路勇，劉曉光，周宇，劉崇超

哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，哈爾濱 150001

人類對外太空的探索活動逐漸增加，每年都會進行大量的太空發(fā)射任務(wù)，以滿足通信、氣象監(jiān)測以及國際空間站維護等需求。但同時人類活動對空間環(huán)境也產(chǎn)生了持續(xù)深遠的影響，太空中殘留的火箭末級、失效衛(wèi)星、航天器任務(wù)拋棄物、航天器解體及碰撞衍生物等大量空間碎片對人類航天事業(yè)的發(fā)展已構(gòu)成了巨大威脅[1]。因此，空間碎片的主動移除(Active Debris Removal, ADR)技術(shù)已成為目前航天領(lǐng)域研究的熱點[2-7]，研究中一般將諸如廢棄衛(wèi)星及火箭末級等尺寸及質(zhì)量較大的碎片被視為潛在的主動移除目標。ADR通常是借助各類清除裝置降低近地目標碎片軌道使其墜入大氣層燒毀或者通過提升同步軌道碎片軌道高度至墳?zāi)管壍赖姆绞絹磉M行。美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的研究人員Liou指出：為保持空間環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，未來發(fā)射航天器除了要滿足空間碎片減緩措施相關(guān)政策要求外，每年還要主動清理5個以上大型航天器才能抑制空間碎片總數(shù)量增長[8]。

空間碎片主動移除的首要關(guān)鍵是實施在軌捕獲，而空間碎片大多是非合作目標，由于目標已失去姿態(tài)調(diào)整能力，且長期處于失控狀態(tài)運行，受太陽光壓、重力梯度等攝動力矩及失效前自身殘余角動量的影響，往往會出現(xiàn)復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)運動，乃至最終趨向于自由翻滾運動[9-15]。由于翻滾非合作目標的質(zhì)量大小、質(zhì)心位置、幾何形狀等先驗信息均未知，運動規(guī)律極其復(fù)雜，所以對其實施在軌捕獲難度相當大。針對非合作目標或快或慢的無規(guī)律自由翻滾運動，目前已經(jīng)提出的包括采用小型機械臂、飛網(wǎng)、飛爪等在內(nèi)的多種在軌捕獲方法及采用電動力系繩、太陽帆、阻力增強裝置等碎片離軌方案，若能做到抓捕前將其轉(zhuǎn)速減慢或直至靜止，即消旋處理，將有利于后續(xù)的直接捕獲及回收處理。例如采用機械臂式的捕獲機構(gòu)在目標消旋后將有助于快速跟蹤目標捕獲點位置及方便與目標姿態(tài)同步化處理；采用飛網(wǎng)、飛爪等捕獲機構(gòu)在目標消旋后實施捕獲將有助于解決繩、網(wǎng)的纏繞及次生碎片等問題；利用太陽帆及阻力增強裝置附著到翻滾非合作目標進行離軌時，事先進行目標消旋可快速實現(xiàn)安全、準確地附著且減少碰撞風(fēng)險?；谝陨峡紤]，非合作目標消旋問題已成為航天領(lǐng)域研究熱點之一，法國空間研究中心(National Centre for Space Studies, CNES)的ADR任務(wù)規(guī)劃[16]也已將翻滾非合作目標的消旋問題列為了空間碎片主動移除任務(wù)中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

對翻滾非合作目標消旋實際是指利用外部控制力矩衰減目標角速度的過程，實現(xiàn)方式按作用力是否與目標接觸主要分為接觸式和非接觸式兩種。利用機械接觸力或氣體沖擊、靜電力、電磁力、離子束、激光等非接觸力進行消旋在國內(nèi)外都已經(jīng)開展了初步研究。日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)(Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA)的Nishida和Kawamoto[17]提出了采用減速刷對翻滾非合作目標進行消旋的方法。Nakajima等[18]以及歐洲航天局(European Space Agency, ESA)資助的非接觸碎片移除(Contactless debris Action, COBAR)計劃[19]中，均提出了氣體脈沖消旋是一種潛在的調(diào)整翻滾非合作目標姿態(tài)的方法。NASA的Youngquist等[20]提出利用導(dǎo)體與地磁場間的渦流效應(yīng)對目標進行電磁消旋也是一種可行的消旋方式。國內(nèi)相關(guān)研究包括接觸式消旋中的組合體姿態(tài)穩(wěn)定、目標姿態(tài)同步以及基于庫侖力的非接觸消旋[21]等。徐文福等[22]提出了視覺預(yù)測及軌跡規(guī)劃相結(jié)合的雙臂空間機器人直接捕獲運動目標的方法，在自由漂浮及基座受控兩種模式下成功抓捕運動目標。西北工業(yè)大學(xué)的黃攀峰等[23]提出了一種基于繩系空間機器人的翻滾非合作目標直接抓捕及姿態(tài)穩(wěn)定控制方法，通過系繩拉力及抓捕機器人協(xié)同的方式穩(wěn)定目標姿態(tài)。在姿態(tài)同步研究方面，耿云海等[24]設(shè)計了可同時對干擾進行估計和補償?shù)姆蔷€性反饋控制律，控制服務(wù)航天器與目標航天器姿態(tài)同步，在抓捕目標上對接端口時具有較高的協(xié)同精度與抗干擾能力。任章等[25]也提出了一種基于滑?？刂频淖藨B(tài)同步方法，在系統(tǒng)測量存在誤差及外部擾動的影響下可以實現(xiàn)與目標航天器快速姿態(tài)同步。對于一個完整的ADR任務(wù)，各類接觸及非接觸消旋方式是對服務(wù)航天器機械臂直接抓捕或姿態(tài)同步能力的有效補充，拓展了ADR任務(wù)對不同翻滾速度的非合作目標的適應(yīng)能力。

