novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.24.216-224novtexmech-1355Research ArticleДИНАМИКА, БАЛЛИСТИКА, УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВDYNAMICS, BALLISTICS AND CONTROL OF AIRCRAFTАлгоритмизация наведения и управления движением космическим манипуляционным роботом в задачах сервисного обслуживания некооперируемого космического аппаратаAlgorithmization of Guidance and Motion Control of a Space Manipulation Robot in the Service Tasks of a Non-Operative SpacecraftКозловаН. Ю.KozlovaN. Yu.

аспирант

PhD student

Moscow, 105005

k.natalia.bmstu@gmail.comФомичевА. В.FomichevA. V.

канд. техн. наук, доц.

Moscow, 105005

a.v.fomichev@bmstu.ruМГТУ им. Н. Э. БауманаРоссияBauman Moscow State Technical UniversityRussian Federation202313042023244216224Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20232023Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1355

В настоящий момент на орбите находится большое число не функционирующих космических аппаратов, которые закончили свой срок эксплуатации, выработали топливо или же вышли из строя по причине поломки. В связи с этим становится целесообразной концепция обслуживаемого космоса и разработка сервисных спутников для продления срока эксплуатации существующих космических аппаратов. Сервисные спутники смогут выполнять самые разные задачи: от инспекции неисправностей обслуживаемого космического аппарата до выполнения ремонтных работ и дозаправки целевого аппарата топливом. В данной статье предложены стратегия и алгоритмы наведения и управления движением космического манипуляционного робота (КМР) на этапе сближения с некооперируемым космическим объектом (НКО) для решения задач сервисного обслуживания. Целью работы являются разработка алгоритмов наведения и управления поступательным и вращательным движениями КМР для его сближения с НКО на заданное расстояние. Система управления КМР представляется в виде иерархической двухуровневой системы "наведение— стабилизация". На уровне наведения формируется кватернион перехода связанной системы координат в требуемое положение, а также формируется управление тяговыми двигателями, обеспечивающее поступательное движение КМР с требуемой скоростью. На уровне стабилизации формируется управление двигателями ориентации, необходимое для совмещения связанной системы координат КМР с направлением на НКО. В статье предложены схема и математическая модель двигательной установки, углового и поступательного движений КМР. В среде MATLAB/ Simulink осуществлено моделирование разработанных алгоритмов наведения и управления движением КМР. Результаты моделирования подтвердили работоспособность алгоритмов сближения КМР с НКО.

Nowadays there are many non-functioning spacecraft in orbit that have run out of fuel, or have failed due to breakdown. Therefore, the concept of a serviced space and the development of space manipulation robot for extending the spacecraft service life are becoming expedient. Space manipulation robot will be able to perform a variety of tasks, from inspecting malfunctions of a serviced spacecraft, to performing repairs and refueling the target vehicle. The article proposes a strategy and algorithms for the guidance and motion control of a space manipulation robot at the stage of rendezvous with a non-cooperative spacecraft to perform maintenance tasks. The purpose of the article is to synthesize the control of the translational and rotational motion of the space manipulation robot for its convergence with the target satellite at a given distance. The control system is presented in the form of a hierarchical two-level "guidance-stabilization" system. At the guidance level, a transition quaternion of the associated coordinate system to the required position is formed, as well as thrust engine control, which ensures the translational motion of the space manipulation robot at the required velocity. At the stabilization level, a control is formed that superpose the associated coordinate system of the space manipulation robot with the direction to the served satellite. The article proposes a scheme and a mathematical model of the propulsion system, angular and translational motion of the service satellite. The modeling of the developed guidance and motion control algorithms in the SIMULINK environment has been carried out.

