太空非合作目标抓捕机器人体系结构设计

2021-06-16方葆智

电子制作 2021年2期

方葆智

（北京市第五十七中，北京，100053）

1 宇宙垃圾概述

■1.1 宇宙垃圾的现状

目前地球被无数的宇宙垃圾围绕着，由于这些垃圾的存在可能会导致我们人类将来很难再进入宇宙空间[1]。对于宇宙垃圾所带来的威胁，人类正在采取对策，而且目前也出现了较为行之有效的“宇宙垃圾处理法”。2018年4月份欧洲发射了实验卫星“removeDEBRIS”[2]，但是宇宙垃圾的清除目前还存在许多亟待解决的问题。自1957年发射第一颗人造卫星上天以来，人类一共发射了大约8000颗卫星，其中有一些老旧的卫星落入到大气层，也有一些卫星像宇宙飞船一样得到回收。目前，包含废旧卫星在内共有近5000颗人造卫星围绕地球运行着。围绕地球运转的物体不仅有这些卫星，还有发射人造卫星时，火箭的机体残骸和搭载物等一些物体。另外，卫星本身发生爆炸、分解以及卫星和卫星相撞，对卫星所进行的一些破坏性实验也会产生出许多的碎片。目前，美国军方（18 SPCS）通过设置在全世界各地的雷达和望远镜追踪这些在轨道上运行的宇宙物体，据所能追踪到的宇宙物体有大约1万8922个之多，但是这还是美国所能追踪到的低轨道10厘米以上和静止轨道约1米以上的物体，还有许多无法追踪的小物体存在。据美国宇航局（NASA）推测，1厘米以上的物体有大约50-70万个，1毫米以上的物体有1亿个以上。

■1.2 宇宙垃圾的危害

这些细小的宇宙垃圾以每秒数公里的速度运行，如果与人造卫星相撞，不仅会破坏卫星使其停止工作，而且还会产生出新的碎片。据研究发现，比起落入大气层消失的宇宙垃圾，新产生的宇宙垃圾的数量更加庞大，今后这些新产生的宇宙垃圾的数量还会不断增加。另外研究表明，宇宙垃圾之间的相互碰撞产生新的垃圾，因此宇宙垃圾或许会不断如此反复地自我繁殖下去，形成碎片自我演化。如果出现这种情况，未来地球将被宇宙垃圾覆盖，从而导致人类和人造卫星无法轻易进入太空。

■1.3 宇宙垃圾的清理策略

目前为了清除这些大型宇宙垃圾，人类开始发射专门清除这些大型宇宙垃圾的卫星。然而回收和清除大型宇宙垃圾是极其困难的。因为卫星是以轨道速度接近以轨道速度飞行的宇宙垃圾，如果无法实现安全接近宇宙垃圾从而发生碰撞，不仅无法回收垃圾，还会产生新的宇宙垃圾。另外，目前轨道上的大型宇宙垃圾火箭残骸和废弃的人造卫星数量各占一半左右。人造卫星大多有很长的桨翼，而且运转复杂，所以安全捕获这些大型宇宙垃圾是非常困难的。

目前，宇宙垃圾的抓捕手段主要有：机械臂捕捉法、撒网捕捉法、鱼叉捕捉法、风帆捕捉法等。从目前技术手段来看，由于不能控制宇宙垃圾的状态，在捕获时尽量在它有可能处于缓慢运转的状态下，避免使用要求相对位置精度高和可控制状态的捕捉方法。以捕获火箭残骸宇宙垃圾为例，目前机械臂捕捉法是抓捕此类宇宙垃圾的主要手段。因此，本文主要研究抓捕机器人采用柔性机械臂捕捉的方法。

2 总体结构设计

太空非合作目标抓捕机器人主要由中央控制系统，柔性机械臂，识别系统（红外相机），探测系统（光学测距仪），动力系统，导航制导系统，姿态稳定系统、垃圾处理系统、安全保障系统等部分构成。

此机器人以卫星为载体，在正面设置一个柔性机械臂，长约5米，在卫星的各个顶点上设置红外相机，连接中央控制电脑，对外界环境进行及时反馈，并形成图像。若只需简单的姿态调整就通过人工智能来完成，若是需要变轨或抓捕，就需要将信号传回地面控制中心。动力采用太阳能板，以新式的电磁波发动机为舵机驱动能量源。探测系统联系导航制导系统、姿态稳定系统、垃圾处理系统、安全保障系统，进行随时的调整。柔性机械臂抓到目标后，利用机械臂上的电流棒，使其产生相反的力刹车，坠入大气层，通过自转法，保持稳定。

