空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)自主捕獲路徑規(guī)劃研究.pdf

1、空間機(jī)器人在軌服務(wù)內(nèi)容和服務(wù)范圍隨著空間在軌服務(wù)技術(shù)的發(fā)展在逐漸擴(kuò)大,類似失效航天器的在軌修復(fù),失效衛(wèi)星的回收與處理及太空垃圾清理等空間任務(wù)越來(lái)越多。目標(biāo)航天器的自主捕獲技術(shù)在此類空間任務(wù)中扮演非常重要的角色。本文以空間失效航天器的自主捕獲為主線,開(kāi)展目標(biāo)航天器的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)研究,基于預(yù)測(cè)信息目標(biāo)自主捕獲規(guī)劃研究,并進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)研究。
　　首先以自主捕獲的目標(biāo)出發(fā),分析一般航天器結(jié)構(gòu)特點(diǎn),然后以空間剛體動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ),分析失效航天

2、器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,建立目標(biāo)航天器的簡(jiǎn)化模型,用于運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)的系統(tǒng)狀態(tài)方程與量測(cè)方程。由動(dòng)力學(xué)方程可知系統(tǒng)狀態(tài)方程具有非線性的特點(diǎn),文中采用擴(kuò)展卡爾曼濾波和無(wú)損卡爾曼濾波對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。擴(kuò)展卡爾曼濾波雖能用于非線性系統(tǒng),但對(duì)于非線性較強(qiáng)的系統(tǒng),其預(yù)測(cè)結(jié)果可能不收斂。無(wú)損卡爾曼濾波不會(huì)舍棄模型信號(hào)的高階項(xiàng),對(duì)非線性系統(tǒng)預(yù)測(cè)結(jié)果能取得較高的精度,也能克服擴(kuò)展卡爾曼濾波僅用于弱非線性系統(tǒng)和強(qiáng)非線性預(yù)測(cè)結(jié)果可能發(fā)散和精度不高的缺點(diǎn)。
　　要

3、進(jìn)行目標(biāo)的自主捕獲,空間機(jī)器人的路徑規(guī)劃與自主捕獲規(guī)劃必須被考慮。本文提出關(guān)節(jié)空間連續(xù)加速度路徑規(guī)劃方法,通過(guò)約束加速大小并以諧曲線規(guī)律變化進(jìn)行路徑規(guī)劃,能消除機(jī)器人關(guān)節(jié)控制中的力突變,使空間機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。視覺(jué)伺服控制機(jī)器人自主捕獲目標(biāo)過(guò)程,時(shí)延問(wèn)題是必須面對(duì)的問(wèn)題。將目標(biāo)的預(yù)測(cè)信息考慮到自主捕獲規(guī)劃中,能夠有效減小該過(guò)程的時(shí)延。本文結(jié)合目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)結(jié)果,提出基于預(yù)測(cè)位姿的目標(biāo)捕獲規(guī)劃方法,既能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自主抓捕,又能有效減

4、小自主捕獲過(guò)程中的時(shí)延,提高目標(biāo)捕獲的精度。
　　為了驗(yàn)證目標(biāo)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)算法和基于預(yù)測(cè)位姿的捕獲規(guī)劃的正確性與可行性,本文將空間機(jī)器人及目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)映射到地面機(jī)器人系統(tǒng)并進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)。地面實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是由數(shù)字仿真平臺(tái)和物理平臺(tái)共同組成,既能夠在三維環(huán)境中顯示機(jī)器人和目標(biāo)航天器的運(yùn)動(dòng),也能在真實(shí)機(jī)器人平臺(tái)上對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行顯示。
　　課題的研究緊跟我國(guó)大力開(kāi)展空間在軌服務(wù)技術(shù)研究的步伐,研究成果對(duì)未來(lái)空間機(jī)器人在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用具有