[发明专利]一种空间绳系机器人视觉精确逼近方法

说明书

本发明涉及一种空间绳系机器人视觉精确逼近方法，利用相机对目标得到的角度信息，建立基于卡尔曼滤波器的状态估计，并利用模型预测控制算法控制操作机器人的方向和速度，将滤波器的状态估计和路径跟踪联合最优，从而使得空间操作机器人一方面对目标进行逼近，另一方面单目测量得到精度保证的相对位置估计。本发明的有益效果是，使用基于模型预测控制的空间绳系机器人单目精确逼近方法，在仅使用单目相机的情况下，就能实现了空间绳系机器人对目标的实时精确定位，并准确的逼近目标。

技术领域

本发明属于航天技术领域，涉及一种空间绳系机器人视觉精确逼近方法，是一种基于模型预测控制的空间绳系机器人视觉精确逼近目标的方法。

背景技术

在辅助变轨、轨道垃圾清理、失控卫星救助等方面，空间机器人拥有自己独特的优势。本发明所研究的对象主要针对带绳系的空间机器人，也可以进行稍微改进应用到其它类型空间机器人当中。空间绳系机器人由“平台卫星+空间系绳+操作机器人”三部分构成，如图1。空间绳系机器人的操作机器人是逼近并抓捕目标的具体单元。对于操作机器人来说，实时测量其与目标之间的相对位置是操作机器人精确逼近目标导航任务完成的关键。相对平台本身，操作机器人一般较小，无法搭载重量较大的高性能外部感知传感器，如激光测距仪等。因此，视觉传感器是其最常见外部感知传感器，负责操作机器人逼近目标时的相对位置导航测量。但是众所周知，单目视觉传感器可以精确测量目标和操作机器人之间的相对角度，但对于相对距离测量有很大局限性。因此在现有的空间绳系机器人逼近方法中，单目相机一般只起到目标角度对准的作用，不进行距离测量。在必须需要距离信息时，单目相机需要结合目标先验尺寸和几何模型才能获得操作机器人与目标之间的相对距离测量信息。而对于非合作目标，这就要求平台提前进行目标绕飞，进行目标精确建模等前提条件，这就显然给绳系机器人平台又提出了额外的要求。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种空间绳系机器人视觉精确逼近方法，通过实时优化逼近速度和方向，使操作机器人仅利用单目相机就可以对目标进行精确的距离测量并且逼近目标，解决现有方法的局限性。

技术方案

一种空间绳系机器人视觉精确逼近方法，其特征在于：待抓捕目标的本体坐标系为O_txyz，O_w和O分别为机器人卫星平台和操作机器人的中心，操作机器人质量为m，卫星平台和操作机器人中心在待抓捕目标本体坐标系中的相对位置分别为O_w＝(x_w y_w z_w)^T和O＝(xy z)^T，待抓捕目标相对于操作机器人的方位角定义为α、俯仰角定义为β，F_t为卫星平台对操作机器人的系绳张力，推进器总推力为F_s，其中F_sx，F_sy，F_sz是F_s沿着x,y,z三坐标轴的分量，相机成像平面的横、纵坐标分别为u、v，相机的焦距为f；逼近步骤如下：

步骤1：对操作机器人进行动力学建模，得到空间绳系机器人的系统动力学方程和相机观测方程：

系统动力学方程

其中：n是轨道角速度。

相机观测方程为：

步骤2：采用扩展型卡尔曼滤波器EKF对系统动力学方程和相机观测方程进行滤波，得到操作机器人与目标之间相对位置的估计值和评价估计精度的协方差矩阵；

步骤3：利用伪谱法，基于系统动力学方程，得到基于连续控制力的空间绳系机器人逼近目标的离线轨迹规划；