自由漂浮空間機(jī)器人自主抓捕目標(biāo)的方法研究.pdf

1、基于運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)和非線性優(yōu)化方法，本文為空間機(jī)器人自主抓捕合作型目標(biāo)衛(wèi)星提出了一種方法，可以為空間機(jī)器人抓捕目標(biāo)衛(wèi)星計(jì)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(yùn)動(dòng)對(duì)基座的姿態(tài)擾動(dòng)。本方法基于兩步：（1）目標(biāo)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)觀測(cè)與預(yù)測(cè)，（2）點(diǎn)到點(diǎn)任務(wù)的基座姿態(tài)擾動(dòng)最小的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。完成第一步后，根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的預(yù)測(cè)結(jié)果可以給定一個(gè)合適的抓捕時(shí)刻。由于抓捕時(shí)刻目標(biāo)衛(wèi)星上手柄坐標(biāo)系的位姿已知，故而可用點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法為空間機(jī)器人抓捕目

2、標(biāo)衛(wèi)星規(guī)劃出合理的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　研究了利用視覺信息對(duì)自由漂浮剛體的一般運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)的算法。該算法可用來支持空間機(jī)器人抓捕衛(wèi)星的這類復(fù)雜操作的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，也可在缺少實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)觀測(cè)結(jié)果的情況下用于替代運(yùn)動(dòng)觀測(cè)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(cè)結(jié)果）。本算法分為三步，首先使用空間機(jī)器人上的雙目相機(jī)觀測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，然后使用運(yùn)動(dòng)觀測(cè)結(jié)果識(shí)別一組合適的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，最后用這組參數(shù)預(yù)測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)?？捎脙?yōu)化算法求解

3、此參數(shù)識(shí)別問題，此優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)為這組動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)應(yīng)的位姿運(yùn)動(dòng)與觀測(cè)得到的位姿運(yùn)動(dòng)之差。可用運(yùn)動(dòng)觀測(cè)結(jié)果估計(jì)部分動(dòng)力學(xué)參數(shù)的近似值，減少優(yōu)化問題的計(jì)算量。本文建立了運(yùn)動(dòng)觀測(cè)與預(yù)測(cè)的仿真系統(tǒng)，用于檢驗(yàn)算法的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)效果。利用仿真系統(tǒng)進(jìn)行大量算例，并對(duì)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)了算法的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)結(jié)果的一些規(guī)律，驗(yàn)證了本算法的可靠性。
　　提出了一種結(jié)合預(yù)測(cè)目標(biāo)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)和規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的抓捕方法，用于空間機(jī)器人自主抓捕目標(biāo)衛(wèi)星。首先，基于多剛

4、體動(dòng)力學(xué)理論，建立機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)微分方程和機(jī)械臂基座的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)微分方程，這些方程中，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是輸入項(xiàng)；然后用適當(dāng)?shù)膮?shù)離散化機(jī)械臂的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，最后使用基座姿態(tài)擾動(dòng)最小的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法為空間機(jī)器人抓捕目標(biāo)衛(wèi)星尋找最優(yōu)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先利用目標(biāo)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)結(jié)果判斷機(jī)械臂沿著規(guī)劃的關(guān)節(jié)軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)械臂是否會(huì)與目標(biāo)發(fā)生碰撞，排除危險(xiǎn)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡；然后，抓捕目標(biāo)衛(wèi)星是首要目標(biāo)，同時(shí)還考慮了最小化機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)對(duì)基座姿態(tài)的擾