[发明专利]一种基于对接环的捕获目标卫星的方法与系统

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及空间合作/非合作卫星抓捕的技术领域，具体为一种基于对接环的捕获目标卫星的方法与系统。

背景技术

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。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种可快速抓捕目标卫星的方法与系统。

本发明所采用的技术方案是：

本发明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z_A，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b_n，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ε_p和ε_o，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，K_p、K_v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ε_p和ε_o，手抓闭合并完成目标卫星的捕获。