Stanowisko testowe do walidacji algorytmów sterowania robotem kosmicznym

• Autorzy: Oleś J. , Kindracki J. , Rybus T. , Seweryn K. , Wolański P.

Warianty tytułu

EN

Testbed for validation of robotic spacecraft control systems in planar microgravity conditions

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Wykorzystanie robotów kosmicznych, tj. satelitów wyposażonych w manipulatory, jest jedną z rozważanych strategii na pozbycie się tzw. "śmieci kosmicznych". Ze względu na krótki czas trwania manewru przechwytywania robot kosmiczny powinien cechować się dużym stopniem autonomii. Niniejszy artykuł dotyczy problematyki sterowania robotem kosmicznym na orbicie, a także zagadnień związanych z testowaniem takiego układu w warunkach laboratoryjnych. Stanowisko testowe w Centrum Badań Kosmicznych PAN wykorzystuje łożyska powietrzne do symulacji warunków mikro grawitacji na płaszczyźnie i pozwala na testowanie zaawansowanych algorytmów sterowania dla robotów kosmicznych wyposażonych w silniki manewrowe. W pracy przedstawiono modyfikację systemu testowania polegającą na wyposażeniu bazy manipulatora w silniki manewrowe na sprężony gaz, które pozwalają na ruch układu robotycznego, oraz wykorzystanie sygnału o pozycji i orientacji członów robota z zewnętrznego systemu wizyjnego przekazywanego do układu sterowania.

EN

The paper presents a testbed in Space Research Centre (CBK PAN) that could be used for testing advanced control systems for robotic spacecrafts. Such devices are designed to catch objects on orbit, especially "space junk" for the purposes of deorbiting, servicing or refuelling. The testbed allows for experiments with planar 2DoF manipulator mounted on a base with a set of coldgas engines. An important issue is that control systems is able to work in closed loop because of the external vision system signal on objects positions.

Słowa kluczowe

PL

systemy robotów; stanowisko testowe; sterowanie robotem; robot kosmiczny

EN

robot systems; testing station; robot control; space robot

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej
• Czasopismo: Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Elektronika
• Rocznik: 2016
• Tom: z. 195, t. 1
• Strony: 265--278
• Opis fizyczny: Bibliogr. 39 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Oleś J.

• Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk, ul. Bartycka 18A, 00-716 Warszawa

autor

Kindracki J.

• Politechnika Warszawska, Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa, ul. Nowowiejska 21/25, 00-665 Warszawa

autor

Rybus T.

• Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk, ul. Bartycka 18A, 00-716 Warszawa

autor

Seweryn K.

• Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk, ul. Bartycka 18A, 00-716 Warszawa

autor

Wolański P.

• Politechnika Warszawska, Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa, ul. Nowowiejska 21/25, 00-665 Warszawa

