[发明专利]一种空间机器人抓捕翻滚目标的最优轨迹规划方法

说明书

本发明公开了一种空间机器人抓捕翻滚目标的最优轨迹规划方法，包括建立了空间机器人和翻滚目标的运动方程；提出了空间机器人工作空间的求解算法和最优抓捕时机的确定准则；得到了机械臂末端执行器最优的抓捕轨迹；最后以实例验证了本发明提出的方法的有效性。本发明提出的最佳抓捕时机确定准则可以保证抓捕发生在空间机器人的路径无关工作空间，从而不会遇到动力学奇异问题。使用最优控制理论得到的机械臂末端执行器的最优抓捕轨迹，则可以保证抓捕时末端执行器与目标上的抓捕点以相同的速度到达同一位置，从而使得抓捕时产生的碰撞力最小。

【技术领域】

本发明属于空间机器人和自动控制技术领域，涉及一种空间机器人抓捕翻滚目标的最优轨迹规划方法。

【背景技术】

空间机器人技术已经取得了巨大的进步，各航天大国都先后实施了在轨实验验证空间机器人技术。然而，在已经完成的在轨实验中空间机器人服务的对象都是具有姿控能力的合作目标，而地面监控显示大部分失效卫星都具有翻滚运动，使得空间机器人对此类目标开展在轨服务任务变得很困难，针对非合作、特别是翻滚目标进行服务的空间机器人技术还有待进一步的发展。

现有的空间机器人的轨迹规划方法大致可以分为两类：1)在关节空间下完成轨迹规划。通过将关节轨迹参数化，并使用智能优化算法求解非线性规划问题，从而直接得到期望的机械臂关节运动轨迹。这类方法的缺点是求解非线性规划问题可能需要大量的计算时间。同时，在抓捕时刻对机械臂末端执行器和目标上抓捕点相对速度的要求很难在该空间下进行表示。2)在任务空间下完成轨迹规划。这类方法首先使用最优控制理论得到机械臂末端执行器的最优运动轨迹，之后通过求解逆运动学方程得到相应的机械臂关节运动轨迹。然而，空间机器人由于存在动力学奇异问题，求解逆运动学方程的过程中末端执行器很小的速度可能对应过大的关节角速度。大量的方法研究了空间机器人逆运动学问题的奇异鲁棒求解算法，避免产生过大的关节角速度，但所有的奇异鲁棒求解算法都可能导致机械臂末端执行器偏离期望轨迹。如果偏差发生在抓捕时刻，将可能导致产生过大的碰撞力。

【发明内容】

本发明针对空间机器人抓捕翻滚目标的轨迹规划问题，提供一种空间机器人抓捕翻滚目标的最优轨迹规划方法，保证在抓捕时刻空间机器人不会遇到动力学奇异问题，并实现在抓捕时刻将碰撞力最小化。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种空间机器人抓捕翻滚目标的最优轨迹规划方法，包括以下步骤：

1)建立空间机器人和翻滚目标的运动方程；

2)计算空间机器人工作空间并确定最佳抓捕时机；

3)生成机械臂末端执行器的最优抓捕轨迹。

本发明进一步的改进在于：

步骤1)的具体方法如下：

空间机器人系统由基座卫星和n自由度的机械臂组成，其运动学和动力学方程表示为：

其中，v_e，ω_e分别为末端执行器的线速度和角速度，为基座卫星的线/角速度，是关节角速度向量；

为节省燃料或减小对末端执行器运动的影响，空间机器人处于自由漂浮工作状态，即f_b,f_e＝0；此时，空间机器人的动力学模型简化为：

其中，H_θ＝H_m-H_bm^TH_b^-1H_bm称为“自由漂浮空间机器人的广义惯性张量”，为自由漂浮空间机器人的非线性项；自由漂浮空间机器人系统满足动量守恒定理：