Karol Seweryn

Dynamika manewru zbliżenia satelitów i ich połączenia za pomocą manipulatora o więzach nieholonomicznych

Abstract:

Głównym celem niniejszej pracy doktorskiej jest wyznaczenie charakterystyk dynamicznych satelity i współpracującego z nim manipulatora w trakcie manewru rendez-vous satelity serwisowego do pasywnego satelity docelowego. Praca obejmuje zagadnienie budowy autonomicznego algorytmu planowania trajektorii ruchu translacyjnego i rotacyjnego satelity na podstawie scenariuszy dostępnych w literaturze, analizę dynamiki satelity wraz z manipulatorem, dla których pęd i moment pędu nie jest zachowany oraz wyznaczenie dynamicznych interakcji pomiędzy satelitą i manipulatorem. Dodatkowym celem jest wyznaczenie dokładności członu roboczego manipulatora w zależności od przyjętych uproszczeń równań ruchu. Cel pracy doktorskiej został zrealizowany poprzez budowę modelu numerycznego symulującego zarówno ruch satelity serwisowego, jak również ruch satelity docelowego. Symulacja ruchu satelity docelowego pozwala na realistyczne odzwierciedlenie zmiennych warunków fizycznych panujących na orbicie, jak również na kontrolę algorytmów wyznaczających trajektorię satelity serwisowego. Ruch satelity serwisowego wymaga wykorzystania silników rakietowych zarówno w fazie zbliżania, jak również dokowania, co w konsekwencji powoduje, że układ satelity wraz z manipulatorem jest układem nieholonomicznym, którego pęd i moment pędu nie jest zachowany. Symulacje numeryczne obejmują część logiczną algorytmu, pozwalającą na jego autonomiczne działanie oraz część fizyczną odpowiadającą za prawidłowe rozwiązywanie równań różniczkowych. Wyznaczenie dokładności ostatniego ogniwa manipulatora polegało na przeprowadzaniu wielowariantowych symulacji z uwzględnieniem uproszczeń dynamiki układu i w rezultacie pozwoliło na określenie parametrów wymaganych przy konstrukcji mechanizmów dokujących.  Praca zawiera zagadnienie minimalizacji energii wykorzystywanej przez silniki par kinematycznych manipulatora. Wykorzystano zasadę minimum Pontragina i rozwiązania równań brzegowych (BVP) do generowania optymalnych przebiegów czasowych współrzędnych konfiguracyjnych. W wyniku optymalizacji wydatek energetyczny został zmniejszony o 16%. Konsekwencją optymalizacji jest fakt, że ruch członu roboczego manipulatora nie jest linią prostą w układzie satelity docelowego.  Inspiracją do podjęcia niniejszego tematu pracy doktorskiej było kilka prac naukowych zaprezentowanych w ostatnich latach przez czołowe ośrodki zajmujące się podobną tematyką. W szczególności są to prace z zakresu planowania optymalnych trajektorii w trakcie manewru zbliżenia oraz prace z zakresu robotyki satelitarnej. Duże znaczenie miała także perspektywa rozwoju rynku usług orbitalnych systemów serwisowych (OOS) promowanych przez amerykańską (NASA) i europejską (ESA) agencję kosmiczną.