Алгоритмизация наведения и управления движением космическим манипуляционным роботом в задачах сервисного обслуживания некооперируемого космического аппарата

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.

1. Виноградов П. В., Железняков А. Б., Спасский Б. А. Актуальные направления развития космической робототехники // Робототехника и техническая кибернетика. № 4(9). 2015. С. 3—12.

2. 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.

3. Kozlova N. Y., Fomichev A. V. Promising on-orbit servicing tasks for spacecraft life extension // AIP Conference Proceedings. Vol. 2318(1). 2021. P. 130008.

4. 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. 012131

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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/BF03321176

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. Mesarovic M. D., Macko D., Takahara Y. Theory of hierarchical, multilevel, systems. Elsevier, 2000.