Σχεδιασμός ελέγχου εμπέδησης για διαστημικό ρομπότ που μεταβάλλει την κίνηση δορυφόρου με συνεχή επαφή

Ξύδη-Χρυσάφη, Φωτεινή; Xydi-Chrysafi, Foteini

dc.contributor.author	Ξύδη-Χρυσάφη, Φωτεινή	el
dc.contributor.author	Xydi-Chrysafi, Foteini	en
dc.date.accessioned	2019-05-10T09:15:36Z
dc.date.available	2019-05-10T09:15:36Z
dc.date.issued	2019-05-10
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48679
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.16591
dc.rights	Default License
dc.subject	Έλεγχος εμπέδησης	el
dc.subject	Διαστημικά ρομποτικά συστήματα	el
dc.subject	Impedance control	en
dc.subject	Space robotics	en
dc.subject	Dynamics	en
dc.title	Σχεδιασμός ελέγχου εμπέδησης για διαστημικό ρομπότ που μεταβάλλει την κίνηση δορυφόρου με συνεχή επαφή	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ρομποτική και συστήματα αυτομάτου ελέγχου	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-02-22
heal.abstract	Σε πολλές αποστολές σε τροχιά, στο χώρο του διαστήματος, απαιτείται συνεχής επαφή μεταξύ ενός ρομπότ εξυπηρέτησης (κυνηγός) και ενός εξυπηρετούμενου δορυφόρου (στόχος). Στην παρούσα διπλωματική εργασία σχεδιάζεται ένας ελεγκτής εμπέδησης για εφαρμογή σε Ελεύθερα Ιπτάμενο Διαστημικό Ρομποτικό Σύστημα (ΕΙΔΡΣ), με σκοπό να μεταβάλλει την κίνηση δορυφόρου μέσω συνεχούς επαφής. Μεγάλο μέρος των ρομποτικών διαστημικών αποστολών σε τροχιά περιλαμβάνουν κινήσεις των ΕΙΔΡΣ στον ελεύθερο χώρο καθώς και την αλληλεπίδραση επαφής με έναν ελεύθερα αιωρούμενο δορυφόρο-στόχο, έτσι ώστε να επιτευχθεί η σύλληψη του. Ωστόσο, οι περισσότεροι από τους υφιστάμενους δορυφόρους σε τροχιά δε διαθέτουν ειδικά εξαρτήματα που να εξυπηρετούν τη σύλληψή τους. Σε αυτή την εργασία λοιπόν, μελετάται το πρόβλημα της συνεχούς επαφής μεταξύ δύο σωμάτων που στερούνται δυνατότητας σύλληψης αλλά και σταθερής βάσης. Το ζήτημα της συνεχούς επαφής, αντιμετωπίζεται θεωρώντας αρχικά τη μονοδιάστατη κίνηση δύο μαζών. Ο ελεγκτής εμπέδησης σχεδιάζεται για ένα σύστημα, ενός βαθμού ελευθερίας, αποτελούμενο από μία μάζα-κυνηγό, το οποίο έρχεται σε επαφή με μία μάζα-στόχο. Η κίνηση του κυνηγού χωρίζεται σε δύο φάσεις: τη φάση κίνησης στον ελεύθερο χώρο και τη φάση επαφής. Οι παράμετροι του ελεγκτή εμπέδησης ρυθμίζονται καταλλήλως, ώστε να επιτυγχάνεται η εφαρμογή του σε όλο το φάσμα κίνησης του κυνηγού, διαφορετικά το σύστημα οδηγείται σε αστάθεια και απώλεια επαφής. Επίσης, αποδεικνύεται, ότι η συνεχής αυτή επαφή εξασφαλίζεται επιλέγοντας μία κατάλληλη ταχύτητα για τον κυνηγό τη στιγμή που ακουμπά το στόχο, συνοδευόμενη ασφαλώς από τον ελεγκτή εμπέδησης. Επιπλέον, διενεργείται ανάλυση ως προς την ευρωστία του ελεγκτή σε σχέση με την αντιμετώπιση διαφορετικών στόχων. Πρώτον, στόχων με διαφορετικούς συντελεστές δυσκαμψίας και δεύτερον, στόχων τοποθετημένων σε διαφορετικές θέσεις. Τέλος, η καταλληλότητα του προτεινόμενου ελεγκτή επιβεβαιώνεται μέσω προσομοίωσης της εφαρμογής του σε μονοδιάστατο σύστημα και παρουσιάζονται τα παραγόμενα αποτελέσματα. Στη συνέχεια, λαμβάνοντας υπόψη τη δυναμική των τριδιάστατων ΕΙΔΡΣ, ο σχεδιασμός του ελέγχου εμπέδησης που εφαρμόστηκε για μονοδιάστατες κινήσεις γενικεύεται και για τις τριδιάστατες κινήσεις αυτών των ρομποτικών συστημάτων, έτσι ώστε να μεταβάλλει την κίνηση ενός μη λειτουργικού δορυφόρου μέσω συνεχούς επαφής. Ακολούθως, η εγκυρότητα του προτεινόμενου ελεγκτή επικυρώνεται μέσω της εφαρμογής του σε επίπεδο πρόβλημα Ελεύθερα Ιπτάμενου Διαστημικού Ρομποτικού Συστήματος έξι βαθμών ελευθερίας, αποτελούμενου από μία βάση και ένα βραχίονα τριών περιστροφικών αρθρώσεων. Ο προτεινόμενος έλεγχος εμπέδησης δίνει τις απαιτούμενες ροπές στις αρθρώσεις του βραχίονα καθώς και τη συνολική δύναμη/ροπή που πρέπει να ασκηθεί στη βάση έτσι ώστε να πραγματοποιηθεί η επιθυμητή εργασία. Η επενέργηση στη βάση γίνεται μέσω των προωθητήρων και των σφονδύλων αντίδρασης. Τέλος, υπολογίζονται οι δυνάμεις που πρέπει να δώσουν οι προωθητήρες και η ροπή που πρέπει να ασκήσουν οι σφόνδυλοι αντίδρασης έτσι ώστε να υλοποιηθεί ο προτεινόμενος νόμος ελέγχου. Παράλληλα, προτείνεται μία μέθοδος βελτιστοποίησης στη χρήση της επενέργησης, έτσι ώστε οι απαιτούμενες ροπές να δίνονται (όπου και εάν αυτό είναι δυνατό) κυρίως από τους σφονδύλους αντίδρασης έναντι των προωθητήρων. Αυτό συμβαίνει με σκοπό τη μείωση της κατανάλωσης καυσίμου που χρειάζονται για να λειτουργήσουν οι προωθητήρες.	el