針對翻滾非合作目標的消旋問題，本文首先介紹了火箭末級、失效的單自旋及雙自旋衛(wèi)星這類典型非合作目標的翻滾運動形式以及非合作目標消旋過程，然后對當前各類接觸、非接觸消旋方法的原理、特點進行綜述分析，隨后總結(jié)了翻滾非合作目標消旋過程中的共性關(guān)鍵技術(shù)問題，即非合作目標翻滾運動測量及動力學(xué)參數(shù)辨識和消旋控制，最后歸納總結(jié)了當前非合作目標消旋方法并對其研究發(fā)展進行了展望預(yù)測。

1 典型非合作目標運動形式及消旋過程分析

在空間攝動力矩作用下，失效航天器等非合作目標往往會表現(xiàn)出復(fù)雜的翻滾運動形式，這給ADR任務(wù)的實施帶來了困難。因此對典型非合作目標的運動形式進行分析建模是確定目標主動移除及消旋方案的基礎(chǔ)。

1.1 典型非合作目標運動形式分析

火箭末級、失效的單自旋及雙自旋衛(wèi)星等空間非合作目標由于其質(zhì)量及尺寸較大，是優(yōu)先級較高的主動移除目標，國內(nèi)外關(guān)于消旋的相關(guān)研究也多針對這類目標對象開展前期理論及試驗研究。在理論分析研究中目標對象的模型簡化，多假設(shè)為形狀較為簡單的剛體[12,17-18]。其中尤以簡化為單剛體對稱目標居多，慣量矩陣可簡化為對角陣的形式I=diag(Ix,Iy,Iz)。

翻滾非合作目標在空間中的典型運動形式如圖1所示，圖中Oxyz表示目標本體坐標系，目標可能存在的旋轉(zhuǎn)形式可分為繞最小慣量軸Iz的自旋運動(圖1(a)所示)、繞最大慣量軸Ix的平旋運動(圖1(b)所示)以及存在章動角的翻滾運動(圖1(c)所示)。當目標不受外力矩作用時，其運動方程在本體系下滿足式(1)。

圖1 非合作目標旋轉(zhuǎn)運動的幾種狀態(tài)
Fig.1 Several rotational states of uncooperative target

圖1(a)和圖1(b)所示為初始角速度與最小、最大慣量軸重合時的運動情況，分別對應(yīng)單軸自旋及平旋運動狀態(tài)。當初始角速度矢量與慣量軸不重合時，非合作目標運動表現(xiàn)為自旋軸繞角動量軸圓錐進動的情形，如圖1(c)所示，圖中建立慣性坐標系OXYZ且令OZ軸與目標角動量矢量H重合，目標角動量矢量H與自旋軸Oz的夾角θ為章動角。對于慣量比Iz/Ix<1的對稱火箭末級殼體，其運動方式如圖1(d)所示，圖中可以看出最小慣量軸Iz繞角動量矢量H做圓錐運動，自旋軸末端(通常指衛(wèi)星及火箭末級發(fā)動機主推力噴管所在位置)軌跡為規(guī)則的圓形。但當目標慣量不對稱(Ix≠Iy)，且存在慣量積時，末端軌跡不再是規(guī)則的圓錐運動，而是表現(xiàn)出一種章動角變化的復(fù)雜翻滾運動。作者以文獻[27]的非對稱慣量陣為輸入利用式(1)進行了運動軌跡計算及仿真。

在假設(shè)初始角速度為ω(0)=[10 10 40] (°)/s，初始姿態(tài)角[φ(0)θ(0)ψ(0)]=[0 0 0] rad時，計算得到的自旋軸末端(本體系坐標為[0 0 0.3] m)在慣性系OXYZ中的運動軌跡如圖1(e)所示，與圖1(d)規(guī)則的圓錐運動相比，可明顯看出此時末端軌跡不再是規(guī)則的圓錐運動，而是表現(xiàn)出一種章動角變化的復(fù)雜翻滾運動。對于這種復(fù)雜的運動形式，其運動的預(yù)測及目標點的抓捕將更為困難，若能對目標進行消旋處理則有利于后續(xù)抓捕任務(wù)的進行。

