自由漂浮空間機器人自主抓捕目標的方法研究.pdf

1、基于運動預(yù)測和非線性優(yōu)化方法，本文為空間機器人自主抓捕合作型目標衛(wèi)星提出了一種方法，可以為空間機器人抓捕目標衛(wèi)星計算出可行的關(guān)節(jié)軌跡，且在保證成功抓捕的前提下，最小化關(guān)節(jié)運動對基座的姿態(tài)擾動。本方法基于兩步：（1）目標衛(wèi)星的運動觀測與預(yù)測，（2）點到點任務(wù)的基座姿態(tài)擾動最小的運動規(guī)劃。完成第一步后，根據(jù)目標運動的預(yù)測結(jié)果可以給定一個合適的抓捕時刻。由于抓捕時刻目標衛(wèi)星上手柄坐標系的位姿已知，故而可用點到點的運動規(guī)劃方法為空間機器人抓捕目

2、標衛(wèi)星規(guī)劃出合理的關(guān)節(jié)運動。具體研究內(nèi)容如下：
　　研究了利用視覺信息對自由漂浮剛體的一般運動進行預(yù)測的算法。該算法可用來支持空間機器人抓捕衛(wèi)星的這類復(fù)雜操作的運動規(guī)劃，也可在缺少實時運動觀測結(jié)果的情況下用于替代運動觀測結(jié)果（如由于閉塞、有限的衛(wèi)星與地面的通信而造成無觀測結(jié)果）。本算法分為三步，首先使用空間機器人上的雙目相機觀測目標的運動，然后使用運動觀測結(jié)果識別一組合適的動力學參數(shù)，最后用這組參數(shù)預(yù)測目標的運動。可用優(yōu)化算法求解

3、此參數(shù)識別問題，此優(yōu)化問題的目標函數(shù)為這組動力學參數(shù)對應(yīng)的位姿運動與觀測得到的位姿運動之差。可用運動觀測結(jié)果估計部分動力學參數(shù)的近似值，減少優(yōu)化問題的計算量。本文建立了運動觀測與預(yù)測的仿真系統(tǒng)，用于檢驗算法的運動預(yù)測效果。利用仿真系統(tǒng)進行大量算例，并對結(jié)果統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)了算法的運動預(yù)測結(jié)果的一些規(guī)律，驗證了本算法的可靠性。
　　提出了一種結(jié)合預(yù)測目標衛(wèi)星運動和規(guī)劃機械臂運動的抓捕方法，用于空間機器人自主抓捕目標衛(wèi)星。首先，基于多剛

4、體動力學理論，建立機械臂末端的運動微分方程和機械臂基座的姿態(tài)運動微分方程，這些方程中，關(guān)節(jié)運動是輸入項；然后用適當?shù)膮?shù)離散化機械臂的關(guān)節(jié)運動，最后使用基座姿態(tài)擾動最小的運動規(guī)劃方法為空間機器人抓捕目標衛(wèi)星尋找最優(yōu)的關(guān)節(jié)運動參數(shù)。規(guī)劃機械臂的運動時，首先利用目標衛(wèi)星的運動預(yù)測結(jié)果判斷機械臂沿著規(guī)劃的關(guān)節(jié)軌跡運動時，機械臂是否會與目標發(fā)生碰撞，排除危險的關(guān)節(jié)運動軌跡；然后，抓捕目標衛(wèi)星是首要目標，同時還考慮了最小化機械臂運動對基座姿態(tài)的擾