中央控制系统：接收计算指令和指控指令，整体控制各子系统的高效安全协作。

识别系统：可采用红外相机和人工智能技术，对空间物体自动识别宇宙垃圾。

探测系统：负责空间态势感知与探测。在航天器的平台上安装光学测距仪，发送器对准目标发射光束，发射的光束来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号。利用该有效信号，就可以精确确认目标的位置，使得柔性机械臂能够准确进行抓捕。

动力系统：负责提供卫星本体的在轨姿态保持和调整，机械臂驱动等动力。

导航系统：负责卫星平台和目标物体位置和姿态确定。

姿态稳定系统：维持卫星在轨姿态保持和抓捕过程姿态稳定。

垃圾处理系统：为捕获后的太空垃圾提供后续处理。

安全保障系统：提供卫星系统和其他系统的安全保障。

各部分之间的协作关系以及工作流程如下：

第一步，通过使用红外相机向四周发射红外射线，寻找非合作目标；

第二步，使用光学测距仪识别和定位非合作目标的具体位置；

第三步，通过中央控制系统动力系统实现轨道机动到达目标轨道；

第四步，通过动力系统加速靠近目标；

第五步，中央控制系统通过比例-积分-微分（PID）控制伸出柔性机械臂进行捕获；

第六步，中央控制系统通过自旋稳定法进行自身姿态的控制与稳定；

第七步，垃圾销毁系统将宇宙垃圾送入大气层烧毁。

3 关键分系统设计

为实现非合作目标的抓取任务，本文主要研究柔性机械臂、导航制导系统、垃圾处理系统和姿态稳定系统等几个关键系统，以解决非合作目标抓取中的轨道控制、捕获手段、后续处理和系统稳定等核心问题。

■3.1 柔性机械臂设计

3.1.1 控制方式

PID控制最早发展起来的控制策略之一。在PID控制中，控制律是控制偏差量的比例P、积分I和微分D的线性组合。由于PID控制的简单、有效和实用，该控制方法在实际工程中得到了大量应用，其有效性得到了广泛验证。对于柔性机械臂的主动控制，由于其特点，一般是仅采用P、D环节。

3.1.2 捕获手段与设计理念

卫星本体通过变轨和轨道机动，逐渐接近目标物，与此同时伸出柔性机械臂，通过PID控制，对变量做出分析，驱动舵机，来改变机械臂的伸出长度和空间位置。对目标物进行捕获，为了提高捕获效率，在机械臂上设计多个可弹射的小网兜，在有多个小型目标物与主目标物位置靠近时可启用，卫星捕获示意图如图1所示。卫星为实现非合作目标抓捕需满足以下几个条件：

（1）机械臂的关节需有高应对性和良好的控制性

宇宙垃圾属于没有抓手和视觉标记的非合作抓捕目标，对其的质量特性也无法进行正确判断。此外，对它的相对运动的测定以及接近控制也会存在误差。在这种情况下进行捕获时，要求机械臂必须具备如下两项重要的功能。第一是捕获时对预测困难的运动所造成的冲突有缓冲功能；第二是要求具有捕获后的制动动作功能。因此，为了让机械臂具备上述两种功能，在制造上，开发具有高应对性和良好控制性的机械臂关节就成为关键所在。

图1 卫星在轨抓捕示意图

（2）运用力触觉技术实现机械臂捕获的高效化

以前的机械臂很难感知力的大小，因此在接触到大撞击时就可能会导致事故的发生。今后在开发新型的机械臂时可以考虑使用专门的软件或者传感器，让机械臂所感受到的力的触觉传导给操作台的操作者，使之了解机械臂所接触到的物体的形状、硬度、重量等。从而让机械臂实现从前不能进行的复杂和高难度的操作，提高机械臂捕获的效率并降低事故发生的风险。

（3）安全设计

防止冲突的功能：为防止冲突，容许主臂控制系统2次故障。机械臂前端的移动速度是在软件控制之下的安全速度。

防止浮游物发生的功能：如果机械臂把手持的物体松开放出去的话，很有可能会造成冲撞宇宙空间站的大危险。所以对机械臂交付东西时进行确认的设计是非常重要的。建议设计时，要求机械臂在物体被确认交付之后才允许松开。

