一種空間繩系機器人視覺精確逼近方法技術

本發明專利技術涉及一種空間繩系機器人視覺精確逼近方法，利用相機對目標得到的角度信息，建立基于卡爾曼濾波器的狀態估計，并利用模型預測控制算法控制操作機器人的方向和速度，將濾波器的狀態估計和路徑跟蹤聯合最優，從而使得空間操作機器人一方面對目標進行逼近，另一方面單目測量得到精度保證的相對位置估計。本發明專利技術的有益效果是，使用基于模型預測控制的空間繩系機器人單目精確逼近方法，在僅使用單目相機的情況下，就能實現了空間繩系機器人對目標的實時精確定位，并準確的逼近目標。

A method of vision accurate approximation for space tethered robot

The invention relates to a tethered space robot vision precise approximation method, using the camera to get the target angle information, establish the Calman filter based on the state estimation model is used to predict control direction and speed control operation of the robot will algorithm, state estimation and path tracking filter with optimal, so that the space robot is approaching on one hand, on the other hand, monocular measurement to get the relative position accuracy estimation. The beneficial effect of the invention is the use of model predictive control of the tethered space robot based on monocular accurate approximation method, using only single camera case, can realize the space tethered robot to target real-time precise positioning and accurate approximation of the target.

【技術實現步驟摘要】
一種空間繩系機器人視覺精確逼近方法
本專利技術屬于航天
，涉及一種空間繩系機器人視覺精確逼近方法，是一種基于模型預測控制的空間繩系機器人視覺精確逼近目標的方法。
技術介紹
在輔助變軌、軌道垃圾清理、失控衛星救助等方面，空間機器人擁有自己獨特的優勢。本專利技術所研究的對象主要針對帶繩系的空間機器人，也可以進行稍微改進應用到其它類型空間機器人當中。空間繩系機器人由“平臺衛星+空間系繩+操作機器人”三部分構成，如圖1。空間繩系機器人的操作機器人是逼近并抓捕目標的具體單元。對于操作機器人來說，實時測量其與目標之間的相對位置是操作機器人精確逼近目標導航任務完成的關鍵。相對平臺本身，操作機器人一般較小，無法搭載重量較大的高性能外部感知傳感器，如激光測距儀等。因此，視覺傳感器是其最常見外部感知傳感器，負責操作機器人逼近目標時的相對位置導航測量。但是眾所周知，單目視覺傳感器可以精確測量目標和操作機器人之間的相對角度，但對于相對距離測量有很大局限性。因此在現有的空間繩系機器人逼近方法中，單目相機一般只起到目標角度對準的作用，不進行距離測量。在必須需要距離信息時，單目相機需要結合目標先驗尺寸和幾何模型才能獲得操作機器人與目標之間的相對距離測量信息。而對于非合作目標，這就要求平臺提前進行目標繞飛，進行目標精確建模等前提條件，這就顯然給繩系機器人平臺又提出了額外的要求。
技術實現思路
要解決的技術問題為了避免現有技術的不足之處，本專利技術提出一種空間繩系機器人視覺精確逼近方法，通過實時優化逼近速度和方向，使操作機器人僅利用單目相機就可以對目標進行精確的距離測量并且逼近目標，解決現有方法的局限性。技術方案一種空間繩系機器人視覺精確逼近方法，其特征在于：待抓捕目標的本體坐標系為Otxyz，Ow和O分別為機器人衛星平臺和操作機器人的中心，操作機器人質量為m，衛星平臺和操作機器人中心在待抓捕目標本體坐標系中的相對位置分別為Ow＝(xwywzw)T和O＝(xyz)T，待抓捕目標相對于操作機器人的方位角定義為α、俯仰角定義為β，Ft為衛星平臺對操作機器人的系繩張力，推進器總推力為Fs，其中Fsx，Fsy，Fsz是Fs沿著x,y,z三坐標軸的分量，相機成像平面的橫、縱坐標分別為u、v，相機的焦距為f；逼近步驟如下：步驟1：對操作機器人進行動力學建模，得到空間繩系機器人的系統動力學方程和相機觀測方程：系統動力學方程其中：n是軌道角速度。相機觀測方程為：步驟2：采用擴展型卡爾曼濾波器EKF對系統動力學方程和相機觀測方程進行濾波，得到操作機器人與目標之間相對位置的估計值和評價估計精度的協方差矩陣；步驟3：利用偽譜法，基于系統動力學方程，得到基于連續控制力的空間繩系機器人逼近目標的離線軌跡規劃；步驟4：使用模型預測控制MPC方法，對步驟3得到的軌跡規劃跟蹤精度作為一個總體優化目標，對步驟2得到的估計精度作為另一個優化目標，控制操作機器人的運動方向和運動速度，實現對待抓捕目標的精確的逼近。有益效果本專利技術提出的一種空間繩系機器人視覺精確逼近方法，利用相機對目標得到的角度信息，建立基于卡爾曼濾波器的狀態估計，并利用模型預測控制算法控制操作機器人的方向和速度，將濾波器的狀態估計和路徑跟蹤聯合最優，從而使得空間操作機器人一方面對目標進行逼近，另一方面單目測量得到精度保證的相對位置估計。本專利技術的有益效果是，使用基于模型預測控制的空間繩系機器人單目精確逼近方法，在僅使用單目相機的情況下，就能實現了空間繩系機器人對目標的實時精確定位，并準確的逼近目標。附圖說明圖1是空間繩系機器人系統圖；圖2是包含衛星平臺、系繩、空間機器人及目標的系統坐標定義圖；圖3是空間操作機器人的受力圖；圖4是相機觀測目標成像原理圖；圖5是控制系統結構圖。具體實施方式現結合實施例、附圖對本專利技術作進一步描述：本專利技術所采用的技術方案是：一種基于模型預測控制(MPC)的空間繩系機器人精確逼近目標方法。對繩系機器人首先進行動力學建模，將動力學方程作為操作機器人與目標之間相對位置估計的系統方程，將單目相機對待抓捕目標的角度測量信息作為觀測方程。基于上述系統方程和觀測方程，可利用擴展型卡爾曼濾波器進行相對位置的實時估計。最終，使用模型預測控制方法在線實時調整操作機器人的逼近方向和速度，使得操作機器人一方面沿著預定軌跡逼近目標，另一方面保證相對位置估計滿足一定精度要求。具體按照以下步驟實施：步驟1：對操作機器人進行動力學建模，得到空間繩系機器人的系統動力學方程和相機觀測方程。步驟2：采用擴展型卡爾曼濾波器EKF對系統動力學方程和相機觀測方程進行濾波，得到操作機器人與目標之間相對位置的估計值和評價估計精度的協方差矩陣。步驟3：利用偽譜法，基于系統動力學方程，得到基于連續控制力的空間繩系機器人逼近目標的離線軌跡規劃。步驟4：使用模型預測控制MPC方法，對步驟3得到的軌跡規劃跟蹤精度作為一個總體優化目標，對步驟2得到的估計精度作為另一個優化目標，控制操作機器人的運動方向和運動速度，實現對待抓捕目標的精確的逼近。進一步的，空間繩系機器人系統示意圖見圖1所示，系統主要包括衛星平臺、系繩、操作機器人。待抓捕目標位于系統前方。圖2描述系統坐標定義圖。定義待抓捕目標的本體坐標系為Otxyz，空間機器人的逼近導航在此坐標系下進行描述。定義Ow和O分別為機器人衛星平臺和操作機器人的中心，操作機器人質量為m，衛星平臺和操作機器人中心在待抓捕目標本體坐標系中的相對位置分別為Ow＝(xwywzw)T和O＝(xyz)T，待抓捕目標相對于操作機器人的方位角定義為α、俯仰角定義為β。空間機器人的受力分析如圖3所示，Ft為衛星平臺對操作機器人的系繩張力，推進器總推力為Fs，其中Fsx，Fsy，Fsz是Fs沿著x,y,z三坐標軸的分量，相機成像平面的橫、縱坐標分別為u、v，相機的焦距為f。步驟1主要對操作機器人進行動力學建模，得到系統狀態方程和相機觀測方程。本專利技術假設平臺重量相對較大，操作機器人的逼近機動不會影響衛星平臺的運動，因此不需要對平臺進行建模。此外，在本專利技術中，操作機器人的姿態假設在高精度陀螺儀控制下總是精確朝向x軸，因此本專利不考慮姿態問題。基于此假設，根據圖2中所示的角度關系，操作機器人的系統的動力學方程可以建立為：其中n是軌道角速度。使用相機對目標衛星進行觀測，根據圖2和圖4定義，由針孔相機成像原理可以推導出：繼而得到相機觀測方程為：步驟2是利用步驟1得到的系統動力學方程和相機觀測方程，使用擴展型卡爾曼濾波器(EKF)實現操作機器人與目標之間相對位置估計，并得到評價估計精度的協方差矩陣。這里需要對系統首先進行離散化。將第k時刻的表述操作機器人的離散時間系統狀態(位置+速度)定義為：其中xk表示變量x在離散時間k時刻的取值，表示xk的一階導數，類似標注方式應用于本專利其它變量。式(1)系統方程也可以重新組織為離散形式：Xk+1＝Xk+T·fk(4)其中T是離散采樣時間間隔，類似定義適用于整個申請書。式(4)中非線性函數fk為：根據式(2)，定義系統k時刻的離散觀測值為Yk＝[ukvk]，得到離散觀測方程為：下面使用傳統的EKF濾波對公式(4)和(6)對應的離散系統進行狀態估計：1)第一個公式為狀態轉移方程，目的是得到EKF本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種空間繩系機器人視覺精確逼近方法，其特征在于：待抓捕目標的本體坐標系為O

【技術特征摘要】
1.一種空間繩系機器人視覺精確逼近方法，其特征在于：待抓捕目標的本體坐標系為Otxyz，Ow和O分別為機器人衛星平臺和操作機器人的中心，操作機器人質量為m，衛星平臺和操作機器人中心在待抓捕目標本體坐標系中的相對位置分別為Ow＝(xwywzw)T和O＝(xyz)T，待抓捕目標相對于操作機器人的方位角定義為α、俯仰角定義為β，Ft為衛星平臺對操作機器人的系繩張力，推進器總推力為Fs，其中Fsx，Fsy，Fsz是Fs沿著x,y,z三坐標軸的分量，相機成像平面的橫、縱坐標分別為u、v，相機的焦距為f；逼近步驟如下：步驟1：對操作機器人進行動力學建...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張夷齋，黃攀峰，宋科皓，孟中杰，劉正雄，張帆，
申請(專利權)人：西北工業大學，
類型：發明
國別省市：陜西,61