(1)

式中：ωx、ωy和ωz分別為本體系Oxyz下x、y和z方向的角速度分量；Ix、Iy、Iz、Ixy、Ixz和Iyz分別為慣量矩陣I的分量表達。

1.2 翻滾非合作目標消旋過程

對非合作目標消旋實質(zhì)上是指利用外部控制力/力矩衰減目標三軸角動量，最終實現(xiàn)目標姿態(tài)穩(wěn)定的過程。對于做單自旋及平旋運動的非合作目標，消旋過程主要指借助外部控制力矩衰減目標單一方向的角速度ω。當前相關(guān)研究集中于利用接觸力或靜電力、電磁力、離子束、激光、氣體沖擊等非接觸力與目標作用消除目標的三軸轉(zhuǎn)速。按照力/力矩作用范圍可分為點作用和面作用(體作用)兩種形式。

點作用控制力/力矩利用機械臂末端執(zhí)行器或激光發(fā)生裝置在目標表面特定點作用施加作用力F，此力相對目標質(zhì)心產(chǎn)生的控制力矩T=r×F與目標角動量H相反時即可消除自旋運動，如圖2所示。利用減速刷、機械脈沖、激光脈沖進行消旋都屬于點作用控制力/力矩。

面作用控制力矩通常利用服務(wù)航天器上攜帶的高壓氣體、高壓靜電、外部磁場等發(fā)生裝置在目標部分表面或整個表面上產(chǎn)生非接觸式消旋力矩，衰減目標運動。作用力與相對距離、相對姿態(tài)、源場物理參數(shù)、目標形狀及材料特性有關(guān)。利用氣體沖擊、靜電場、電磁場進行消旋均屬于面作用控制力/力矩。

對翻滾非合作目標進行消旋時，作用在目標上的消旋力矩與二者相對距離、相對姿態(tài)、作用源工作參數(shù)相關(guān)，目標動力學(xué)方程表現(xiàn)出高度非線性特征。消旋時對目標姿態(tài)信息需要通過在軌辨識獲取，根據(jù)實時辨識結(jié)果對作用力/力矩進行控制，消旋過程流程如圖3所示。

圖2 點作用控制力/力矩
Fig.2 Control force and torque at a fixed point

圖3 消旋過程流程圖
Fig.3 Flowchart of the detumbling process

2 翻滾非合作目標消旋方法

按照消旋力/力矩是否與目標接觸，翻滾目標消旋方法可分為接觸式和非接觸式消旋?；跍p速刷或機械脈沖等接觸式消旋方法適用于質(zhì)量較大目標的快速消旋，而利用氣體沖擊、靜電力、電磁力、離子束、激光等非接觸力進行消旋可以有效減少碰撞風(fēng)險，在安全間距外衰減目標三軸轉(zhuǎn)速。

2.1 接觸式消旋方法

利用機械臂末端執(zhí)行器靈活的特性在目標表面施加具有緩沖作用的力或力矩，可以實現(xiàn)對目標的接觸式消旋。根據(jù)末端執(zhí)行器不同，依據(jù)當前研究可分為減速刷消旋、機械脈沖消旋和繩系機器人消旋等方式。

2.1.1 減速刷消旋

圖4 減速刷消旋模型
Fig.4 Detumbling system with brush contactor

JAXA的Nishida和Kawamoto[17]提出了一種接觸式目標自旋衰減方法，如圖4所示。以直徑為2 m的火箭殼體為研究對象，利用附著在機械臂末端的彈性減速刷與目標殼體之間的摩擦力衰減目標轉(zhuǎn)速。圖4(b)為消旋過程中仿真分析模型，建立了XY、xGzG、xABzAB、xATzAT和xTzT5個坐標系，分別表示慣性系ΣI清除航天器質(zhì)心坐標系ΣG、機械臂基座坐標系ΣAB、機械臂末端坐標系ΣAT和目標質(zhì)心坐標系ΣT來分析消旋動力學(xué)問題，研究了目標存在初始轉(zhuǎn)速ω0及相對末端移動速度v0時的消旋過程。由于減速刷與目標是面接觸作用，只能提供單自由度N數(shù)量級的控制力，適用于目標單軸自旋情況。相比于抓捕后對組合體進行消旋的方式，利用減速刷與目標間的彈性接觸力在抓捕前對目標進行消旋帶來的沖擊會更小，有利于后續(xù)的捕獲操作。但這類消旋方式實施前需要服務(wù)航天器進行復(fù)雜的變軌繞飛，接近?？吭诰嗄繕朔浅＝奈恢锰?。對于做圓錐運動的翻滾目標，利用該方法進行消旋需要精確控制機械臂與接觸表面的相對位置，以提供穩(wěn)定的接觸制動力，且制動力的大小取決于減速刷剛度。

