空间机械臂自主捕获目标的增量式运动学控制方法研究

For the sake of the sustainability of space exploration, active debris removal and on-orbit servicing attract great attention of the international community, and among which, the capturing operation of space targets is considered a key step. However, the capture operation in current space missions mainly adopts robotic manipulator with human-in-the-loop control. Studies on the control scheme of space robotic manipulator for autonomous capture of target are of great scientific significance. First, a vision-based hybrid algorithm of photogrammetry and adaptive extended Kalman filter will be employed to perform the target recognition and precise motion estimation. The results will provide important feedback information for the robotic control. Second, kinematic coupling mechanism of free floating base space robotic manipulator will be analyzed, and the generalized Jacobian matrix approach and the incremental kinematic control methods will be adopted for a fast approaching and an accurate capturing of the space target. Third, by means of performing parameters identification, kinematic analysis and applying the incremental kinematic control, fast attitude stabilization of the robot-target combination will be achieved. The proposed method will be evaluated and validated by both computer simulation and ground test. This research will provide novel idea for the control of free floating base space robotic manipulator, and will greatly support the engineering practice of autonomous capture of target by space robotic manipulators from both theoretical and experimental points of view.

为了实现空间探索活动的可持续发展，空间垃圾主动清理及在轨服务技术受到国际社会的广泛关注。其中，空间目标的捕获是非常关键的一环。然而，目前空间任务中捕获操作主要采用机械臂以人在回路的方式实现，研究空间机械臂自主捕获目标的控制方法具有重要的科学意义。①.采用基于视觉的摄影测量与自适应扩展卡尔曼滤波结合的方法实现目标的识别与精确运动状态估计，为机械臂控制提供重要的反馈信息；②.针对漂浮基座空间机械臂的控制问题，通过分析漂浮基座空间机械臂系统的运动学耦合机理，采用广义雅克比矩阵及增量式运动学控制方法，实现机械臂末端对空间目标的快速抵近与精确捕获；③.通过参数辨识及复合体运动学分析，应用增量式运动学控制的方式实现成功捕获后复合体的快速姿态稳定。本课题提出的方法采用仿真与地面试验结合的方式进行验证，研究成果将为空间机械臂控制技术提供新的思路，为空间机械臂自主捕获目标的工程应用提供理论基础与实验依据。

为了实现空间探索活动的可持续发展，空间垃圾主动清理及在轨服务技术受到国际社会的广泛关注。其中，空间目标的捕获是非常关键的一环。然而，目前空间任务中捕获操作主要采用机械臂以人在回路的方式实现，研究空间机械臂自主捕获目标的控制方法具有重要的科学意义。.本项目研究目标在于解决当前空间机械臂基于动力学控制实施捕获操作的系统复杂度高、可靠性低，以及避免人在回路、逆运动学多解等问题。主要研究内容包括目标的识别估计、机械臂运动规划、漂浮基座机械臂控制三个方面。.首先，本项目采用了基于视觉的摄影测量与自适应扩展卡尔曼滤波结合的方法实现目标的识别与精确运动状态估计，为机械臂控制提供重要的反馈信息。其次，针对漂浮基座空间机械臂的控制问题，通过分析漂浮基座空间机械臂系统的运动学耦合机理，采用改进的FABRIK规划方法，实现机械臂末端对空间目标的快速抵近与精确捕获。最后，通过参数辨识及复合体运动学分析，应用增量式运动学控制的方式实现成功捕获后复合体的快速姿态稳定。.通过建立空间机械臂及漂浮基座的运动学模型，引入关节电机的物理约束条件，采用增量式关节角位置作为控制输入，根据视觉反馈及关节角位置反馈实现机械臂自主捕获空间目标的运动学控制。由于空间环境微重力的特殊性以及目前机械臂负载能力的不断提高，采用基于运动学的增量式控制方法不仅具有简单直观的特点，而且可以避免动力学控制中机械臂逆运动学的多解问题。研究成果可为空间机械臂控制技术提供新的思路，也将为使用机械臂实施空间垃圾清理及顺利开展在轨服务任务奠定技术基础。