（4）标准化设计

为了减轻宇航员的操作负担，建议机械臂操作系统的设计应该积极引入世界通用的标准化设计。

■3.2 轨道机动和路径规划

由于航天器要在不同的轨道上进行捕获任务，需要对轨道有准确的分析，满足最省燃料和最快时间优化目标，因此引入轨道机动和路径规划对轨道进行精确计算和优化。

搭载柔性臂机器人的在轨航天器通过态势感知设备定位目标宇宙垃圾的相对位置，采取轨道转移，形成相对绕飞或伴飞轨道，或达到轨道交会状态，执行抓捕任务。

同时轨道保持和修正也是执行任务过程中的关键环节。轨道保持和修正是为了克服某些摄动力量的影响和弥补运载火箭的入轨误差，提高轨道的运行精度，使轨道参数限制在设计规定的范围内而进行的轨道机动。发射航天器的任务要由运载火箭来完成。运载火箭携带航天器从地面起飞，到达某一飞行高度后把航天器送入到运行轨道。这段飞行轨迹成为发射入轨。根据入轨情况不同，运载火箭的发射弹道可分为直接入轨、滑行入轨和过渡入轨。

■3.3 垃圾处理系统

3.3.1 电流击落法

日本宇航局开发了一种宇宙垃圾清除法，叫电流击落法，首先被用到“HTV搭载导电线的实证实验”中。该实验中，“东方白鹳”6号补给机先从国际宇宙空间站（ISS）中分离出来，单独飞行，然后该补给机伸出一个长约700米的电线，给这个电线输入10MA的电流，通过地球磁力的作用，产生电磁力。这个力与“东方白鹳”的运行方向正好相反，其作用相当于是给它踩刹车，使它低于轨道的运行速度从而跌入大气层。该装置很简单，不需要诸如发动机之类大动力的装置，因此制作成本很低。此前进行此类实验需要开发专门的人工卫星发射到太空才行，因此需要花费很多的时间和金钱，但现在只需要使用“东方白鹳”补给机，就可以轻松地完成实验。

3.3.2 吸附改变轨道法

日本一家民间企业—Astroscale公司采用了吸附改变轨道法清除宇宙垃圾，该公司开发的吸附方法主要是采用特殊的类似胶带的粘着剂来捕捉宇宙垃圾。选择粘着剂的理由主要是因为它的重量。粘着剂的重量只有200克左右，因此，使用粘着剂，只要粘上了就可以粘贴得很紧，降低失败率。同时在捕获到宇宙垃圾后，也很容易降低高度，使其落入大气层通过摩擦进行燃烧。此外，该公司还准备发射IDEA OSG1的卫星，主要收集存在于低轨道的大小在100μm以上的宇宙垃圾的信息。

本文研究主要采用柔性臂的太空机器人使用柔性臂抓手和网兜的组合方式来捕获太空垃圾，并根据太空垃圾的尺寸灵活使用以上两种方法来实现太空垃圾清理。

■3.4 姿态稳定系统

对于航天器，不仅要求它具有一定的轨道，还要求它保持某一特定姿态。姿态稳定与控制系统的任务是按航天任务要求保持航天器的特定姿态，保证航天器的星载天线或遥感装置等对准该区的指向误差在规定的容限内。目前航天器的自稳定有以下几种方法：自旋稳定法、三轴稳定法、重力梯度法。

自旋稳定的控制目的明确，具有推力偏斜和偏心对姿态控制影响小等优点，与三轴稳定控制相比，更适合于变轨姿态控制。采用自旋稳定姿态控制的航天器，其变轨过程包括自由飞行和变轨发动机工作两种状态。自旋稳定姿态控制一般可分为主动和被动两种方式。被动控制利用章动阻尼器，通过增加航天器的自旋稳定性来稳定自旋轴。主动控制利用姿控喷管控制航天器纵轴的姿态，可克服被动控制的上述缺点，控制精度较高。由于卫星平台需要在任务前维持姿态稳定，抓捕后维持质量和力矩改变的运动稳定，因此需要利用自旋稳定法和三轴稳定法维持任务前的姿态稳定，利用重力梯度法和控制方法维持抓捕任务过程和之后的运动稳定。