Bibliografia

• [1] A. Miliard et al. A low-cost real-time tracking Infrastructure for ground-based robot swarms. Springer, Lecture Notes in Computer Science, Vol. 8667, s. 278-289, (2014).
• [2] C. Bonnal, J. Ruault, M. Desjean. Active debris removal: Recent progress and current trends. Acta Astronautica 85 (2013), s. 51-60.
• [3] C. Henshaw. The DARPA Phoenix Spacecraft Servicing Program: Overview and Plans for Risk Reduction. International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics and Automation in Space (i-SAIRAS), Montreal 2014.
• [4] Clean Space. e.deorbit Implementation Plan. ESA-TEC-SC-TN-2015-007 (2015)
• [5] D. J. Kessler et al. The Kessler Syndrome: implications to future space operations. Advances in the Astronautical Sciences, 137(8), 2010.
• [6] D. Reintsema et al. DEOS - the German robotics approach to secure and de-orbit malfunctioned satellites from Low Earth Orbit. International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics and Automation I Space (i-SAIRAS), 2010.
• [7] E. Botta, I. Sharf, A. Misra, M. Teichmann. On the simulation of tether-nets for space debris capture with Vortex Dynamics. Acta Astronautica 123 (2016), s. 91-102.
• [8] E. Jarzębowska, K. Pietrak. Constrained mechanical systems modeling and control: A free-floating space manipulator case as a multi-constrained system. Robotics and Autonomous Systems 62 (2014) 1353-1360.
• [9] G. Hausmann et al. e.Deorbit mission: OHB removal Concepts. ASTRA 13th Symposium on Space Technologies in Robotics and Automation, The Netherlands 2015.
• [10] I. Dulęba. Alghoritms of Motion Planning for Nonholanomic Robots. Wrocław: Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 1998.
• [11] I. Retat et al. Net capture system; a potential orbital space debris removal system. 2nd European Workshop on Active Debris Removal, Paris, June 2012.
• [12] Inter-Agency Space Debris Coordination Committee. IADC Space Debris Mitigation Guidelines, Rev. 1, September 2007.
• [13] J.L. Junkins, H. Schaub. An Instantaneous Eigenstructure Quasivelocity Formulation for Nonlinear Multibody Dynamics. Journal of the Astronautical Sciences, Vol. 45, No. 3, 1997, s. 279-295.
• [14] K. Dexler. Nanosystems: Molecutar Machinery, Manufacturing, and Computation. Wiley, 1998.
• [15] K. Nanos, E. Papadopoulos. On the Use of Free-Floating S pace Robots in the Presence of Angular Momentum. Intelligent Service Robotics, Vol. 4, No. 1, 2011, s. 3-15.
• [16] K. Seweryn, M. Banaszkiewicz. Optimization of the trajectory of a general free-flying manipulator during the rendezvous maneuver. AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit, Honolulu, Hawaii, USA, 2008.
• [17] K. Seweryn. Dynamika manewru zbliżania satelitów i ich połączenia za pomocą manipulatora o więzach nieholonomicznych. Rozprawa doktorska. Politechnika Warszawska. 2008.
• [18] L. Felicetti et al. Design of robotic manipulators for orbit removal of spent launchers' stages. Acta Astronautica 119 (2016) s. 118-130.
• [19] L. Hou, Y. Cai, J. Li u, Ch. Hou. Variable fidelity robust optimization of pulsed laser orbital debris removal under epistemic uncertainty. Advances in Space Research 57(2016), s. 1698-1714.
• [20] M. Castronuovo. Active space debris removal - A preliminary mission analysis and design. Acta Astronautica 69 (2011) s. 848-859.
• [21] M. Scheper. e.deorbit Phase B1 . Prezentacja na konferencji: Clean Space Industrial Days, E STEC, Noorwijk, The Netherlands, 2016.
• [22] M. Shan, J. Guo, E. Gili. Review and comparison of active space debris capturing and removal methods. Progress in Aerospace Sciences 80 (2016), s. 18-32.
• [23] NASA Orbital Debris Quarterly News. Increase in ISS debris avoidance maneuvers. Vol. 16, Issue 2, April 2012.
• [24] NASA Procedural Requirements for Limiting Orbital Debris. NPR 8715_006A, 2009.
• [25] R. Biesbroeck. The e.Deorbit study in the Concurrent Design Facility. Clean Space Workshop, Darmstadt, September 2012.
• [26] R. Dudziak, S. Tuttle, S. Barraclough. Harpoon technology for the active removal of space debris. Advances in Space Research 56 (2015), s. 509-527.
• [27] R. Soulard, M. Quinn, T. Tajima, G. Mourou. ICAN: A novel laser architecture for space debris removal. Acta Astronautica 105 (2014), s. 192-200.
• [28] R.E. Lindberg, R.W. Longman, M.F. Zedd. Kinematic and Dynamic Properties of an Elbow Manipulator Mounted on a Satellite. Space Robotics: Dynamics and Control, Springer, USA, 1993.
• [29] S. Dubowsky, E. Papadopoulos. The Kinematics, dynamics, and control of free-flying and free-floating Space Robotic Systems. IEEE Transaction on Robotics and automation, Vol. 9, No. 5, October 1993.
• [30] S. Nishida et al. Space debris removal system using a small satellite. Acta Astronautica 65 (2009), s. 95-1 02.
• [31] S. Ulrich, J. Sasiadek, I. Barkana. Modeling and Direct Adaptive Control of a Flexible-Joint Manipulator. J. Guid. Control. Dynam. 35(1), 2012, pp. 25-39.
• [32] T. Barciński, J. Lisowski, T. Rybus, K. Seweryn. Centrolled Zero Dynamics Feedbaek Linearization with Application to Free-Floating Redundant Orbital Manipulator. 2013 IEEE American Centrol Conference, Washington DC, USA, 2013.
• [33] T. Rybus et al. New planar air-bearing microgravity simulator for verification of space robotics numerical simulations and control algorithms. 12th Symposium on Advanced Space Technologies in Robotics and Automation (ASTRA 2013). ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, 2013.
• [34] T. Rybus, K. Seweryn, J. Sasiadek. Application of Trajectory Optimization Method for a Space Manipulator with Four Degrees of Freedom. 11th AAIA Conference, 2016.
• [35] T. Rybus, K. Seweryn, J. Sasiadek. Control system for free-floating space manipulator based on Nonlinear Model Predictive Control (NMPC). Journal of Intelligent and Robotic Systems, (doi: 10.1007/s10846-016-0396-2), 2016.
• [36] T. Rybus, K. Seweryn. Manipulator trajectories during orbital servicing mission: numerical simulations and experiments on microgravity simulator. 6th European Conference for Aeronautics and Space Sciences (EUCASS 2015), Kraków, Polska, 2015.
• [37] T. Rybus, K. Seweryn. Planar air-bearing microgravity simulators: Review of applications, existing solutions and design parameters. Acta Astronautica 120 (2016) 239-259.
• [38] United Nations Office for Outer Space Affairs. Space Debris Mitigation Guidelines of the Committee on the Peaceful Uses of Outer Space. Vienna 2010.
• [39] Y. Umetani, K. Yoshida. Resolved Motion Rate Control of Space Manipulators with Generalized Jacobian Matrix. IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 5, No. 3, 1989, s. 303-314.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.