[论文解读] Modeling, Stability Analysis, and Testing of a Hybrid Docking Simulator

M. Zebenaya, Toralf Boge+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2014

Space Satellite Systems and Control参考文献 38被引用 14

一句话总结

本文提出了一种用于在轨服务任务的混合硬件在环对接模拟器，结合真实力反馈与虚拟柔顺性，以稳定受时延影响的高刚性机器人系统。该方法通过整合非线性状态空间模型、时延稳定性分析及1D与3D运动的实验验证，实现了6自由度对接动力学的稳定、安全模拟，借助基于能量的度量实现了精确的无源性监测。

ABSTRACT

A hybrid docking simulator is a hardware-in-the-loop (HIL) simulator that includes a hardware element within a numerical simulation loop. One of the goals of performing a HIL simulation at the European Proximity Operation Simulator (EPOS) is the verification and validation of the docking phase in an on-orbit servicing mission.....

研究动机与目标

• 解决因时延和高机器人刚性导致的基于机器人的硬件在环（HIL）对接模拟器的不稳定性问题。
• 开发一种混合模拟器，结合物理力反馈与虚拟柔顺性，以确保系统稳定与安全。
• 实现对在轨服务任务中可调刚度与阻尼的6自由度接触动力学的精确模拟。
• 通过平动与3D运动测试的实验验证，实现对稳定性框架的实时能量监测。
• 基于解析稳定性准则，提供选择稳定系统参数（包括虚拟阻尼与柔顺性）的设计方法。

提出的方法

• 建立混合对接系统的非线性3D状态空间模型，采用2D情形进行解析稳定性分析。
• 在软件中引入虚拟柔顺性，以抵消工业机器人高物理刚性的影响，有效刚度由弹簧几何结构与方向决定。
• 采用有效刚性的时不变上界，通过特征多项式中的极点位置实现线性稳定性分析。
• 将机器人控制中的时延（单向16ms）建模为时延系统，推导出延迟与系统参数（质量、转动惯量、接触刚度）之间关系的闭式表达式。
• 从压入速率推导出恢复系数，用于验证非线性模拟性能与解析预测的一致性。
• 采用无需模型的能量基方法实时监测系统无源性，实现实时稳定性检测与恢复。

实验结果

研究问题

• RQ1 当高刚性机器人在力反馈回路中引入时延时，混合HIL对接模拟器如何保持稳定？
• RQ2 在6自由度对接模拟中，控制时延与系统参数（质量、转动惯量、刚度）之间的关系如何影响稳定性？
• RQ3 软件中的虚拟柔顺性是否能有效稳定具有刚性工业机器人的硬件在环系统？
• RQ4 在无完整动力学模型的前提下，如何实现实时监测系统无源性？
• RQ5 1D与3D实验结果在多大程度上可验证解析稳定性预测与基于能量的监测方法？

主要发现

• 极点位置法成功预测了混合EPOS模拟器的稳定性区域，1D实验结果与解析预测高度一致。
• 在3D运动测试中，通过单轴调节虚拟阻尼可改变系统无源性，证明了该方法在调节动态响应方面的灵活性。
• 基于能量的监测方法提供了一种无需模型的实时方法，可检测不稳定性并验证实验中的系统无源性。
• 从压入速率推导出的恢复系数验证了非线性模拟的准确性，支持了解析稳定性模型的有效性。
• 该混合模拟器在稳定工作区域内，成功再现了不同刚度与阻尼特性的期望冲击动力学。
• 所提出的框架可实现使用工业机器人进行在轨服务任务对接程序的安全、可重复且真实的模拟。