2.1.2 機械脈沖消旋

與減速刷連續(xù)消旋過程不同，東京工業(yè)大學(xué)的Matunaga等[28]將彈性小球作為機械臂末端執(zhí)行器，利用機械臂末端與目標表面之間彈性碰撞所產(chǎn)生的推力與摩擦力衰減目標轉(zhuǎn)動。接觸力是彈性接觸面壓力p、接觸面積S等的函數(shù)。采用彈性小球消旋與直接抓捕相比沖擊較小，但對消旋力矩建模時需要獲取碰撞點相對于目標質(zhì)心的位置矢量。當目標轉(zhuǎn)速較快時，根據(jù)目標角動量矢量方向辨識作用點位置及規(guī)劃脈沖路徑對機械臂末端控制提出了很高的要求。日本國家航空航天實驗室(National Aerospace Laboratory of Japan, NAL)的Kawamoto等[29]提出了利用多次接觸脈沖作用力交替衰減目標章動角和自旋轉(zhuǎn)速的方法，最終完全衰減目標三軸轉(zhuǎn)速，并給出了脈沖次數(shù)的優(yōu)化過程。機械脈沖消旋雖然只提供單自由度作用力矩，但主動控制力作用點及脈沖施加時刻，可以實現(xiàn)對目標角動量的衰減，適用于自由翻滾目標的消旋。與減速刷相比，機械脈沖在接觸瞬間可提供的制動力增加，控制力矩模型更為精確，制動效率更高，但碰撞風(fēng)險也隨之增大。機械脈沖消旋效果建立在對目標表面及質(zhì)心特征充分辨識以及機械臂對目標點跟蹤能力的基礎(chǔ)上，受制于在軌辨識效率及機械臂末端執(zhí)行器控制精度，適用于轉(zhuǎn)速較低的目標消旋。

2.1.3 空間繩系機器人消旋

西北工業(yè)大學(xué)的黃攀峰[30-32]、張帆[33]等提出了一種基于繩系空間機器人(Tethered Space Robot, TSR)的翻滾非合作目標姿態(tài)穩(wěn)定控制方法，如圖5所示。對于目標質(zhì)量及慣量等參數(shù)未知的目標，既可在線辨識目標質(zhì)量及慣量參數(shù)[31,33]，也可采用改進的基于動態(tài)逆的自適應(yīng)控制器，快速穩(wěn)定目標姿態(tài)[32]，同時有效降低執(zhí)行器的飽和程度。Hovell和Ulrich[34]提出了利用黏彈性繩系附著到旋轉(zhuǎn)非合作目標表面上，通過系繩拉力及變形時的阻尼力控制目標轉(zhuǎn)速直至其姿態(tài)穩(wěn)定。借助繩系機器人本體推進器及系繩拉力，空間繩系機器人可實現(xiàn)3自由度控制力矩的施加，衰減目標三軸轉(zhuǎn)速?？臻g繩系機器人雖然增加了系統(tǒng)柔性，但是由于在消旋之前繩系機器人需要直接抓捕目標或?qū)⑾道K附著到目標表面，如何避免抓捕失敗同時防止系繩纏繞還需要進一步研究。

圖5 繩系機器人姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)
Fig.5 Target attitude stabilization system using TSR

2.2 非接觸式消旋方法

對于難以直接抓捕的非合作目標，采用氣體沖擊、靜電力、電磁力、離子束、激光等非接觸力與目標進行消旋可以有效減少碰撞風(fēng)險，在安全距離外作用消除目標的三軸轉(zhuǎn)速。

2.2.1 氣體沖擊消旋

與離子束、激光輻照[35]等非接觸作用類似，氣體沖擊消旋利用噴射的氣體對目標運動的阻礙作用消除目標翻滾運動。Nakajima等[18]提出了一種利用氣體沖擊噴射在目標表面特定區(qū)域產(chǎn)生作用力進行消旋的方法，所計算的消旋力矩與噴氣推力大小、目標表面形狀、相對距離L、方位角β等因素有關(guān)。Peters和Olmos[19]提出可利用氣體脈沖作用于翻滾非合作目標太陽帆板上來提供消旋力矩的消旋方法。氣體沖擊消旋優(yōu)勢在于服務(wù)航天器只需要額外攜帶消旋所需燃料，通過自身發(fā)動機噴管噴射到目標表面即可實現(xiàn)消旋，而無需再額外攜帶消旋專用的末端執(zhí)行裝置。當服務(wù)航天器相對目標位置固定時，氣體沖擊力矩只能衰減目標2個方向的角速度分量，而且與氣體噴射方向平行的角速度分量需要服務(wù)航天器進行繞飛改變相對于目標的位姿才能達到完全衰減。消旋過程中，氣體自噴管噴出后會在空間發(fā)散，從而加劇了所攜帶氣體的耗散。

