能如表2所示。

表2 軌道仿真API函數(shù)

4 仿真案例

按照上述的仿真流程進(jìn)行仿真案例設(shè)計(jì)，仿真參數(shù)和仿真結(jié)果如下。

4.1 仿真參數(shù)

姿軌控仿真的初始參數(shù)包括柔性機(jī)械臂參數(shù)和空間碎片捕獲姿軌仿真參數(shù)，具體設(shè)置見表3和表4。

表3 柔性機(jī)械臂參數(shù)設(shè)置

表4 空間碎片捕獲姿軌仿真參數(shù)設(shè)置

4.2 仿真結(jié)果

1）路徑規(guī)劃結(jié)果

路徑規(guī)劃結(jié)果如圖12所示，可以看出末端的位置和姿態(tài)均已規(guī)劃到期望的結(jié)果，說明可以采用基于運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解進(jìn)行關(guān)節(jié)角速度規(guī)劃。

圖12 路徑規(guī)劃的關(guān)節(jié)角速度序列與三維顯示

2）緩沖控制結(jié)果

圖13為空間柔性機(jī)械臂系統(tǒng)在、、方向的動(dòng)量緩沖控制效果，可以看出動(dòng)量逐漸衰減，未對(duì)基座產(chǎn)生劇烈影響。結(jié)果表明，以基座加速度最小為期望函數(shù)，利用線性二次型控制算法可以得到相應(yīng)的最優(yōu)控制力矩，能夠比較好地完成碰撞動(dòng)量的緩沖過程。

3）姿軌仿真結(jié)果

圖14為姿軌仿真結(jié)果，可以看出采用VS與STK聯(lián)合仿真的形式能夠完成對(duì)柔性機(jī)械臂系統(tǒng)的加載和姿軌顯示，采用霍曼轉(zhuǎn)移算法能夠得到柔性機(jī)械臂系統(tǒng)軌道轉(zhuǎn)移速度，達(dá)到接近空間碎片的目的。

圖14 姿軌仿真場(chǎng)景與數(shù)據(jù)輸出

5 結(jié)束語

本文分析梳理了利用柔性機(jī)械臂系統(tǒng)捕獲空間碎片的典型任務(wù)流程，針對(duì)各個(gè)任務(wù)階段分別搭建了基于SimuLink算法模型封裝的柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)、路徑規(guī)劃、動(dòng)量緩沖控制、姿態(tài)控制子系統(tǒng)和基于VS & STK的姿軌仿真子系統(tǒng)。各個(gè)子系統(tǒng)的各種算法均可以基于SimuLink進(jìn)行構(gòu)建封裝，具有模塊化的特點(diǎn)，便于封裝或者替換成其他算法。

由于本文構(gòu)建的仿真系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)之間以TCP/IP的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，在數(shù)據(jù)交互實(shí)時(shí)性上還有改進(jìn)空間，這也是下一步研究的重點(diǎn)。

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（編輯：張艷艷）

Construction and simulation of the attitude and orbit control model for space debris removal with flexible arm

LIU Zhiwei1, DONG Zhenghong2, YE Xin1, YANG Fan2

(1. Graduate School,Space Engineering University; 2. Department of Space Information,Space Engineering University: Beijing 101416, China)

To establish a system model for simulating a space robot with a flexible manipulator to capture the space debris, this paper proposes a typical flowchart for the whole process, including the phases of the orbit transfer, the station keeping, the path planning, and the momentum stability control. According to the flowchart, the path planning, the momentum buffering control, the attitude control, the dynamics and the trajectory simulation subsystem are implemented with the SimuLinK software. Those subsystems exchange data based on the TCP/IP, for the construction of the attitude and orbit control simulation system of the space debris removal with a flexible arm.

flexible arm; space debris removal; attitude and orbit control; system simulation

V11

A

1673-1379(2018)02-0141-07

10.3969/j.issn.1673-1379.2018.02.007

劉志威（1993—），男，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榭臻g機(jī)器人控制；E-mail: lzw2800@163.com。指導(dǎo)教師：董正宏（1977—），男，博士學(xué)位，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)榭臻g機(jī)器人控制。

2018-01-18；

2018-03-09