一种基于对接环的捕获目标卫星的方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于对接环的捕获目标卫星的方法，包括：系统控制手眼相机测量得到空间机器人机械臂末端点与对接环中心点的位姿偏差参数；系统求得所述空间机器人机械臂末端点与对接环中心点的相对位置矢量在对接环面的投影，得出距离机械臂末端最近的抓捕点，并得到相对位姿偏差。本发明专利技术还公开了一种捕获目标卫星的系统，系统判断所述相对位姿偏差与设定的临界值大小，以及当不满足临界值时通过规划机械臂末端的运动，进而控制机械臂末端的手爪闭合，进而实现目标的捕获，且达到时时接近的都是对接环上离得最近的一个点，即“动态最近点”，实现快速抓捕的目的，广泛应用于空间合作/非合作卫星抓捕的技术领域。

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.

【技术实现步骤摘要】
一种基于对接环的捕获目标卫星的方法与系统
本专利技术涉及空间合作/非合作卫星抓捕的
，具体为一种基于对接环的捕获目标卫星的方法与系统。
技术介绍
自主在轨服务是利用安装在服务卫星上的机械臂捕获轨道上的卫星进行操作。比如，辅助未成功进入预定轨道的卫星入轨；对发生故障的卫星进行维修、更换故障元器件、辅助将未展开机构展开；对燃料耗尽但其他系统工作正常的卫星进行燃料加注，延长使用寿命；将废弃卫星和空间碎片进行回收或者送入坟墓轨道。对于大多数自主在轨服务任务而言，首先要解决操作目标的抓捕问题。目前，在轨捕获技术仍然是航天领域具有挑战性的研究方向，内容涉及空间交会对接技术、目标测量技术、高性能计算机软硬件技术、先进GNC技术等，具有跨学科、跨领域的特点。以往的目标捕获研究，如日本的ETS-VII项目、美国的“轨道快车项目”等主要针对的是合作目标卫星的捕获。而对于非合作目标，尤其是运动复杂的非合作目标的捕获，研究较少。非合作目标抓捕面临许多难题，如：(1)非合作目标运动形式较为复杂；(2)非合作目标抓捕的过程中，目标卫星与服务的空间机器人之间的相对位置测量较为困难；(3)非合作目标上未安装用于目标捕获的手柄装置。因此，有必要进行改进。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种可快速抓捕目标卫星的方法与系统。本专利技术所采用的技术方案是：本专利技术提供一种基于对接环的捕获目标卫星的方法，包括以下步骤：S1、系统控制手眼相机测量得到空间机器人机械臂末端点与对接环中心点的相对位置矢量Δr和相对姿态θ；S2、系统根据对接环面的法向量zA，求得所述空间机器人机械臂末端点与对接环中心点的相对位置矢量Δr在对接环面的投影bn，得出距离机械臂末端最近的抓捕点，并计算得到机械臂末端点到对接环“动态最近点”的相对位置偏差Δp和相对姿态偏差ΔO；S3、系统判断所述相对位置偏差模||Δp||和相对姿态偏差模||ΔO||是否小于设定的临界值εp和εo，若二者均小于临界值，则机械臂末端的手爪闭合，实现目标的捕获；反之，则进入S4；S4、系统根据所得的相对位置偏差Δp和相对姿态偏差ΔO，根据以下公式规划机械臂末端的线速度与角速度，其中，Kp、Kv分别为规划的比例、微分参数；分别表示目标卫星的线速度与角速度；S5、系统根据S4中得到的机械臂末端规划的线速度和角速度，通过雅可比矩阵反解，求得机械臂各关节的角速度；S6、系统根据所得的关节角速度，驱动机械臂各关节运动，直至机械臂末端与“动态最近点”的相对位置偏差模和相对姿态偏差模小于设定的临界值εp和εo，手抓闭合并完成目标卫星的捕获。作为该技术方案的改进，所述机械臂末端点到对接环“动态最近点”的相对位置偏差Δp的计算公式为其中，R为对接环的半径。作为该技术方案的改进，所述机械臂末端的线速度满足其中，ts为设定的平滑启动时间，ved、vem分别表示规划的线速度以及设定的最大线速度值。进一步地，机械臂末端的角速度满足其中，ωed、ωem分别表示规划的角速度以及设定的最大角速度值。进一步地，所述临界值εp小于等于50毫米，εo小于等于5°。进一步地，所述关节角的角速度求解公式为：其中，表示关节角速度，表示在末端坐标系中，关于机械臂参数的雅克比矩阵，分别表示在末端坐标系中，机械臂末端相对于基座的速度与角速度。另一方面，本专利技术还提供一种基于对接环的捕获目标卫星的系统，包括：第一模块，用于执行步骤S1、系统控制手眼相机测量得到空间机器人机械臂末端点与对接环中心点的相对位置矢量Δr和相对姿态θ；第二模块，用于执行步骤S2、系统根据对接环面的法向量zA，求得所述空间机器人机械臂末端点与对接环中心点的相对位置矢量Δr在对接环面的投影bn，得出距离机械臂末端最近的抓捕点，并计算得到机械臂末端点到对接环“动态最近点”的相对位置偏差Δp和相对姿态偏差ΔO；第三模块，用于执行步骤S3、系统判断所述相对位置偏差模||Δp||和相对姿态偏差模||ΔO||是否小于设定的临界值εp和εo，若二者均小于临界值，则机械臂末端的手爪闭合，实现目标的捕获；反之，则进入S4；第四模块，用于执行步骤S4、系统根据所得的相对位置偏差Δp和相对姿态偏差ΔO，根据以下公式规划机械臂末端的线速度与角速度，其中，Kp、Kv分别为规划的比例、微分参数；分别表示目标卫星的线速度与角速度；第五模块，用于执行步骤S5、系统根据S4中得到的机械臂末端规划的线速度和角速度，通过雅可比矩阵反解，求得机械臂各关节的角速度；第六模块，用于执行步骤S6、系统根据所得的关节角速度，驱动机械臂各关节运动，直至机械臂末端与“动态最近点”的相对位置偏差模和相对姿态偏差模小于设定的临界值εp和εo，手抓闭合并完成目标卫星的捕获。本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的一种可快速抓捕目标卫星的方法与系统，通过利用空间机器人机械臂末端点与对接环中心点的相对位置偏差Δr和二者z轴之间的夹角θ，通过运算处理得到机械臂末端点到对接环“动态最近点”的相对位置偏差Δp和相对姿态偏差ΔO，并将二者的模||Δp||和||ΔO||与设定的临界值εp和εo的对比判断，以及当不满足临界值时通过规划机械臂末端的运动，进而控制机械臂末端的手爪闭合，进而实现目标的捕获，且达到时时接近的都是对接环上离得最近的一个点，即“动态最近点”，实现快速抓捕的目的。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步说明：图1是本专利技术一实施例的机械臂末端与目标星对接环相对位姿示意图；图2是本专利技术一实施例的服务卫星捕获目标卫星结构模型示意图；图3是本专利技术一实施例的基于对接环“动态最近点”捕获的自主轨迹规划流程示意图；图4是本专利技术一实施例的服务卫星捕获目标卫星简化模型示意图。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本专利技术提供一种基于对接环的捕获目标卫星的方法，包括以下步骤：S1、系统控制手眼相机测量得到空间机器人机械臂末端点与对接环中心点的相对位置矢量Δr和相对姿态θ；S2、系统根据对接环面的法向量zA，求得所述空间机器人机械臂末端点与对接环中心点的相对位置矢量Δr在对接环面的投影bn，得出距离机械臂末端最近的抓捕点，并计算得到机械臂末端点到对接环“动态最近点”的相对位置偏差Δp和相对姿态偏差ΔO；S3、系统判断所述相对位置偏差模||Δp||和相对姿态偏差模||ΔO||是否小于设定的临界值εp和εo，若二者均小于临界值，则机械臂末端的手爪闭合，实现目标的捕获；反之，则进入S4；S4、系统根据所得的相对位置偏差Δp和相对姿态偏差ΔO，根据以下公式规划机械臂末端的线速度与角速度，其中，Kp、Kv分别为规划的比例、微分参数；分别表示目标卫星的线速度与角速度；S5、系统根据S4中得到的机械臂末端规划的线速度和角速度，通过雅可比矩阵反解，求得机械臂各关节的角速度；S6、系统根据所得的关节角速度，驱动机械臂各关节运动，直至机械臂末端与“动态最近点”的相对位置偏差模和相对姿态偏差模小于设定的临界值εp和εo，手抓闭合并完成目标卫星的捕获。作为该技术方案的改进，所述机械臂末端点到对接环“动态最近点”的相对位置偏差Δp的计算公式为其中，R为对接环的半径。作为该技术方案的改进，所述机械臂末本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于对接环的捕获目标卫星的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、系统控制手眼相机测量得到空间机器人机械臂末端点与对接环中心点的相对位置矢量△r和相对姿态θ；S2、系统根据对接环面的法向量z