2.2.2 靜電消旋

圖6 靜電消旋示意圖
Fig.6 Schematic of electrostatic detumbling system

2.2.3 電磁消旋

由于空間碎片大多含有鋁合金、鈦合金等導(dǎo)電材料，當目標處于外部磁場時會在導(dǎo)體內(nèi)部感生出渦流阻礙兩者相對運動。東北大學(xué)的Sugai等[37-38]提出可利用導(dǎo)電目標轉(zhuǎn)動時與外部磁場源之間的相對運動產(chǎn)生的渦流力來衰減目標運動，所設(shè)計的電磁消旋單軸模擬系統(tǒng)如圖7所示，可以模擬不同初始轉(zhuǎn)速的消旋過程。

圖7中磁場源在作用氣隙為5 mm時可產(chǎn)生百mN數(shù)量級的消旋力。消旋電磁力是所設(shè)計電磁式磁場源尺寸、驅(qū)動頻率f、相對氣隙δ及轉(zhuǎn)速ω等參數(shù)的函數(shù)。電磁消旋氣隙過小限制了其在軌應(yīng)用，但可考慮利用永磁體磁場源來提供更大的工作氣隙，保證消旋過程中的安全性。

圖7 單軸自旋消旋模擬
Fig.7 Detumbling platform for single spin target

南安普頓大學(xué)的Gomez和Walker[39-40]提出了利用超導(dǎo)線圈構(gòu)造外部磁場衰減目標運動的方法，如圖8所示。質(zhì)心位于OC處的超導(dǎo)線圈在空間任意位置r處的磁感應(yīng)強度為B(r)，通過目標質(zhì)心G處的磁感應(yīng)強度為BG。感生電磁力矩是目標轉(zhuǎn)速ω、目標磁矩張量M及外部磁感應(yīng)強度B的函數(shù)，表示為T=M(ω×B)×B，其中磁矩張量M是目標本體幾何形狀、電導(dǎo)率等物理參數(shù)的函數(shù)，可以選取圖中以O(shè)為圓心的截面對目標整體求積分得到。在目標角速度方向一定的情況下，電磁力的方向也是一定的。電磁消旋的優(yōu)點在于電磁阻尼作用會被動消除目標角速度垂直于外部磁場的分量，但是與磁場方向平行的角速度分量需要通過改變磁場源與目標相對位置關(guān)系來實現(xiàn)。利用超導(dǎo)線圈構(gòu)造大范圍電磁場需要相應(yīng)的供電、冷卻系統(tǒng)，超導(dǎo)磁場源系統(tǒng)如何簡易地與服務(wù)航天器結(jié)合還需要進一步研究。

針對前述幾種消旋方法，從消旋機構(gòu)形式、對消旋目標要求、消旋作用效果等方面進一步歸納整理，如表1所示。各種消旋方法都有其特定的適用范圍及前提條件，綜合評價每種方法的優(yōu)劣并不合適，但表1中可提供以下幾點有益參考：① 接觸式消旋可提供較大的控制力，有利于實現(xiàn)快速消旋。通常接觸作用力可達到N數(shù)量級[17,28]，而靜電力、電磁力等非接觸消旋方式能提供的消旋力僅為mN數(shù)量級[37-40]， 且衰減時間要長于接觸消旋方式；② 非接觸消旋方式作用距離遠，對相對距離及姿態(tài)容差能力強，能夠保證消旋任務(wù)安全進行；③ 非接觸消旋方式可提供多自由度作用力矩，適用于自由翻滾目標的消旋。

綜上，在選取消旋方法時要綜合考量目標幾何形狀、材料特性、運動特性、所需控制力矩自由度、任務(wù)有效載荷、任務(wù)時間及能量消耗等問題。未來空間碎片主動移除及航天器在軌服務(wù)領(lǐng)域可能會面對多樣化消旋任務(wù)，在選取消旋方法時，應(yīng)著重考慮以下3個方面因素：① 消旋方法適用的目標運動形式，特別是對自由翻滾運動的消旋能力；② 消旋方法所施加的控制力矩自由度，同時衰減三軸轉(zhuǎn)速有利于提高消旋效率；③ 消旋力作用范圍及力數(shù)量級，在保證安全前提下實現(xiàn)快速消旋需要較大的消旋力。

圖8 電磁消旋系統(tǒng)示意圖
Fig.8 Schematic of electromagnetic detumbling system

消旋方法消旋機構(gòu)類型仿真針對的目標類型仿真采用的目標質(zhì)量/kg對目標的適應(yīng)性有效作用距離/m有效作用距離時消旋力數(shù)量級仿真時消旋時間/h接觸式減速刷[17]機械脈沖[29]空間繩系機器人[32]末端執(zhí)行器末端執(zhí)行器系繩及空間機器人火箭末級失效衛(wèi)星失效衛(wèi)星500450675單軸轉(zhuǎn)速衰減翻滾運動衰減目標可抓捕,翻滾運動衰減NNN0.020.10.03非接觸式氣體沖擊[18]靜電力[12]電磁力[39]星載高壓氣體星載放電裝置星載超導(dǎo)線圈火箭末級火箭末級火箭末級200010002154翻滾運動衰減目標表面導(dǎo)電翻滾運動衰減目標表面導(dǎo)電翻滾運動衰減1012.510mNNmN1.417036