иерархическая система управлениясервисный спутникнекооперируемый космический аппараткосмический манипуляционный роботсближение с пассивным спутникомhierarchical control systemservice satellitenon-cooperative spacecraftspace manipulation robotrendezvous with passive satelliteИсследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-38-90261.The reported study was funded by RFBR, project number 20-38-90261.ReferencesВиноградов П. В., Железняков А. Б., Спасский Б. А. Актуальные направления развития космической робототехники // Робототехника и техническая кибернетика. № 4(9). 2015. С. 3—12.Vinogradov P. V., Zheleznyakov A. B., Spassky B. A. Modern directions of space robotics development, Robototekhnika i tekhnicheskaya kibernetika, 2015, vol. 4(9), pp. 3—12 (in Russian).Tatsch A., Fitz-Coy N., Gladun S. On-orbit servicing: A brief survey // Proceedings of the IEEE International Workshop on Safety, Security, and Rescue Robotics (SSRR’06). 2006. P. 276—281.Tatsch A., Fitz-Coy N., Gladun S. On-orbit servicing: A brief survey, Proceedings of the IEEE International Workshop on Safety, Security, and Rescue Robotics (SSRR’06), 2006, pp. 276—281.Kozlova N. Y., Fomichev A. V. Promising on-orbit servicing tasks for spacecraft life extension // AIP Conference Proceedings. Vol. 2318(1). 2021. P. 130008.Kozlova N. Y., Fomichev A. V. Promising on-orbit servicing tasks for spacecraft life extension, AIP Conference Proceedings, 2021, vol. 2318(1), pp. 130008.Kozlova N. Y, Fomichev A. V. Mathematical model of free-flying space manipulation robot when approaching a noncooperative spacecraft // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 1864, N. 1. P. 012131Kozlova N. Y, Fomichev A. V. Mathematical model of free-flying space manipulation robot when approaching a noncooperative spacecraft, Journal of Physics: Conference Series, 2021, vol. 1864, no. 1, pp. 012131.Flores-Abad A., Ma O., Pham K., Ulrich S. A review of space robotics technologies for on-orbit servicing // Progress in Aerospace Sciences. 2014. N. 68. P. 1—26.Flores-Abad A., Ma O., Pham K., Ulrich S. A review of space robotics technologies for on-orbit servicing, Progress in Aerospace Sciences, 2014, no. 68, pp. 1—26.Сомов Е. И., Бутырин С. А. Наведение и управление свободнолетающим роботом при завершении сближения с пассивным объектом в дальнем космосе //Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2017. Т. 19, № 4-1. С. 81—90.Somov Ye. I., Butyrin S. A. Guidance and control of freeflying robot during completion of the rendezvous with a passive object in deep space, Izvestiya Samarskogo nauchnogo centra Rossijskoj akademii nauk, 2017, vol. 19, no. 4-1, pp. 81—90 (in Russian).Akhloumadi M. R., Ivanov D. Translational and angular motion control for spacecraft rendezvous with non-cooperative rotating object // AIP Conference Proceedings. 2021. Vol. 2318, N. 1. P. 050003.Akhloumadi M. R., Ivanov D. Translational and angular motion control for spacecraft rendezvous with non-cooperative rotating object, AIP Conference Proceedings, 2021, vol. 2318, no. 1, pp. 050003.Barbee B. W., Carpenter J. R., Heatwole S. et al. A Guidance and Navigation Strategy for Rendezvous and Proximity Operations with a Noncooperative Spacecraft in Geosynchronous Orbit // J. of Astronaut Sci. 2011. Vol. 58. P. 389—408. URL: https://doi.org/10.1007/BF03321176Barbee B. W., Carpenter J. R., Heatwole S. et al. A Guidance and Navigation Strategy for Rendezvous and Proximity Operations with a Noncooperative Spacecraft in Geosynchronous Orbit, J. of Astronaut Sci., 2011, vol. 58, pp. 389—408, DOI: 10.1007/BF03321176Matsumoto S., Jacobsen S., Dubowsky S., Ohkami Y. Approach planning and guidance for uncontrolled rotating satellite capture considering collision avoidance // International symposium on artificial intelligence, robotics and automation in space. Nara, Japan. 2003.Matsumoto S., Jacobsen S., Dubowsky S., Ohkami Y. Approach planning and guidance for uncontrolled rotating satellite capture considering collision avoidance, International symposium on artificial intelligence, robotics and automation in space, Nara, Japan, 2003.Seweryn K., Banaszkiewicz M. Optimization of the trajectory of a general free-flying manipulator during the rendezvous maneuver // AIAA Guidance, Navigation and Control Conference and Exhibit. 2008. P. 7273.Seweryn K., Banaszkiewicz M. Optimization of the trajectory of a general free-flying manipulator during the rendezvous maneuver, AIAA Guidance, Navigation and Control Conference and Exhibit, 2008, pp. 7273.Navabi M., Akhloumadi M. R. Nonlinear optimal control of relative rotational and translational motion of spacecraft rendezvous // Journal of Aerospace Engineering. 2017. Vol. 30, N. 5. P. 04017038.Navabi M., Akhloumadi M. R. Nonlinear optimal control of relative rotational and translational motion of spacecraft rendezvous, Journal of Aerospace Engineering, 2017, vol. 30, no. 5, pp. 04017038.Arantes G., Martins-Filho L. S. Guidance and control of position and attitude for rendezvous and dock/berthing with a noncooperative/target spacecraft // Mathematical Problems in Engineering. 2014. Vol. 2014.Arantes G., Martins-Filho L. S. Guidance and control of position and attitude for rendezvous and dock/berthing with a noncooperative/target spacecraft, Mathematical Problems in Engineering, 2014, vol. 2014.Breger L., How J. P. Safe trajectories for autonomous rendezvous of spacecraft // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 2008. Vol. 31, N. 5. P. 1478—1489.Breger L., How J. P. Safe trajectories for autonomous rendezvous of spacecraft, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2008, vol. 31, no. 5, pp. 1478—1489.Boyarko G., Yakimenko O., Romano M. Optimal rendezvous trajectories of a controlled spacecraft and a tumbling object // Journal of Guidance, Control, and dynamics. 2011. Vol. 34, N. 4. P. 1239—1252.Boyarko G., Yakimenko O., Romano M. Optimal rendezvous trajectories of a controlled spacecraft and a tumbling object, Journal of Guidance, Control, and dynamics, 2011, vol. 34, no. 4, pp. 1239—1252.Mesarovic M. D., Macko D., Takahara Y. Theory of hierarchical, multilevel, systems. Elsevier, 2000.Mesarovic M. D., Macko D., Takahara Y. Theory of hierarchical, multilevel, systems, Elsevier, 2000.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.