heal.abstract	In a number of on-orbit applications, such as de-orbiting, continuous contact between a servicing robot (chaser) and a serviced satellite (target) is needed. In the present Diploma Thesis, an impedance controller for application to a Free-Flying Space Robot (FFSR) is designed, in order to change the movement of a satellite by continuous contact. The task includes robot (chaser) free space motion and contact interaction with a floating satellite (target). To achieve these operations, usually grasping the satellite is proposed. However, most of the existing satellites on orbit have no dedicated grapple fixtures. In this research, the problem of continuous contact between two bodies lacking rigid grasp and fixed bases is studied. More specifically, the issue of continuous contact is addressed, starting from a simple theoretical model of two masses. The controller is developed first for a one-dimensional system with one degree of freedom, consisting of a mass (chaser), which comes in touch with another mass (target). The task includes chaser free space motion and contact interaction with its target. The same controller is applied in both phases without switching, as switching may result in loss of contact and instabilities, due to unavoidable transition delays and unknown parameters. It is shown, that continuous contact can be achieved by selecting an appropriate chaser velocity at the moment of contact, accompanied by the impedance controller. A methodology is developed for selecting controller parameters and an appropriate trajectory for a desired response in both phases. The values of the target stiffness and position may not be known exactly; however the proposed control law must be robust during contact with different targets, whose stiffnesses and positions may vary in some range. Thus, a sensitivity analysis for both cases is also conducted. Finally, the efficiency of the controller is confirmed by simulating its implementation in Matlab/Simulink environment. Then, the obtained results are presented and discussed. Consequently, considering the dynamics of three-dimensional Free-Flying Space Robotic systems, the design of the impedance control developed for a one-dimensional system is generalized to be applied to these robots, so as to alter the motion of a non-fuctional satellite by continuous contact. Furthermore, the validity of the proposed controller is confirmed by its implementation in a planar FFSR with six degrees of freedom. The planar FFSR consists of a base and a robotic manipulator with three rotational joints. The simulation of the problem took place in Matlab/Simulink environment and the occurred results are presented. Finally, we find out the forces/torques exercised at the base of the planar FFSR by various actuators. The actuators are three pairs of thrusters and a reaction wheel, which are arranged in an arbitrary way at the base. In order to reduce the fuel consumption, which is needed for propulsion, an optimization method is proposed, so that the required torques are given (wherever possible) mainly by the reaction wheel istead of the thrusters.	en
heal.advisorName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Κυριακόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Αντωνιάδης, Ιωάννης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Μηχανολογικών Κατασκευών και Αυτομάτου Ελέγχου. Εργαστήριο Αυτομάτου Ελέγχου και Ρυθμίσεως Μηχανών και Εγκαταστάσεων	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	94 σ.
heal.fullTextAvailability	true