[发明专利]空间机器人非合作目标自主识别与捕获方法

权利要求书

1.空间机器人非合作目标自主识别与捕获方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)基于立体视觉的图像处理与非合作目标相对位置测量1，根据同步采集到的左、右相机图像，进行实时处理，包括平滑滤波、边沿检测、直线提取、目标特征识别、立体匹配与3D重构。基于重构的结果，最后计算出非合作目标星相对于空间机器人基座和末端的相对位置和姿态

(2)空间机器人目标捕获自主路径规划2，根据相对位姿测量结果，即相对位置和姿态实时规划空间机器人各关节的运动轨迹——关节角和角速度以使机械臂末端接近并最终捕获目标；

(3)空间机器人系统协调控制3，将空间机械臂各关节的控制与基座的姿态、轨道控制协调进行，控制机械臂各关节跟踪期望的位置和速度外，实现整个系统的最佳控制性能。

2.根据权利要求1所述的空间机器人非合作目标自主识别与捕获方法，其特征在于所述的基于立体视觉的图像处理与非合作目标相对位置测量包括以下步骤：

(1)图像滤波：分别对左右相机图像进行滤波，以消除噪声干扰，得到平滑的左右相机图像；

(2)边沿检测：对两幅图像分别进行边沿检测，得到边沿特征信息；

(3)直线提取：对进行边沿检测后的图像进行直线提取，得到包含三角形支架各直线在内的各条直线信息；

(4)非合作目标卫星三角支架的识别：从提取后的所有直线信息中，识别对应于三角形帆板支架的六条直线，并利用识别出来的三角形支架对应的六条直线，计算出三角形的顶点；

(5)立体匹配、3D重构与位姿测量：根据识别出的三角形支架各顶点分别在左、右相机中的2D信息，进行各特征点的3D重构，得到三角形支架各顶点在世界坐标系中的3D坐标；根据3D重构的结果，进一步构建抓捕对象坐标系，并计算出其相对于世界坐标系的位置和姿态。

3.根据权利要求1所述的空间机器人非合作目标自主识别与捕获方法，其特征在于所述的空间机器人目标捕获自主路径规划包括以下步骤：

(1)位姿偏差计算，将立体视觉测量的目标相对于基座的位姿测量数据，转换到目标相对于机械手末端的位姿，并判断相对位姿偏差e_p和e_o是否小于设定的阈值ε_p和ε_o，若小于，则闭合手爪、捕获目标；否则，执行下面其它步骤；

(2)目标运动的预测，根据相对位姿偏差，实时估计目标的运动状态——下一个时刻的位置、姿态及线速度、角速度；

(3)空间机器人末端运动速度规划，根据所预测的目标运动状态，规划机械臂末端的运动速度，以与最短路径捕获目标；

(4)空间机器人避奇异的路径规划，根据规划的末端运动速度，采用奇异回避的处理方法，规划机械臂各关节角的运动轨迹。

4.根据权利要求1所述的空间机器人非合作目标自主识别与捕获方法，其特征在于所述的空间机器人系统协调控制使“机械臂控制器”和“基座控制器”协同工作，实现整个系统控制性能的优化。机械臂控制系统控制机械臂的运动，并且估计机械臂运动对于卫星的反作用，以力矩或者角动量的形式传给卫星基座的姿轨控系统AOCS，由AOCS对该反作用进行补偿，使卫星的姿态保持稳定，同时姿态测量元件将姿态控制状态——姿态角、姿态角速率、飞轮和喷气的状态又传给机械臂控制系统，机械臂系统根据这些状态判断运动规划，以决定是否重新规划，如果姿态角、角速度超出预设的范围，说明规划的路径不好，需要重新规划。基座的控制系统除了根据姿态测量状态进行常规的反馈控制以外还根据估计出的机械臂运动对卫星的反作用进行前馈补偿；