Δυναμική, Προγραμματισμός Τροχιάς και Έλεγχος Διαστημικών Ρομποτικών Συστημάτων Υποκείμενων σε Στροφορμή και Ευκαμψίες - Νάνος, Κωνσταντίνος (Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, 2015)
Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, η μελέτη εστιάζεται σε ελεύθερα αιωρούμενα Διαστημικά Ρομποτικά Συστήματα (ΔΡΣ) τα οποία φέρουν βραχίονα με μη πλεονάζοντες Βαθμούς Ελευθερίας (ΒΕ). Αντίθετα με άλλες μελέτες οι οποίες, για απλοποίηση του προβλήματος, θεωρούν μηδενική αρχική στροφορμή του ΔΡΣ, εδώ λαμβάνεται υπόψη η ύπαρξη κάποιας ποσότητας συσσωρευμένης στροφορμής στο ΔΡΣ. Αναπτύσσονται οι εξισώσεις κίνησης ενός άκαμπτου ελεύθερα αιωρούμενου ΔΡΣ με αρχική στροφορμή και μελετάται η εξάρτηση των εξισώσεων κίνησης του συστήματος από την στροφορμή του ΔΡΣ. Επίσης, βασιζόμενοι στα αναπτυσσόμενα μοντέλα, αναπτύσσονται νόμοι ελέγχου στο χώρο των αρθρώσεων και στον Καρτεσιανό χώρο οι οποίοι, παρά την ύπαρξη αρχικής στροφορμής στο ΔΡΣ, εξασφαλίζουν ασυμπτωτική ευστάθεια για εντολές επιθυμητής διαμόρφωσης του βραχίονα και επιθυμητής θέσης του ΤΣΔ, αντίστοιχα. Για αποφυγή πιθανών συγκρούσεων του ΔΡΣ με το περιβάλλον του, στην παρούσα εργασία επιλέγεται ο σχεδιασμός δρόμου του Τελικού Σημείου Δράσης (ΤΣΔ) στον Καρτεσιανό χώρο με ή χωρίς αρχική στροφορμή του ΔΡΣ. Μελετώνται δυο περιπτώσεις κινήσεων του ΤΣΔ στον Καρτεσιανό χώρο. Στην πρώτη περίπτωση είναι επιθυμητή η παρακολούθηση μόνο της θέσης του ΤΣΔ στον επιθυμητό δρόμο, ενώ στην δεύτερη περίπτωση η παρακολούθηση του επιθυμητού δρόμου πρέπει να γίνει επιπλέον και με επιθυμητό προσανατολισμό του ΤΣΔ. Η πραγματοποίηση της δεύτερης περίπτωσης απαιτεί ΔΡΣ με βραχίονες με περισσότερους ΒΕ. Όμως, και στις δυο περιπτώσεις, ο σχεδιασμός δρόμου στον Καρτεσιανό χώρο, σε αντίθεση με το σχεδιασμό δρόμου στο χώρο των αρθρώσεων, μπορεί να είναι μην είναι εφικτός λόγω της πιθανής εμφάνισης Δυναμικών Ιδιομορφιών (ΔΙ). Για την αντιμετώπιση του προβλήματος, εξάγονται και αναλύονται οι εξισώσεις που ορίζουν τις ΔΙ για τους επίπεδους και τρισδιάστατους ελεύθερα αιωρούμενους ρομποτικούς βραχίονες που απαιτούνται για τις δυο παραπάνω περιπτώσεις επιθυμητών κινήσεων του ΤΣΔ. Η ανάλυση των ΔΙ επιτρέπει των υπολογισμό περιοχών του χώρου εργασίας του ΔΡΣ όπου το ΤΣΔ μπορεί να κινηθεί με ασφάλεια. Αποτέλεσμα, λοιπόν, της εμφάνισης ΔΙ είναι ουσιαστικά η μείωση του χώρου όπου το ΔΡΣ μπορεί να εκτελέσει κάποια εργασία με ασφάλεια. Για εκμετάλλευση όλου του χώρου εργασίας του ΔΡΣ, στην παρούσα εργασία αναπτύσσεται μια καινοτόμος μεθοδολογία η οποία επιτρέπει κινήσεις του ΤΣΔ και σε περιοχές που είναι πιθανή η εμφάνιση ΔΙ. Η αποφυγή της εμφάνισης ΔΙ στις περιοχές αυτές πραγματοποιείται με ξεκίνημα του ΔΡΣ με κατάλληλο αρχικό προσανατολισμό του δορυφόρου και αντίστοιχη αρχική διαμόρφωση του βραχίονα του ΔΡΣ. Η προτεινόμενη μέθοδος εξάγει τους κατάλληλους αρχικούς προσανατολισμούς του δορυφόρου και τις αντίστοιχες αρχικές διαμορφώσεις του βραχίονα του ΔΡΣ ώστε να μπορεί το ΤΣΔ να κινηθεί με ασφάλεια σε όλο το χώρο εργασίας του ΔΡΣ αποφεύγοντας πιθανές ΔΙ. Η μέθοδος εφαρμόζεται σε επίπεδα και τρισδιάστατα ΔΡΣ με ή χωρίς αρχική στροφορμή και για τις δυο προαναφερθέντες περιπτώσεις κινήσεων του ΤΣΔ. Στο τελευταίο μέρος της παρούσας εργασίας, μελετάται η δυναμική των εύκαμπτων ΔΡΣ θεωρώντας ότι όλες οι ευκαμψίες τους είναι συγκεντρωμένες στις αρθρώσεις των βραχιόνων τους. Εξάγονται, αναλυτικά, οι εξισώσεις κίνησης των συστημάτων αυτών και σχολιάζονται οι διαφορές τους από τις αντίστοιχες εξισώσεις ΔΡΣ με άκαμπτες αρθρώσεις. Επίσης, αναλύονται οι διαφορές και οι ομοιότητες τους από τις αντίστοιχες εξισώσεις κίνησης των επίγειων ρομποτικών βραχιόνων με εύκαμπτες αρθρώσεις. Λόγω της δυναμικής σύζευξης μεταξύ του δορυφόρου και του βραχίονα του ελεύθερα αιωρούμενου ΔΡΣ, παρατηρούνται διαφορές στη δομή των πινάκων των δυναμικών εξισώσεων αυτών των συστημάτων με τους αντίστοιχους πίνακες των εξισώσεων των επίγειων ρομποτικών βραχιόνων σταθερής βάσης με εύκαμπτες αρθρώσεις. Εκμεταλλευόμενοι τις διαφορές αυτές, σχεδιάζεται ένας ελεγκτής γραμμικοποίησης μέσω ανατροφοδότησης που επιτυγχάνει αποσύζευξη του συστήματος και παρακολούθηση τροχιών τόσο στο χώρο των αρθρώσεων όσο και στον Καρτεσιανό χώρο χωρίς να προκαλεί ανεπιθύμητες ταλαντώσεις στο δορυφόρο του ΔΡΣ.