【技术特征摘要】
1.一种基于对接环的捕获目标卫星的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、系统控制手眼相机测量得到空间机器人机械臂末端点与对接环中心点的相对位置矢量△r和相对姿态θ；S2、系统根据对接环面的法向量zA，求得所述空间机器人机械臂末端点与对接环中心点的相对位置矢量△r在对接环面的投影bn，得出距离机械臂末端最近的抓捕点，并计算得到机械臂末端点到对接环“动态最近点”的相对位置偏差△p和相对姿态偏差△O；S3、系统判断所述相对位置偏差模||Δp||和相对姿态偏差模||ΔO||是否小于设定的临界值εp和εo，若二者均小于临界值，则机械臂末端的手爪闭合，实现目标的捕获；反之，则进入S4；S4、系统根据所得的相对位置偏差△p和相对姿态偏差△O，根据以下公式规划机械臂末端的线速度与角速度，其中，Kp、Kv分别为规划的比例、微分参数；分别表示目标卫星的线速度与角速度；S5、系统根据S4中得到的机械臂末端规划的线速度和角速度，通过雅可比矩阵反解，求得机械臂各关节的角速度；S6、系统根据所得的关节角速度，驱动机械臂各关节运动，直至机械臂末端与“动态最近点”的相对位置偏差模和相对姿态偏差模小于设定的临界值εp和εo，手抓闭合并完成目标卫星的捕获。2.根据权利要求1所述的基于对接环的捕获目标卫星的方法，其特征在于：所述机械臂末端点到对接环“动态最近点”的相对位置偏差△p的计算公式为其中，R为对接环的半径。3.根据权利要求2所述的基于对接环的捕获目标卫星的方法，其特征在于：所述机械臂末端的线速度满足其中，ts为设定的平滑启动时间，ved、vem分别表示规划的线速度以及设定的最大线速度值。4.根据权利要求3所述的基于对接环的捕获目标卫星的方法，其特征在于：机械臂末端的角速度满足

【专利技术属性】
技术研发人员：徐文福，胡忠华，闫磊，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44