The increasing demands of On-Orbit Servicing (OOS) require new technologies to complete the OOS mission. Space robot, since it is flexible, multi-functional and extendable, is one of the most promising solutions for OOS. In this thesis, a distributed real-time simulation architecture based on DDS has been presented for space robotic tele-operation tasks. Besides, a constrained MPC framework considering system input/output, anti-collision and anti-singularity constraints has been developed for the free-floating space robot. The objective of this thesis is to provide a general simulation architecture with intuitive perception for the operators on ground, and a new control framework considering multiple constraints for the application of the space robot while the performance and effectiveness are improved. For that purpose, a new distributed real-time simulation architecture, RACOON, has been implemented based on DDS in the environment Matlab/Simulink/Stateflow. The new simulation architecture provides the operator on ground an intuitive view of space robot and makes the simulation architecture open for collaborative tele-operation. As a complete simulation system, the multi-body dynamics, AMM, path & trajectory planning, motion control, virtual reality etc. subsystems, integrate together seamlessly to complete the whole space robotic missions. In order to realize the new control framework based on NMPC, firstly, the dynamics of the space robot with tree structure using the concepts of graph theory and spatial notation is introduced. A new IMM is derived from the topology of the space robot, which can be employed to analyse the sparsity of the JSIM and the complexity of the CRBA algorithm, and assist the decomposition of the JSIM. Secondly, the singularity and collision avoidance issues of redundant manipulators are investigated considering the redundancy and task priority. A so-called STR method is developed based on the concept of manipulability ellipsoid for singularity avoidance. For collision avoidance, a new strategy combining two control points is proposed to restrain the vibration of joint velocity and generate smoother joint trajectory reference. Thirdly, application of NMPC to space manipulator in capturing an uncooperative target satellite is investigated. The system input/output, collision/singularity constraints in practice imposed on decision variables are translated into linear inequalities as part of NMPC. An on-line QP algorithm with prioritized constraints is adopted to find the optimal control efforts. The effectiveness and performance of the new proposed methods in this thesis are demonstrated by comparison to traditional methods. Well-designed end-effector path, together with the NMPC guarantees the success of the space manipulator to complete the capture of the un-cooperative target satellite. This work shows the feasibility and validity of constrained MPC applied in the field of space robot. Furthermore, it can be used to support further OOS mission and space exploration. ; Zunehmende Anforderungen an den Satelliten-Service in der Erdumlaufbahn (On Orbit Servicing, OOS) erfordern neue Technologien, um diese auszuführen. Wegen ihrer Flexibilität, Multifunktionalität und Erweiterbarkeit sind Weltraum-Roboter eine der vielversprechendsten Lösungen dafür. In der vorliegenden Arbeit wird für die Teleoperations-Aufgaben eines Weltraumroboters eine Architektur mit verteilter Echtzeit-Simulation basierend auf einem Data Distribution Service (DDS) vorgestellt. Außerdem wird für den frei schwebenden Roboter ein Model Predictive Control (MPC) Framework entworfen, das Kollisionen und Singularitäten bei Roboterbewegungen vermeidet. Ziel der vorliegenden Arbeit ist, für so eine Simulation eine allgemeine Architektur zu entwerfen, die dem Boden-Operateur eine intuitive Erkennung ermöglicht, und ein neues MPC Framework, das die vielfachen Einschränkungen beim Betrieb des Weltraumroboters in Betracht zieht und so die Leistung und Effektivität verbessert. Zu diesem Zweck wurde eine neue verteilte Echtzeitsimulation, RACOON, entwickelt, die auf einem DDS in Matlab/Simulink/Stateflow basiert. Sie liefert dem Boden-Operateur eine intuitive Ansicht des Roboters und erweitert die Simulations-Architektur für kollaborative Teleoperation, Mehrkörperdynamik, Autonomous Mission Management (AMM), Weg- und Bahn-Planung, Bewegungskontrolle, virtuelle Realität, usw., für heutige komplexe Robotikmissionen. Zunächst wird die Dynamik des Raumroboters mit einer Baumstruktur unter Nutzung von Konzepten aus der Graphentheorie und räumlichen Beschreibungen dargestellt, um damit ein Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) Model zu verwirklichen. Aus der Topologie des Roboters wird eine Inertia Mapping Matrix (IMM) hergeleitet werden, um die Spärlichkeit eines JSIM und die Komplexität von CRBA Algorithmen zu untersuchen und die Dekomposition des JSIM zu unterstützen. Danach werden für redundante Manipulatoren unter Berücksichtigung der Priorität von Redundanz und Aufgaben die Singularitäts- und Kollisions-Probleme untersucht. Für die Vermeidung von Singularitäten wird basierend auf dem Konzept von Handhabbarkeits-Ellipsoiden eine sogenannte STR-Methode entwickelt. Zur Kollisionsvermeidung, wird eine neue „Zwei-Kontroll¬punkte-Strategie“ vorgeschlagen, die Schwingung der Gelenkgeschwindigkeit dämpft und so eine glattere Bewegungsbahn des Roboterarms erzeugt. In einer Anwendungsstudie wird gezeigt, wie bei der Ergreifung eines nicht kooperativen Zielsatelliten ein so gestalteter NMPC einen Manipulatorarm kollisions- und singularitätsfrei bewegt. Die Wirksamkeit und die Leistungsfähigkeit der hier neuen vorgeschlagenen Methoden werden mit traditionellen Methoden verglichen. Diese Arbeit zeigt die Machbarkeit und die Überlegenheit eines eingeschränkten MPC für den Einsatz eines Weltraumroboters.


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    Titel :

    Constrained Model Predictive Control for Real-Time Tele-Operation Motion Planning ; Eingeschränkte Model Predictive Control für Echtzeit-Teleoperation Bewegungsplanung



    Erscheinungsdatum :

    2015-07-09


    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Elektronische Ressource


    Sprache :

    Deutsch



    Klassifikation :

    DDC:    620 / 629



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