为多角度展现学院优秀学位论文风采，树立优秀学位论文标杆，加强学位论文写作经验交流，学院将陆续分享我院2023年各类获奖优秀学位论文，希望能给研究生的科研及论文写作提供一些经验和参考。

论文选题背景与意义

空间机器人技术与应用是提高空间作业自动化、空间系统自主性与智能化，以及实施空间飞行器在轨服务和维护的重要途径。在失效/失控航天器在轨维修与功能恢复、在轨航天器燃料加注与部件升级、空间大型航天器在轨装配与太空基地建设、空间碎片清理等复杂空间任务中具有重要应用前景。目前，空间机器人服务和操作的对象大都是合作程度较高的空间合作目标，对空间非合作目标的捕获与操控是空间机器人实施在轨服务亟待突破的关键技术，尚存在诸多未解决的科学和技术问题，是世界航天科技研究前沿和研发重点。

我国的空间机器人研究起步较晚，正在运行的空间站机械臂是我国空间站建造、运营、维修及拓展等任务的关键装备之一，正在实施的国家科技创新 2030 重大项目“深空探测及空间飞行器在轨服务与维护系统”也将空间机器人对非合作目标的操控作为重要研究内容。在此背景下，开展空间机器人操控非合作翻滚目标的轨迹规划与控制等关键技术研究对于发展我国的空间机器人事业具有重要的理论意义和应用价值。

论文主要研究内容与创新点

论文面向空间机器人在轨操控非合作翻滚目标的任务需求，针对空间机器人捕获翻滚目标过程中的动力学建模、运动规划和协调控制等关键问题，研究了空间机器人面向动力学解耦与控制器设计的建模方法、捕获目标过程中的约束处理与最优轨迹规划方法、捕获目标后的动力学参数辨识与自适应控制方法，以及地面等效验证空间机器人模型与控制器的实验方法。主要创新点包括：

（1）提出了将空间机器人运动分解为系统质心平移运动和系统内部重构运动，并建立了固定在系统质心上非惯性系下的空间机器人动力学方程。因而，关于基座推力的最优控制器和基座、关节力矩的协调控制器可以单独设计，降低了基座质心位置、基座姿态和机械臂构型之间动力学耦合效应下控制器的设计难度。

（2）提出了使用标准变分法求解含有状态和输入不等式约束的空间机器人最优控制问题的方法，发挥了间接法解的精度高的优点。通过将状态和输入不等式分别转化为扩展动态子系统和饱和函数，避免了使用庞特里亚金极小值原理及其可能带来的奇异控制等问题。证明了方法解的最优性和其不存在奇异控制问题的良好性质。

（3）提出了空间机器人参数辨识的并行学习方法。同时使用空间机器人历史的和当前时刻的激励运动信息进行参数辨识，可以不依赖于持续激励条件而保证参数辨识误差全局以指数速率收敛至零。参数辨识的收敛条件只需要判断相关矩阵的正定性，方便在线进行。

（4）首次建立了空间和地面机器人的动力学等效条件和控制相似律。针对实际的动力学参数偏差造成无法满足动力学等效条件的情形，分析了空间和地面机器人运动对参数偏差的灵敏性，并提出了一种动力学误差补偿策略，使得可以使用地面机器人有效验证空间机器人控制器。

将末端执行器视为虚拟基座的空间机器人建模示意图

空间机器人接近目标的最优轨迹规划示意图

空间机器人抓捕翻滚目标后示意图

代表性成果

1. Zong L, Liang G, Lam TL. Kinematics modeling and control of spherical rolling contact joint and manipulator. IEEE Transactions on Robotics, 2023, 39(1): 738-754.

2. Zong L, Luo J, Wang M. Optimal concurrent control for space manipulators rendezvous and capturing targets under actuator saturation. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2020, 56(6): 4841-4855.

3. Zong L, Emami M R, Luo J. Reactionless control of free-floating space manipulators. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2019, 56(2): 1490-1503.

4. Zong L, Luo J, Wang M. Optimal detumbling trajectory generation and coordinated control after space manipulator capturing tumbling targets. Aerospace Science and Technology, 2021, 112:106626.

5. Zong L, Emami M R. Control verifications of space manipulators using ground platforms. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2020, 57(1): 341-354.

论文研究历程

宗立军本科毕业于北京理工大学，毕业后作为推免研究生进入必赢电子游戏网站攻读硕士学位，出于对学术研究的热爱和兴趣，通过硕博连读成为一名博士研究生，师从罗建军教授。

凡事开头难，博士学位论文的选题正是如此，在跟导师经过一次次讨论后，他逐渐形成了在空间机器人捕获未知翻滚目标方向的选题和清晰的博士学位论文研究主线，论文选题得到了博士论文创新基金的资助。

在论文研究过程中，他勤于思考、刻苦勤奋，注重锻炼和提高自己的创新意识、创新能力和研究能力，并在研究中取得了系列化的研究成果。这些过程和成果的取得，让他觉得尽早就确定清晰的研究主线是形成一篇优秀博士学位论文的必要条件。读博期间，他在导师、实验室和学院的支持下持续深入开展深入的研究工作，并在国家留学基金委的资助下到多伦多大学联合培养两年。在联合培养期间，外方导师充分尊重他前期的研究基础和选题，又和国内导师一起在研究深度上帮助他深挖论文研究背后的科学问题，使得联合培养期间的研究没有偏离论文研究主线又加强了理论深度。

在论文撰写阶段，他在导师的指导下进一步总结和提炼研究工作中有价值的成果，梳理清楚研究工作之间的逻辑关系，从创新性与严谨性、清晰性和简捷性、逻辑性和系统性等方面反复修改和完善论文写作，最终完成了一篇高质量的博士学位论文。

博士学位论文得到了预答辩委员会、外审专家和答辩委员会的一致好评，认为是一篇优秀的博士学位论文。

文：宗立军、罗建军、邢妍

图：宗立军

审核：宁昕