[发明专利]一种基于集合优化的空间操作规划方法

说明书

本发明公开了一种基于集合优化的空间操作规划方法，首先，建立与操作空间中末端执行器位姿向量对应的关节角向量集合；其次，建立关节角向量集合的偏序关系；最后，利用改进的粒子群优化算法在无限个包含无限组关节角向量的集合中选择与每个时刻对应的最优关节角向量，保证末端执行器按照指定路径运动，且运动过程中对漂浮基座的姿态扰动最小。本发明适用于末端执行器在操作空间沿指定路径运动时，基于集合优化得到的关节空间的最优关节运动。

技术领域

本发明属于空间在轨服务技术领域，具体涉及一种基于集合优化的空间操作规划方法。

背景技术

基座处于漂浮状态的空间机器人在执行任务过程中可以节省大量燃料，引起国内外学者的广泛关注。此外，若机器人自由度冗余，则其具有高度灵敏性，且在执行任务中可以最小化对漂浮基座的姿态扰动或成功避开障碍物等。现有研究主要是自由度冗余的漂浮空间机器人操作规划问题以及自由度冗余空间机器人的避障路径规划问题，以实现对漂浮基座姿态扰动的最小化，但未对末端执行器的运动做出任何约束限制。

若机器人自由度冗余，则对于操作空间中的一组位姿向量，存在关节空间中的无限组关节角向量与之对应。因此，机器人运动过程中，在每个时刻均存在关节空间中的无限组关节角向量与此时的末端执行器位姿向量对应。如何选择每个时刻的关节角向量，使末端执行器在该时刻到达指定位姿，且运动过程中实现对漂浮基座的姿态扰动最小，达到降低空间燃料的目的，是十分有必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于集合优化的空间操作规划方法，解决基座处于漂浮状态的自由度冗余空间机器人末端执行器运动时，如何选择每个时刻的关节角向量，保证末端执行器在该时刻到达指定位姿，且运动过程中实现对漂浮基座的姿态扰动最小，达到降低空间燃料的目的。

本发明采用以下技术方案：

一种基于集合优化的空间操作规划方法，包括以下步骤：

S1、建立与操作空间中末端执行器位姿向量对应的关节角向量集合；

S2、建立关节角向量集合的偏序关系；

S3、利用粒子群优化算法在无限个包含无限组关节角向量的集合中选择与每个时刻对应的最优关节角向量。

优选的，步骤S1中，所述关节角向量集合为：

F:X_EE→2^Q

其中，X_EE表示操作空间中的一点，Q表示与操作空间点对应的关节角向量集合。

优选的，末端执行器在操作空间运动时，对应的关节运动如下：

F(X_EE(t)):X_EE(t)→2^Q(t)

其中，X_EE(t)为末端执行器在t时刻的位姿向量。

优选的，步骤S2中，所述关节角向量集合的偏序关系为：

其中，q^*(t)为t时刻与末端执行器位姿对应的最优关节角向量，t_f为终止时间。

优选的，步骤S3中，根据所述偏序关系，利用粒子群优化算法对基于集合优化的操作规划进行寻优求解，具体为：