3 翻滾非合作目標消旋共性關(guān)鍵技術(shù)

目前提出的各種消旋方法都處于方案設(shè)計或地面驗證階段，未來ADR任務(wù)的成功實施還需要對消旋過程的關(guān)鍵技術(shù)進行進一步的驗證，各種消旋方法所涉共性關(guān)鍵技術(shù)主要包括非合作目標翻滾運動測量及動力學(xué)參數(shù)辨識和消旋控制。

3.1 非合作目標翻滾運動測量及動力學(xué)參數(shù)辨識

對翻滾目標進行消旋及主動移除時首先要對目標幾何、運動學(xué)、動力學(xué)參數(shù)進行辨識，在此基礎(chǔ)上才能建立準確的目標運動學(xué)及動力學(xué)模型。抓捕后系統(tǒng)質(zhì)心位置偏移、慣量參數(shù)改變有可能引起組合體姿態(tài)失穩(wěn)，因此在捕獲前對非合作目標及其翻滾運動進行測量及估計是后續(xù)消旋操作進行的基本保證。

對非合作目標參數(shù)識別主要包括幾何及運動參數(shù)測量和動力學(xué)參數(shù)辨識兩部分。前者包括非合作目標幾何尺寸、相對位姿及目標翻滾運動的測量，后者包括目標質(zhì)量、質(zhì)心位置和慣量矩陣等動力學(xué)參數(shù)的在軌辨識。對非合作目標運動及動力學(xué)信息的準確獲取是在軌捕獲任務(wù)成功實施的關(guān)鍵步驟。

由于無法與非合作目標進行通訊獲取姿態(tài)信息，且非合作目標無法提供用于輔助測量的信息標識物，這給非合作目標運動及位姿測量帶來了極大的挑戰(zhàn)。目前，對于目標狀態(tài)的獲取主要使用視覺的方式，如美國的PHOENIX計劃[41]，歐洲航空局的ROGER計劃[42]等，也可使用激光測距的方法，如SMART-OLEV計劃[43]，其位姿測量系統(tǒng)由視覺與激光測距系統(tǒng)共同組成。

非合作目標運動狀態(tài)檢測方法主要可分為以下3類：基于強幾何特征的方法，基于模型的方法和基于三維點云的方法。其中基于強幾何特征的方法是對于目標上特有的幾何特征進行識別，根據(jù)特征與目標本體的位置關(guān)系解算目標的位姿信息。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王志超[44]提出一種基于特征信息融合的位姿測量方法，其方法為同時將航天器本體和遠地點發(fā)動機引擎噴管作為特征進行識別，并提出了幾何卡爾曼濾波的PLK目標追蹤算法，提高了識別效率。北京理工大學(xué)蔡晗[45]等，提出一種基于幾何特征綜合匹配的雙目超近距相對位姿視覺測量方法，此方法以失效衛(wèi)星的矩形太陽帆板為特征，經(jīng)過解算得出衛(wèi)星的相對位姿。此方法計算量小，易于實現(xiàn)，實時性較好，但是適應(yīng)性和魯棒性并不理想。

第2種為基于模型的方法，即在已知目標CAD模型的前提下，對目標進行模板匹配，進而獲取目標姿態(tài)的方法。Kelsey等[46]利用視覺系統(tǒng)對非合作目標基于模型位姿測量方案進行了研究，在已知非合作目標三維模型的前提下，對目標追蹤算法進行了研究，可實現(xiàn)非合作目標位姿參數(shù)的實時輸出。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的任宇琪[47]對基于模型的算法進行了研究，首先利用POSIT算法求取參考位姿，進而求得圖像上的特征點與已知目標模型上的特征點對應(yīng)關(guān)系，利用隨機采樣表決算法，結(jié)合虛擬視覺伺服算法求得目標位姿信息。此種方法匹配精度高，魯棒性好，但是需要目標CAD模型，適應(yīng)性受限。

第3種為基于三維點云的方法，此方法為通過視覺或激光測距的方法建立非合作目標表面的三維點云，然后與已知非合作目標三維模型進行迭代配準，利用配準后的信息進行位姿解算。此種方法魯棒性好，精度高，但是算法復(fù)雜，計算量大，導(dǎo)致實時性差。郭瑞科等[48]為提高配準速度和精度提出了一種基于KD-Tree點云均勻采樣簡化算法，仿真結(jié)果表明此方法能夠有效的實現(xiàn)點云的配準。為改善識別效率，Lim等[49]提出了基于閃光雷達及預(yù)識別目標上直線及角點等強幾何特征的點云姿態(tài)識別算法，與傳統(tǒng)ICP算法相比處理數(shù)據(jù)量更小，適合10 Hz以上的處理頻率，實時性更優(yōu)。

