空間運(yùn)動目標(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,開展目標(biāo)航天器的運(yùn)動預(yù)測研究,基于預(yù)測信息目標(biāo)自主捕獲規(guī)劃研究,并進(jìn)行仿真與實驗研究。
　　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),然后以空間剛體動力學(xué)模型為基礎(chǔ),分析失效航天

2、器的運(yùn)動規(guī)律,建立目標(biāo)航天器的簡化模型,用于運(yùn)動預(yù)測的系統(tǒng)狀態(tài)方程與量測方程。由動力學(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)展卡爾曼濾波和無損卡爾曼濾波對目標(biāo)的運(yùn)動進(jìn)行預(yù)測。擴(kuò)展卡爾曼濾波雖能用于非線性系統(tǒng),但對于非線性較強(qiáng)的系統(tǒng),其預(yù)測結(jié)果可能不收斂。無損卡爾曼濾波不會舍棄模型信號的高階項,對非線性系統(tǒng)預(yù)測結(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)動更加平穩(wěn)。視覺伺服控制機(jī)器人自主捕獲目標(biāo)過程,時延問題是必須面對的問題。將目標(biāo)的預(yù)測信息考慮到自主捕獲規(guī)劃中,能夠有效減小該過程的時延。本文結(jié)合目標(biāo)的運(yùn)動預(yù)測結(jié)果,提出基于預(yù)測位姿的目標(biāo)捕獲規(guī)劃方法,既能實現(xiàn)目標(biāo)的自主抓捕,又能有效減

4、小自主捕獲過程中的時延,提高目標(biāo)捕獲的精度。
　　為了驗證目標(biāo)運(yùn)動預(yù)測算法和基于預(yù)測位姿的捕獲規(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)動映射到地面機(jī)器人系統(tǒng)并進(jìn)行仿真與實驗。地面實驗平臺是由數(shù)字仿真平臺和物理平臺共同組成,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,也能在真實機(jī)器人平臺上對其運(yùn)動進(jìn)行顯示。
　　課題的研究緊跟我國大力開展空間在軌服務(wù)技術(shù)研究的步伐,研究成果對未來空間機(jī)器人在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用具有