Δυναμική, προγραμματισμός τροχιάς και έλεγχος διαστημικών ρομποτικών συστημάτων υποκείμενων σε στροφορμή και ευκαμψίες
Authors: Νάνος Κωνσταντίνος 
Published: August 2021

Οι περισσότερες ερευνητικές εργασίες, για απλοποίηση της μελέτης των Ελεύθερα Αιωρούμενων Διαστημικών Ρομποτικών Συστημάτων (ΕΑΔΡΣ), θεωρούν την αρχική στροφορμή του συστήματος ίση με μηδέν. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, λαμβάνεται υπόψη η ύπαρξη κάποιας ποσότητας συσσωρευμένης στροφορμής στο ΕΑΔΡΣ και μελετάται η επίδραση της στις εξισώσεις κίνησης του ΕΑΔΡΣ. Επίσης, χρησιμοποιώντας τις εξαγόμενες εξισώσεις κίνησης, αναπτύσσονται νόμοι ελέγχου και στο χώρο των αρθρώσεων και στον Καρτεσιανό χώρο. Αποδεικνύεται ότι οι προτεινόμενοι ελεγκτές εξασφαλίζουν ασυμπτωτική ευστάθεια για εντολές επιθυμητής διαμόρφωσης του βραχίονα καθώς και για εντολές επιθυμητής θέσης του Τελικού Σημείου Δράσης (ΤΣΔ), παρά την ύπαρξη αρχικής στροφορμής στο ΕΑΔΡΣ.Στη συνέχεια εξετάζεται το πρόβλημα της πιθανής εμφάνισης Δυναμικών Ιδιομορφιών (ΔΙ) κατά το σχεδιασμό δρόμου στον Καρτεσιανό χώρο. Στην περίπτωση ΔΙ, ο βραχίονας του ΕΑΔΡΣ δεν μπορεί να κινήσει το ΤΣΔ προς κάποια κατεύθυνση και η επιθυμητή κίνηση του ΤΣΔ καθίσταται ανέφικτη. Εξαιτίας της εμφάνισης των ΔΙ, ο χώρος εργασίας των ΕΑΔΡΣ περιορίζεται σημαντικά. Εδώ, προτείνεται μια καινοτόμος μεθοδολογία η οποία επιτρέπει στο ΤΣΔ να ακολουθήσει μια δεδομένη διαδρομή αποφεύγοντας την εμφάνιση ΔΙ. Για την παρακολούθηση της προκαθορισμένης διαδρομής, η μέθοδος εξάγει τους κατάλληλους αρχικούς προσανατολισμούς του δορυφόρου και τις αντίστοιχες αρχικές διαμορφώσεις του βραχίονα του ΔΡΣ που αποφεύγουν ΔΙ κατά την επιθυμητή κίνηση του ΤΣΔ οδηγώντας σε αποτελεσματική χρήση όλου του χώρου εργασίας του ΕΑΔΡΣ. Η μέθοδος εφαρμόζεται σε επίπεδα και τρισδιάστατα ΔΡΣ με ή χωρίς αρχική στροφορμή επιτρέποντας εντολές για κινήσεις του ΤΣΔ σε οποιαδήποτε τροχιά με ή χωρίς επιθυμητό προσανατολισμό του ΤΣΔ.Στο τελευταίο μέρος της παρούσας εργασίας εξετάζεται το πρόβλημα ελέγχου ΕΑΔΡΣ με εύκαμπτους βραχίονες. Είναι γνωστό ότι στην περίπτωση των ΕΑΔΡΣ υπάρχει δυναμική σύζευξη μεταξύ βραχίονα και δορυφόρου του ΕΑΔΡΣ με αποτέλεσμα οι κινήσεις του βραχίονα να επιφέρουν διαταραχές στην κίνηση του δορυφόρου. Έτσι, η ταλάντωση στην κίνηση του βραχίονα προκαλεί ανεπιθύμητές ταλαντώσεις στο δορυφόρο του ΕΑΔΡΣ οι οποίες επιδρούν στην τελική θέση του ΤΣΔ. Επιπλέον, οι προκαλούμενες ταλαντώσεις στο δορυφόρο μπορούν να προκαλέσουν δυσλειτουργία εξαρτημάτων που βρίσκονται στο δορυφόρο όπως η κεραία επικοινωνίας και οι ηλιακοί συλλέκτες. Εδώ, μελετάται η δυναμική των εύκαμπτων ΕΑΔΡΣ θεωρώντας ότι όλες οι ευκαμψίες τους είναι συγκεντρωμένες στις αρθρώσεις των βραχιόνων τους και εξάγονται οι εξισώσεις κίνησης τους. Δίνεται έμφαση στην εσωτερική δομή των εξισώσεων αυτών και σχολιάζονται οι διαφορές τους από τις αντίστοιχες εξισώσεις βραχιόνων σταθερής βάσης με εύκαμπτες αρθρώσεις. Αποδεικνύεται ότι, εκμεταλλευόμενοι τη δομή των πινάκων των εξισώσεων κίνησης των ΕΑΔΡΣ με εύκαμπτες αρθρώσεις, μπορεί να σχεδιαστεί ένας ελεγκτής γραμμικοποίησης μέσω ανατροφοδότησης ο οποίος εξασφαλίζει τη γραμμικοποίηση και αποσύζευξη του συστήματος κλειστού βρόχου. Η υλοποίηση τέτοιων ελεγκτών είναι επιθυμητή στις διαστημικές εφαρμογές εξαιτίας του μικρού υπολογιστικού φορτίου τους. Στη συνέχεια, ο προτεινόμενος ελεγκτής εφαρμόζεται στην παρακολούθηση τροχιών στον Καρτεσιανό χώρο χωρίς να προκαλεί ανεπιθύμητες ταλαντώσεις στο δορυφόρο του ΕΑΔΡΣ.