Моделирование в виртуальной среде движения летающих роботов внутри орбитальных космических станций

Рассматривается задача моделирования движения летающих манипуляционных роботов, применяемых в космических модулях околоземной орбиты. В рамках этой задачи была получена нелинейная математическая модель динамики для тех летающих роботов, у которых масса и размеры манипулятора существенно меньше, чем у базового звена робота. Полученная математическая модель используется для синтеза управления движением летающего робота на основе скользящих режимов. Предлагаемое решение заключается в формировании такого управления, которое обеспечивает отсутствие колебаний в окрестности скользящей поверхности. Для этого закон управления летающим роботом реализован с использованием непрерывной функции гиперболического тангенса, которая является аппроксимацией разрывной функции переключения. Такой подход позволяет эффективно реализовать движение робота вдоль заданной траектории, его переориентацию и стабилизацию. Апробация разработанных в статье методов и подходов проводилась в созданном авторами комплексе виртуального окружения VirSim. В этом программном комплексе динамика манипуляционных роботов реализована с помощью универсального метода последовательных импульсов, который позволяет обрабатывать ограничения различного типа, возникающие вследствие наличия механических связей между звеньями робота, коллизий тел, трения и т. д. Для управления виртуальной моделью летающего робота была создана функциональная схема, которая вычисляет управляющие воздействия, подаваемые на исполнительные устройства робота, на основе показаний виртуальных датчиков и входных команд полетной программы. При этом управление манипулятором робота в рассматриваемом комплексе осуществляется с применением ПД регуляторов и путем расчета инверсной кинематики для обеспечения требуемого положения рабочего органа (захватного устройства) робота. Результаты моделирования показали адекватность предложенных в статье методов и подходов, которые могут быть в дальнейшем использованы для синтеза управления летающим роботом при решении более сложных задач, связанных с захватом и переносом груза внутри орбитальной станции. 

1. Smith T. et al. Astrobee: a new platform for free-flying robotics research on the International Space Station // Proceedings of International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics and Automation in Space. 2016.

2. Bualat M. G., Smith T., Fong T. W., Smith E. E., Wheeler D. W., the Astrobee Team. Astrobee: A new tool for ISS operations // Int. Conf. on Space Operations (SpaceOps). 2018.

3. Lehnhardt E., Connell D. The Gateway program as part of NASA’s plans for human exploration beyond low Earth orbit // IEEE Aerospace Conference (AeroConf). 2024.

4. Park I.-W., Smith T., Sanchez H., Wong S. W., Piacenza P., Ciocarlie M. Developing a 3-dof compliant perching arm for a freeflying robot on the international space station // IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics. 2017. P. 1135—1141.

5. Wilde M., Kwok Choon S., Grompone A. et al. Equations of motion of free-floating spacecraft-manipulator systems: an engineer’s tutorial // Frontiers in Robotics and AI. 2018. Vol. 5. 41.

6. Shi L., Katupitiya J., Kinkaid N. A robust attitude controller for a spacecraft equipped with a robotic manipulator // American Control Conference (ACC). 2016. P. 4966—4971.

7. Albee K., Hernandez A. C. The case for parameter-aware control of assistive free-flyers // AIAA SciTech GNC. 2021.

8. Hahn H. Rigid body dynamics of mechanisms: theoretical basis, ser. Rigid Body Dynamics of Mechanisms. Berlin: Springer, 2002.

9. Garstenauer H., Kurka G. A unified framework for rigid body dynamics. PhD thesis. 2006.

10. Pickl K. Rigid body dynamics: links and joints. Master’s thesis, Computer Science Department 10 (System Simulation), University of Erlangen, Nurnberg, 2009.

11. Catto E. Iterative dynamics with temporal coherence // Game Developer Conference. 2005. P. 1—24.

12. Tonge R., Benevolenski F., Voroshilov A. Mass splitting for jitter-free parallel rigid body simulation // ACM Trans. Graph. 31. 2012. P. 105:1—105:8.

13. Di Lucia S., Tipaldi G. D., Burgard W. Attitude stabilization control of an aerial manipulator using a quaternion-based backstepping approach // European Conference on Mobile Robots (ECMR). 2015. P. 1—6.

14. Caldera F. Sliding mode attitude control for a small satellite with a manipulator. Master Thesis, Politecnico di Torino. 2019.

15. Ruggiero D. Robust attitude control for NASA Astrobee robots operating in the ISS. Master Thesis, Politecnico di Torino. 2020.

16. Михайлюк М. В., Мальцев А. В, Тимохин П. Ю., Страшнов Е. В., Крючков Б. И., Усов В. М. Система виртуального окружения VirSim для имитационно-тренажерных комплексов подготовки космонавтов // Пилотируемые полеты в космос. 2020. Т. 37, № 4. С. 72—95.

17. Дронг В. И., Дубинин В. В., Ильин М. М. и др. Курс теоретической механики: Учебник для вузов. Под общ. ред. К. С. Колесникова. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. 736 с.

18. Shtessel Y., Edwards C., Fridman L., Levant A. Sliding Mode Control and Observation. Birkhauser, New York: Springer, 2014. 356 p.

19. Utkin V. I. Sliding modes in control optimization. New York: Springer Verlag, 1992. 286 p.

20. Utkin V., Lee H. Chattering problem in sliding mode control systems // IEEE Int. Variable Struct. Syst. 2006. P. 346—350.

21. Daley E. Astrobee free-flyer nozzle mechanism // Proceedings of the 45th Aerospace Mechanisms Symposium. NASA Johnson Space Center. 2020. P. 441—454.

22. Михайлюк М. В., Страшнов Е. В. Моделирование системы связанных тел методом последовательных импульсов // Труды НИИСИ РАН. 2014. Т. 4, № 2. С. 52—60.

23. Страшнов Е. В., Михайлюк М. В. Моделирование ограничений на относительное движение шарнирно связанных тел // Мехатроника, автоматизация, управление. 2015. Т. 16, № 10. С. 678—685.

24. Страшнов Е. В., Торгашев М. А. Моделирование динамики электроприводов виртуальных роботов в имитационно-тренажерных комплексах // Мехатроника, автоматизация, управление. 2016. Т. 17, № 11. С. 762—768.

25. Страшнов Е. В., Михайлюк М. В. Моделирование полуавтоматического режима управления манипуляционными роботами в системах виртуального окружения // Вестник кибернетики. 2017. № 4 (28). С. 189—196.