根據(jù)視覺系統(tǒng)實時識別的姿態(tài)信息即可解算出目標翻滾運動的運動參數(shù)，而目標的動力學(xué)參數(shù)特別是慣性參數(shù)的識別目前主要基于動量守恒方式及牛頓—歐拉方程。孫俊等[50]提出了一種基于Adaline網(wǎng)絡(luò)的空間非合作目標慣性參數(shù)辨識方法，基于動量守恒原理建立辨識模型，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)慣量參數(shù)的快速辨識。徐文福等[51]提出了一種更加實用的完全慣量參數(shù)辨識方法，通過抓捕后依次按順序解鎖機械臂各關(guān)節(jié)，逐步得到組合體慣量參數(shù)，將目標參數(shù)辨識問題轉(zhuǎn)化為單體及兩體系統(tǒng)辨識問題。楚中毅等[52]提出了一種依據(jù)抓捕后接觸力進行慣量參數(shù)辨識方法，在考慮各種測量誤差擾動的情況下，可以實現(xiàn)精確、穩(wěn)定的慣量參數(shù)辨識。

當前對非合作目標慣量參數(shù)的識別主要利用機械臂抓捕后進行接觸式的辨識及測量，這類方法適合與接觸式消旋同步進行。在研究非接觸消旋問題時文獻[12，53]中假設(shè)目標姿態(tài)及距離等信息可實時測量為已知量，但與非接觸消旋方式相結(jié)合的非接觸式慣量參數(shù)辨識方法還需要進一步研究。

3.2 翻滾非合作目標消旋控制

翻滾非合作目標消旋的難點在于非合作目標質(zhì)量、慣量及運動參數(shù)未知，需要通過在軌辨識獲取，且作用于目標表面的控制力矩與相對位姿高度相關(guān)，消旋過程中相對距離和姿態(tài)的改變對力矩的控制提出了很高的要求。當前對非合作目標消旋控制問題主要有以下3類解決思路：

1) 將非合作目標轉(zhuǎn)化為合作目標，利用合作目標消旋方法解決非合作目標消旋問題。例如采用推力器附著[26]，磁場源附著[54]等方式為非合作目標提供姿控執(zhí)行機構(gòu)。Caubet和Biggs[54]等提出了將磁性構(gòu)件附著到非合作目標上的方案，當目標上附著磁場源時，可利用磁偶極子模型建立相互作用力模型。此時消旋問題轉(zhuǎn)化為磁控姿態(tài)問題，可采用成熟的B-dot算法[55]或比例反饋控制方式[56]控制目標姿態(tài)，完成消旋任務(wù)。非合作目標姿態(tài)合作化控制可借助成熟的姿態(tài)控制算法，但附著過程本身就是控制外部場源直接與翻滾非合作目標接觸并連接到一起，如何安全、準確地附著同時減緩碰撞仍是一個難題。

2) 當非合作目標為簡單運動情況時(自旋)，只需要單自由度控制力，保證外部控制力矩與角動量方向相反即可實現(xiàn)運動衰減，目標單自旋運動方程可簡化為

I·Δω=r×F·Δt

(2)

式中：I為目標的慣量矩陣；Δω為目標角速度增量；r為控制力作用點在目標本體系位置矢量；F為作用力矢量；Δt為力作用時間。

通過服務(wù)航天器向目標施加單自由度控制力實現(xiàn)較為容易，Nishida和Kawamoto[17]提出了利用柔性末端執(zhí)行器與目標表面接觸產(chǎn)生的摩擦力衰減目標轉(zhuǎn)速。Yudintsev等[57]提出了一種yo-yo消旋機構(gòu)附著在自旋火箭末端，通過yo-yo球的釋放衰減目標單自旋轉(zhuǎn)速。

3) 當非合作目標為自由翻滾狀態(tài)時，需要根據(jù)在軌辨識得到的目標位姿信息實時改變服務(wù)航天器控制力矩施加裝置與目標相對位姿，以保證控制力矩滿足姿態(tài)穩(wěn)定需求。

針對接觸式消旋法中脈沖消旋控制，Kawamoto等[29]提出了利用多次接觸脈沖作用力去除目標章動角的方法，并給出了脈沖次數(shù)的優(yōu)化過程。Yoshikawa和Yamada[58]提出了一種基于離散控制的目標三軸角動量脈沖式衰減方法，結(jié)果表明該離散控制方法可有效衰減目標三軸角動量且系統(tǒng)穩(wěn)定。脈沖消旋控制的優(yōu)勢在于消旋過程中不需要實時反饋，通過視覺系統(tǒng)測量外力作用后目標運動狀態(tài)的改變量，然后逐步調(diào)整重復(fù)作用即可達到衰減目標轉(zhuǎn)動的效果。

