一种利用机器人使非刚性卫星脱困的自适应方法

Josiah02

　　如今，地球轨道上有超过 8,000 颗人造卫星，其中许多是几十年前发射升空的。维修和维护这些卫星并使其正常运行并非易事，通常需要精心规划和有针对性的干预。
　　一种常见的卫星维护操作被称为“翻滚”。这个过程需要稳定和操纵在太空中开始不受控制地旋转（即翻滚）的卫星的方向。
　　新墨西哥大学 (UNM) 的研究人员最近推出了一种新的自适应方法，用于使运动动力学未知的非刚性卫星减速。他们提出的方法在arXiv预印本服务器上发布的一篇论文中进行了概述，并将于12 月 16 日至 19 日在意大利米兰举行的IEEE 决策与控制会议 ( CDC 2024 )上发表。
　　“我们的论文基于我们目前的太空研究资金——SURI，”该论文的第一作者、现为 AgMan 实验室三年级博士生、该项目核心研究人员之一的高龙森告诉 Tech Xplore。
　　“在新墨西哥大学，我们旨在利用我们的多机器人系统（即太空拖船、空间服务多臂机器人系统等），该系统采用了新颖的控制器设计，以完成复杂的维修和修理操作任务，旨在修复故障的空间系统，如卫星、太阳能电池板、空间系统的刚性或非刚性部件等。”
　　两艘太空拖船附着在卫星的不同位置，在零重力模拟环境中对 Link-1（黄色部分）和 Link-2（蓝色部分）施加扳手。我们从现实中导入混合铰链系统，并将摩擦、弹簧和阻尼器特性集成到转子上。
　　高教授及其同事最近研究的主要目标是设计一种有效的方法来降低非刚性卫星的滚动。这种方法可能具有重要的影响，因为滚动是卫星故障的一个主要原因，而现有的大多数降低滚动的解决方案仅适用于刚性卫星。
　　高说：“之前没有其他研究考虑过非刚性卫星的翻滚问题。几乎所有的翻滚研究都将卫星视为刚性体，简化了其结构并忽略了由于其刚度变化而可能出现的潜在问题。”
　　“我们的研究不止于此，我们还利用两台太空拖船解决了非刚性卫星的翻滚问题，一台拖船拖住卫星的底座，另一台拖住出现故障的太阳能电池板，将整个卫星模块转移到一个双链中形成一个非刚性系统，从而停止卫星的未知运动。”
　　该研究团队引入的防翻滚方法具有自适应性，可以应用于各种非刚性物体，而不管其属性如何。换句话说，该方法不需要事先了解卫星（例如其质量、惯性、重心、形状、刚度等）即可成功防翻滚。
　　“最重要的是，我们的方法确保多智能体系统可以在不知道非刚性卫星相对于卫星质心的抓取位置的情况下使其翻滚，这与 SOTA 自适应控制方法相比也是一个突破，”高解释说。
　　研究人员介绍的方法需要使用两个机器人系统，它们可以连接到卫星的不同位置。这些系统施加必要的力和扭矩来稳定卫星，停止其运动，从而使其恢复正常运转。
　　“我们的自适应防滚翻方法解决了 SOTA 防滚翻研究中最具挑战性的问题，即大多数现有方法在防滚翻过程中忽略了卫星的非刚性结构， ”高说。“我们认为这是一个严重且常见的问题，在卫星在太空中工作时可能会发生。”
　　高和他的同事提出的新脱困方法很快就会得到改进，并在实际实验中进一步测试，特别是在零重力环境中。值得注意的是，虽然该方法是针对非刚性卫星的脱困而设计的，但它也可以应用于其他具有非刚性体结构的物体，因此它可能被用于处理其他维护和维修工作。
　　高补充道：“在我们接下来针对空间服务和维修的研究中，我们将继续探索如何利用机器人系统在维修和保养任务中实现灵巧的操作工作。”
　　“我们计划将基于学习的方法（例如神经网络、机器学习和深度学习）与我们的控制系统设计相结合，以提高我们的控制算法的性能。我们还专注于可应用于空间服务和修复任务的稳健自适应 MPC 算法设计，这可以提高我们方法的有效性和稳健性。”
　　更多信息： Longsen Gao 等人，非刚性卫星的自适应机器人脱困，arXiv (2024)。DOI ：10.48550/arxiv.2407.17617
　　期刊信息： arXiv