Skip to main content
SUPERVISOR
Mehdi Keshmiri,Mohammad jafar Sadigh
مهدی کشمیری (استاد راهنما) محمدجعفر صدیق دامغانی زاده (استاد مشاور)
 
STUDENT
Mehrzad Soltani
مهرزاد سلطانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390

TITLE

Dynamic Analysis and Control Synthesis of a Space Tethered Robot Manipulating a Space Structure
Dynamics and control of a tethered space robot (TSR), manipulating a space structure was analyzed in this thesis. The system investigated in the thesis consists of a main satellite moving on a predefined circular orbit around the Earth, a two link manipulator, a tether connecting the robot to the main satellite, and rigid structure manipulating by the robot. It is assumed that the main satellite is fully controlled and the TSR dynamics does not affect its motion. A reel mechanism in the main satellite is used to change the tether length. Transferring the along a given trajectory and moving it to a specific point is the mission of this TSR system. Due to limited range of tether length variation during the mission, typical control schemes fails to perform the task. To analyze the system dynamics and design a controller, dynamics of the system is initially modeled and equations of motion of the system were derived. Partitioning dynamics of the system into two parts, librational motion of the tether and manipulation of the structure, a hybrid NMPC-CTM controller was then introduced to achieve the proposed control goals. The nonlinear model predictive controller was mainly introduced to control the tether libration while keeping the tether length more or less unchanged. The computed torque part was established to handle the structure manipulation. The NMPC controller was initially designed for a simple tethered system consisting of a point mass connected to the main satellite trough a rigid tether and stabilization of the tether libration of the in its equilibrium position is analyzed numerically. It was observed that the controller was capable to perform the control task while the tether length changed less than one percent. In the next step, the designed controller used in the proposed hybrid system, considering the manipulator coupling dynamics as the disturbance on the tether libration. Then the hybrid controller was used to study stabilization and trajectory tracking in the structure manipulation problems. It was seen that the controller succeeded to handle both control objective and to keep the change of the tether length limited. Finally the effect of the tether flexibility on the performance of the control system was studied considering the effect of the tether flexibility as the system disturbance. Keywords: Tethered Space Robot, Model Predictive Control, Trajectory Tracking, Hybrid Controller
سیستمی که در این پایان نامه به تحلیل دینامیکی آن پرداخته شده، از یک ماهواره ی اصلی در حال گردش به دور زمین در مداری دایره ای با حرکتی از پیش تعریف شده تشکیل شده، که بیشتر جرم سیستم ناشی از ماهواره است. در این ماهواره، مکانیزم قرقره ی تعبیه شده، با تولید سرعت خطی در طنابی که به دور آن پیچیده شده تغییر طول ایجاد می کند. به انتهای تتر یک بازویی دو عضوی متصل شده و پنجه ی ربات سازه ای صلب و همگن را حمل می کند. موقعیت دهی سازه و انتقال آن در روی یک مسیر داده شده، ماموریت این سیستم را تشکیل می دهند. روش های کنترلی معمول به دلیل بازه ی محدود تغییرات طول تتر در حین عملیات کارآمد نیستند و کنترل سیستم چالش اصلی این پژوهش است. ابتدا با در نظر گرفتن فرضیاتی مشخص، معادلات دینامیکی سیستم با تتر صلب استخراج شده است. سپس برای سیستم صلب کنترل کننده ای که پاسخ گوی اهداف پایان نامه باشد طراحی شده است و در انتها اثر انعطاف پذیری تتر در دینامیک سیستم کنترل شده ارزیابی شده است. تمرکز اصلی این پژوهش بر مسئله کنترل سیستم با توجه به محدویت تغییر طول تتر است. با تفکیک دینامیک سیستم به دو بخش حرکت نوسانی-دورانی تتر و حرکت بازوی رباتیکی، کنترل سیستم تجزیه وتحلیل شده است. از آنجا که به دلیل گشتاورهای اعمالی روی مفاصل ربات و سازه، کنترل این دو بخش راحت تر انجام می گیرد، ایده ی به کار رفته در حل مسئله کنترل سیستم این است که حرکت دروانی تتر مستقل از زوایای مفاصل ربات و سازه کنترل شوند و اثر تداخل دینامیکی حرکت بازو بر حرکت تتر به صورت اختلال در کنترل تتر در نظر گرفته شود. کنترل کننده ای که برای کنترل زوایای مفاصل ربات و سازه پیشنهاد شده، کنترل کننده ی گشتاور های محاسبه شده است. کنترل چالش برانگیز زاویه ای تتر با حفظ طول تتر در یک رنج محدود ابتدا برای یک سیستم ساده تتر فضایی به عنوان الگو، با استفاده از روش کنترلی مبتنی بر پیش بین مدل، Model Predictive Control، بررسی شده است. سپس با بکارگیری یک کنترل کننده ی ترکیبی NMPC-CTM مسئله کنترل سیستم اصلی در دو حالت حمل سازه و ربات بدون سازه بررسی و شبیه سازی شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی سیستم در نتیجه ی اعمال کنترل کننده های طراحی شده نشان دهنده عملکرد خوب این کنترل کننده ها است. در آخر اثر انعطاف پذیری تتر به فرضیات مسئله اضافه شده معادلات سیستم برای این شرایط استخراج شده اند. تاثیر این انعطاف پذیری در کنترل سیستم به عنوان اغتشاش ساختاری برای سیستم در مدل دینامیکی در نظر گرفته شده و نتایج حاصل از شبیه سازی برای کنترل سیستم در انتقال سازه به نقطه ی هدف ارائه شده است. کلمات کلیدی: کنترل مبتنی بر پیش بینی مدل، تعقیب مسیر، کنترل کننده ی هیبرید، ربات فضایی متصل به تتر.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی