一種基于對接環的捕獲目標衛星的方法與系統技術方案

本發明專利技術公開了一種基于對接環的捕獲目標衛星的方法，包括：系統控制手眼相機測量得到空間機器人機械臂末端點與對接環中心點的位姿偏差參數；系統求得所述空間機器人機械臂末端點與對接環中心點的相對位置矢量在對接環面的投影，得出距離機械臂末端最近的抓捕點，并得到相對位姿偏差。本發明專利技術還公開了一種捕獲目標衛星的系統，系統判斷所述相對位姿偏差與設定的臨界值大小，以及當不滿足臨界值時通過規劃機械臂末端的運動，進而控制機械臂末端的手爪閉合，進而實現目標的捕獲，且達到時時接近的都是對接環上離得最近的一個點，即“動態最近點”，實現快速抓捕的目的，廣泛應用于空間合作/非合作衛星抓捕的技術領域。

Method and system for capturing target satellite based on docking ring

The invention discloses a method for capturing the target satellite, docking ring based control system includes: measuring hand eye camera pose parameter space robot arm end center endpoint and docking ring point projection; relative position vector system obtained the space robot arm end center endpoint and docking ring point in docking torus the end of that distance manipulator recent arrest, and get the relative position and attitude deviation. The invention also discloses a system for capturing the target satellite system, judging the relative position deviation and threshold value size, and when does not meet the critical value through the end of the planning of the movement of the manipulator, then control the manipulator gripper is closed and captured so as to realize the goal, and constantly to close all is a docking ring from the nearest point of the \dynamic closest point\, to achieve rapid capture, widely used in space cooperation / non cooperative satellite capture technology.

【技術實現步驟摘要】
一種基于對接環的捕獲目標衛星的方法與系統
本專利技術涉及空間合作/非合作衛星抓捕的
，具體為一種基于對接環的捕獲目標衛星的方法與系統。
技術介紹
自主在軌服務是利用安裝在服務衛星上的機械臂捕獲軌道上的衛星進行操作。比如，輔助未成功進入預定軌道的衛星入軌；對發生故障的衛星進行維修、更換故障元器件、輔助將未展開機構展開；對燃料耗盡但其他系統工作正常的衛星進行燃料加注，延長使用壽命；將廢棄衛星和空間碎片進行回收或者送入墳墓軌道。對于大多數自主在軌服務任務而言，首先要解決操作目標的抓捕問題。目前，在軌捕獲技術仍然是航天領域具有挑戰性的研究方向，內容涉及空間交會對接技術、目標測量技術、高性能計算機軟硬件技術、先進GNC技術等，具有跨學科、跨領域的特點。以往的目標捕獲研究，如日本的ETS-VII項目、美國的“軌道快車項目”等主要針對的是合作目標衛星的捕獲。而對于非合作目標，尤其是運動復雜的非合作目標的捕獲，研究較少。非合作目標抓捕面臨許多難題，如：(1)非合作目標運動形式較為復雜；(2)非合作目標抓捕的過程中，目標衛星與服務的空間機器人之間的相對位置測量較為困難；(3)非合作目標上未安裝用于目標捕獲的手柄裝置。因此，有必要進行改進。
技術實現思路
為了解決上述技術問題，本專利技術的目的是提供一種可快速抓捕目標衛星的方法與系統。本專利技術所采用的技術方案是：本專利技術提供一種基于對接環的捕獲目標衛星的方法，包括以下步驟：S1、系統控制手眼相機測量得到空間機器人機械臂末端點與對接環中心點的相對位置矢量Δr和相對姿態θ；S2、系統根據對接環面的法向量zA，求得所述空間機器人機械臂末端點與對接環中心點的相對位置矢量Δr在對接環面的投影bn，得出距離機械臂末端最近的抓捕點，并計算得到機械臂末端點到對接環“動態最近點”的相對位置偏差Δp和相對姿態偏差ΔO；S3、系統判斷所述相對位置偏差模||Δp||和相對姿態偏差模||ΔO||是否小于設定的臨界值εp和εo，若二者均小于臨界值，則機械臂末端的手爪閉合，實現目標的捕獲；反之，則進入S4；S4、系統根據所得的相對位置偏差Δp和相對姿態偏差ΔO，根據以下公式規劃機械臂末端的線速度與角速度，其中，Kp、Kv分別為規劃的比例、微分參數；分別表示目標衛星的線速度與角速度；S5、系統根據S4中得到的機械臂末端規劃的線速度和角速度，通過雅可比矩陣反解，求得機械臂各關節的角速度；S6、系統根據所得的關節角速度，驅動機械臂各關節運動，直至機械臂末端與“動態最近點”的相對位置偏差模和相對姿態偏差模小于設定的臨界值εp和εo，手抓閉合并完成目標衛星的捕獲。作為該技術方案的改進，所述機械臂末端點到對接環“動態最近點”的相對位置偏差Δp的計算公式為其中，R為對接環的半徑。作為該技術方案的改進，所述機械臂末端的線速度滿足其中，ts為設定的平滑啟動時間，ved、vem分別表示規劃的線速度以及設定的最大線速度值。進一步地，機械臂末端的角速度滿足其中，ωed、ωem分別表示規劃的角速度以及設定的最大角速度值。進一步地，所述臨界值εp小于等于50毫米，εo小于等于5°。進一步地，所述關節角的角速度求解公式為：其中，表示關節角速度，表示在末端坐標系中，關于機械臂參數的雅克比矩陣，分別表示在末端坐標系中，機械臂末端相對于基座的速度與角速度。另一方面，本專利技術還提供一種基于對接環的捕獲目標衛星的系統，包括：第一模塊，用于執行步驟S1、系統控制手眼相機測量得到空間機器人機械臂末端點與對接環中心點的相對位置矢量Δr和相對姿態θ；第二模塊，用于執行步驟S2、系統根據對接環面的法向量zA，求得所述空間機器人機械臂末端點與對接環中心點的相對位置矢量Δr在對接環面的投影bn，得出距離機械臂末端最近的抓捕點，并計算得到機械臂末端點到對接環“動態最近點”的相對位置偏差Δp和相對姿態偏差ΔO；第三模塊，用于執行步驟S3、系統判斷所述相對位置偏差模||Δp||和相對姿態偏差模||ΔO||是否小于設定的臨界值εp和εo，若二者均小于臨界值，則機械臂末端的手爪閉合，實現目標的捕獲；反之，則進入S4；第四模塊，用于執行步驟S4、系統根據所得的相對位置偏差Δp和相對姿態偏差ΔO，根據以下公式規劃機械臂末端的線速度與角速度，其中，Kp、Kv分別為規劃的比例、微分參數；分別表示目標衛星的線速度與角速度；第五模塊，用于執行步驟S5、系統根據S4中得到的機械臂末端規劃的線速度和角速度，通過雅可比矩陣反解，求得機械臂各關節的角速度；第六模塊，用于執行步驟S6、系統根據所得的關節角速度，驅動機械臂各關節運動，直至機械臂末端與“動態最近點”的相對位置偏差模和相對姿態偏差模小于設定的臨界值εp和εo，手抓閉合并完成目標衛星的捕獲。本專利技術的有益效果是：本專利技術提供的一種可快速抓捕目標衛星的方法與系統，通過利用空間機器人機械臂末端點與對接環中心點的相對位置偏差Δr和二者z軸之間的夾角θ，通過運算處理得到機械臂末端點到對接環“動態最近點”的相對位置偏差Δp和相對姿態偏差ΔO，并將二者的模||Δp||和||ΔO||與設定的臨界值εp和εo的對比判斷，以及當不滿足臨界值時通過規劃機械臂末端的運動，進而控制機械臂末端的手爪閉合，進而實現目標的捕獲，且達到時時接近的都是對接環上離得最近的一個點，即“動態最近點”，實現快速抓捕的目的。附圖說明下面結合附圖對本專利技術的具體實施方式作進一步說明：圖1是本專利技術一實施例的機械臂末端與目標星對接環相對位姿示意圖；圖2是本專利技術一實施例的服務衛星捕獲目標衛星結構模型示意圖；圖3是本專利技術一實施例的基于對接環“動態最近點”捕獲的自主軌跡規劃流程示意圖；圖4是本專利技術一實施例的服務衛星捕獲目標衛星簡化模型示意圖。具體實施方式需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。本專利技術提供一種基于對接環的捕獲目標衛星的方法，包括以下步驟：S1、系統控制手眼相機測量得到空間機器人機械臂末端點與對接環中心點的相對位置矢量Δr和相對姿態θ；S2、系統根據對接環面的法向量zA，求得所述空間機器人機械臂末端點與對接環中心點的相對位置矢量Δr在對接環面的投影bn，得出距離機械臂末端最近的抓捕點，并計算得到機械臂末端點到對接環“動態最近點”的相對位置偏差Δp和相對姿態偏差ΔO；S3、系統判斷所述相對位置偏差模||Δp||和相對姿態偏差模||ΔO||是否小于設定的臨界值εp和εo，若二者均小于臨界值，則機械臂末端的手爪閉合，實現目標的捕獲；反之，則進入S4；S4、系統根據所得的相對位置偏差Δp和相對姿態偏差ΔO，根據以下公式規劃機械臂末端的線速度與角速度，其中，Kp、Kv分別為規劃的比例、微分參數；分別表示目標衛星的線速度與角速度；S5、系統根據S4中得到的機械臂末端規劃的線速度和角速度，通過雅可比矩陣反解，求得機械臂各關節的角速度；S6、系統根據所得的關節角速度，驅動機械臂各關節運動，直至機械臂末端與“動態最近點”的相對位置偏差模和相對姿態偏差模小于設定的臨界值εp和εo，手抓閉合并完成目標衛星的捕獲。作為該技術方案的改進，所述機械臂末端點到對接環“動態最近點”的相對位置偏差Δp的計算公式為其中，R為對接環的半徑。作為該技術方案的改進，所述機械臂末本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于對接環的捕獲目標衛星的方法，其特征在于，包括以下步驟：S1、系統控制手眼相機測量得到空間機器人機械臂末端點與對接環中心點的相對位置矢量△r和相對姿態θ；S2、系統根據對接環面的法向量z

【技術特征摘要】
1.一種基于對接環的捕獲目標衛星的方法，其特征在于，包括以下步驟：S1、系統控制手眼相機測量得到空間機器人機械臂末端點與對接環中心點的相對位置矢量△r和相對姿態θ；S2、系統根據對接環面的法向量zA，求得所述空間機器人機械臂末端點與對接環中心點的相對位置矢量△r在對接環面的投影bn，得出距離機械臂末端最近的抓捕點，并計算得到機械臂末端點到對接環“動態最近點”的相對位置偏差△p和相對姿態偏差△O；S3、系統判斷所述相對位置偏差模||Δp||和相對姿態偏差模||ΔO||是否小于設定的臨界值εp和εo，若二者均小于臨界值，則機械臂末端的手爪閉合，實現目標的捕獲；反之，則進入S4；S4、系統根據所得的相對位置偏差△p和相對姿態偏差△O，根據以下公式規劃機械臂末端的線速度與角速度，其中，Kp、Kv分別為規劃的比例、微分參數；分別表示目標衛星的線速度與角速度；S5、系統根據S4中得到的機械臂末端規劃的線速度和角速度，通過雅可比矩陣反解，求得機械臂各關節的角速度；S6、系統根據所得的關節角速度，驅動機械臂各關節運動，直至機械臂末端與“動態最近點”的相對位置偏差模和相對姿態偏差模小于設定的臨界值εp和εo，手抓閉合并完成目標衛星的捕獲。2.根據權利要求1所述的基于對接環的捕獲目標衛星的方法，其特征在于：所述機械臂末端點到對接環“動態最近點”的相對位置偏差△p的計算公式為其中，R為對接環的半徑。3.根據權利要求2所述的基于對接環的捕獲目標衛星的方法，其特征在于：所述機械臂末端的線速度滿足其中，ts為設定的平滑啟動時間，ved、vem分別表示規劃的線速度以及設定的最大線速度值。4.根據權利要求3所述的基于對接環的捕獲目標衛星的方法，其特征在于：機械臂末端的角速度滿足

【專利技術屬性】
技術研發人員：徐文福，胡忠華，閆磊，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學深圳研究生院，
類型：發明
國別省市：廣東,44