在非接觸消旋法的消旋控制方法上，國內(nèi)外也開展了相關(guān)研究。Nakajima等[18]提出的用氣體沖擊衰減火箭末級轉(zhuǎn)速的方法，是基于四元數(shù)反饋控制噴氣點與目標相對距離及角度，實現(xiàn)了對目標姿態(tài)控制。Bennett和Schaub等[36]提出了基于bang-bang控制理論的靜電消旋及目標穩(wěn)定姿態(tài)控制算法，通過控制目標轉(zhuǎn)動過程中靠近與遠離時刻服務(wù)航天器電壓正負極性產(chǎn)生與目標相互吸引或排斥的作用力，最終穩(wěn)定目標姿態(tài)。Gomez和Walker[39]利用超導(dǎo)線圈構(gòu)造外部近似均勻磁場，對磁場中運動的非合作目標采用PD控制原理設(shè)計控制律控制目標相對距離及姿態(tài)，與未采取控制手段相比，消旋時間從一個月減小到幾天內(nèi)。在消旋控制時，由于需要已知與目標間的距離及相對姿態(tài)等運動信息，對處于高速翻滾狀態(tài)的非合作目標還需完善相應(yīng)的相對距離及姿態(tài)參數(shù)的快速在軌辨識技術(shù)，以有效縮短消旋時間。

4 結(jié)論與展望

1) 非合作目標翻滾運動形式復(fù)雜，對于空間翻滾非合作目標進行主動消旋是對現(xiàn)有在軌捕獲方法的有效補充。對于難以直接抓捕的空間翻滾非合作目標，在捕獲前進行消旋處理可降低捕獲難度，保證后續(xù)任務(wù)安全、有效進行。

2) 按作用力是否與目標接觸可將非合作目標消旋方法分為接觸式和非接觸式兩類。接觸式消旋方法能提供較大的控制力矩，快速穩(wěn)定目標姿態(tài)。而當目標運動情況復(fù)雜時，利用氣體沖擊、靜電力、電磁力、離子束、激光等非接觸力進行消旋可以有效減少碰撞風(fēng)險，在安全間距外衰減目標三軸轉(zhuǎn)速。

3) 針對特定目標選擇消旋方法要綜合考慮目標幾何形狀、材料特性、運動特性、所需控制力矩自由度、任務(wù)有效載荷、任務(wù)時間及能量消耗等問題。接觸式消旋方法能提供較大的控制力矩從而縮短消旋時間，但要求較高的控制精度。采用非接觸作用力矩消旋作用距離遠，對相對距離及姿態(tài)容差能力強。將消旋裝置集成到末端執(zhí)行器中可有效節(jié)省有效載荷。

4) 對非合作目標運動學(xué)及動力學(xué)信息的在軌辨識及消旋控制方法需要進一步研究。對非合作目標姿態(tài)及翻滾運動的測量目前主要采用視覺識別方式，采用基于強幾何特征、基于模型的方法或基于三維點云的方法進行辨識。需要更快速有效的識別出目標特征及位姿信息的方法。對目標質(zhì)量、質(zhì)心位置及慣量矩陣的識別需要抓捕后結(jié)合機械臂運動進行辨識，非接觸消旋方法的動力學(xué)參數(shù)識別問題還需要進一步研究。在研究非合作目標消旋問題時，文獻中多假設(shè)目標位姿信息已知，基于在軌實測的真實非合作目標位姿信息驗證各類控制算法的有效性需要進一步研究。在非合作目標上附著外部場源將其轉(zhuǎn)化為合作目標進行姿態(tài)控制是一個較為可行的思路，可借助成熟的算法進行姿態(tài)控制，但外部場源如何安全附著到非合作目標上是難點。

未來空間碎片清除任務(wù)朝著一次發(fā)射清除多個目標的方向發(fā)展，且目標捕獲后還需對其進行離軌處理。對翻滾非合作目標進行消旋在下述幾個方面可以繼續(xù)探索。

1) 對翻滾非合作目標運動參數(shù)進行快速在軌辨識，與靜止目標姿態(tài)識別不同，翻滾目標運動測量需要更高頻率的解算算法，且要適應(yīng)空間中變化的光照環(huán)境。對無法直接抓捕的翻滾目標，非接觸式目標慣量參數(shù)估計更具潛力。

2) 非接觸消旋過程中對目標姿態(tài)進行自適應(yīng)控制，當質(zhì)量及慣量參數(shù)未知的非合作目標與服務(wù)航天器固聯(lián)形成組合體運動時，組合體質(zhì)量、質(zhì)心位置及慣量參數(shù)發(fā)生改變，利用自適應(yīng)控制算法穩(wěn)定目標姿態(tài)更具優(yōu)勢。

3) 將非接觸消旋方法集成到機械臂末端執(zhí)行器中，可以充分利用空間機器人靈活的特性和非接觸消旋的安全特性，連續(xù)衰減目標運動直至姿態(tài)穩(wěn)定，實現(xiàn)目標快速消旋，節(jié)省有效載荷。

4) 能同時滿足消旋+捕獲或消旋+離軌的消旋方式更具前景，可以將一個空間碎片主動移除任務(wù)多個環(huán)節(jié)進行簡化，減輕任務(wù)有效載荷。

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