CN106864776A - 一种基于对接环的捕获目标卫星的方法与系统 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种基于对接环的捕获目标卫星的方法与系统

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。

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，t_s为设定的平滑启动时间，v_ed、v_em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，ω_ed、ω_em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ε_p小于等于50毫米，ε_o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，本发明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；

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；

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，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；

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ε_p和ε_o，手抓闭合并完成目标卫星的捕获。

本发明的有益效果是：

本发明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ε_p和ε_o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

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是本发明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是本发明一实施例的服务卫星捕获目标卫星结构模型示意图；

图3是本发明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是本发明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。

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，t_s为设定的平滑启动时间，v_ed、v_em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，ω_ed、ω_em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ε_p小于等于50毫米，ε_o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，本发明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；

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；

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，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；

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ε_p和ε_o，手抓闭合并完成目标卫星的捕获。

参照图1，是本发明一实施例的机械臂末端与目标星对接环相对位姿示意图。

用于空间合作/非合作卫星对接环“动态最近点”捕获的方法，其主要步骤包括：

S1：根据安装在机械臂上的手眼相机测量，得到末端点与对接环中心点的相对位置矢量Δr和二者z轴之间的夹角(相对姿态)θ。

S2：根据对接环面的法相量z_A，求出相对位置矢量Δr在对接环面的投影b_n。由于对接环的半径R的大小已知，可以得出距离机械臂末端最近的抓捕点T，从而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，并通过计算求得机械臂末端点到对接环“动态最近点”的相对姿态偏差ΔO。

S3：判断相对位置偏差模||Δp||和姿态偏差模||ΔO||是否小于初始时设定的临界值ε_p和ε_o，若二者小于临界值，则机械臂末端的手爪闭合，实现目标的捕获；反之，进行下一步。

S4：由得到的相对位置偏差Δp和相对姿态偏差ΔO，根据公式(1)规划机械臂末端的线速度与角速度，

S5：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，求得机械臂各个关节角的角速度。

S6：由S5中得到的关节角速度，驱动机械臂各个关节运动，直至机械臂末端与“动态最近点”的相对位姿小于初始时设定的临界值ε_p和ε_o，手抓闭合，完成目标卫星的捕获。

参照图2，是本发明一实施例的服务卫星捕获目标卫星结构模型示意图。该服务卫星由基座和搭载基座上的空间机械臂组成，机械臂是由连杆和基座组成，在机械臂末端安装有测量目标卫星位姿信息的手眼相机。机械臂第一关节J₁连接空间机器人基座和连杆B₁，第二关节J₂连接连杆B₁和连杆B₂，以此类推。

参照图3，是本发明的用于空间合作/非合作卫星对接环“动态最近点”捕获的方法的一个实施例的流程示意图。其包括步骤：

S1：根据安装在机械臂上的手眼相机测量，得到末端点与对接环中心点的相对位置矢量Δr和二者z轴之间的夹角θ。

S2：根据对接环面的法相量z_A，求出相对位置矢量Δr在对接环面的投影b_n。由于对接环的半径R的大小已知，可以得出距离机械臂末端最近的抓捕点T，从而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，通过计算求得机械臂末端点到对接环“动态最近点”的相对姿态偏差ΔO。

S3：判断相对位置偏差模||Δp||和姿态偏差模||ΔO||是否小于初始时设定的临界值ε_p和ε_o。若二者小于临界值，则机械臂末端的手爪闭合，实现目标的捕获。反之，进行下一步。所述临界值ε_p小于等于50毫米，ε_o小于等于5°。

S4：由得到的相对位置偏差Δp和相对姿态偏差ΔO，根据公式(1)规划机械臂末端的线速度与角速度。

S5：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，求得机械臂末端各个关节角的角速度。

S6：由S5中得到的关节角速度，驱动机械臂各个关节运动，直至机械臂末端与“动态最近点”的相对位姿模小于初始时设定的临界值ε_p和ε_o，手抓闭合，完成目标卫星的捕获。

参照图4，作为本发明的一个实施例的物理模型示意图，其中：

B₀：刚体0，即空间机器人基座；

B_i(i＝1,……,n)：刚体i，机械臂的第i个连杆；

J_i：连接B_i－1和B_i的关节；

C_i：B_i的质心；

O_I：惯性系原点；

O_g：整个系统的质心；

∑_I、∑_E：分别表示惯性系、机械臂末端坐标系；

∑_i：B_i的固连坐标系，Z_i正向为J_i的旋转方向；

ⁱA_j∈R^3×3：∑_j相对于∑_i的姿态变换矩阵，当i缺省时，表示∑_j相对于惯性系的姿态变换矩阵，ⁱA_j＝[ⁱn_j,ⁱo_j,ⁱa_j]；

E,O：分别为单位矩阵和零矩阵；

m_i,M：m_i是B_i的质量，且

ⁱI_j∈R^3×3：在坐标系∑_i表示下，刚体B_j相对于其质心的惯量矩阵，当i缺省时，表示在惯性系中的表示；

k_i∈R³：表示J_i旋转方向的单位矢量；

r_i∈R³：C_i的位置矢量；

r_g∈R³：系统质心的位置矢量；

p_i∈R³：J_i的位置矢量；

p_e∈R³：机械臂末端的位置矢量；

a_i,b_i∈R³：在∑_i下，分别为从J_i指向C_i，C_i指向J_i+1的位置矢量；

l_i∈R³：从∑_i原点指向∑_i+1原点的矢量，l_i＝a_i+b_i；

分别表示∑i相对于∑j的线速度和角速度，在∑k中的表示，如果∑j或者∑k为惯性系，则可以省去相应的符号j或者k；

v₀,ω₀∈R³：基座的线速度和角速度；

v_i，ω_i∈R³：B_i的线速度和角速度；

θ_i：杆件i旋转的角度；

Θ∈Rⁿ：关节角速度，即Θ＝[θ₁,…,θ_n]；

Ψ_b∈R³：基座的姿态角，用z-y-x欧拉角表示，即Ψ_b＝[α_b,β_b,γ_b]^T

Ψ₀：基座姿态欧拉角，按照x-y-z欧拉角的形式表示；

Ψ_e：空间机器人机械臂末端的姿态欧拉角，按照x-y-z欧拉角的形式表示。

对于矢量的表示方法，作如下规定：ⁱv表示在固连于第i个刚体的坐标系∑_i中的速度矢量，而当v没有左上标i的标识时表示在惯性坐标系中的速度矢量。为简化两个矢量叉乘计算，定义如下叉乘算子：若p＝[x,y,z]^T，则

因此，可以把两个向量的叉乘计算转化为一个矩阵乘上一个向量的运算，即

可以得出，空间机器人机械臂中的各个刚体质心的位置矢量如公式(3)所示。同理，空间机器人机械臂末端的位置矢量如公式(4)所示。

对公式(3)和公式(4)两边进行求导，由此可以得出空间机器人机械臂中的各个刚体质心的线速度以及空间机器人机械臂末端的线速度为，

根据空间机器人机械臂中各个刚体的运动规律，空间机器人机械臂中各个刚体质心的角速度和机械臂末端的角速度可以表示为，

将式(6)和式(8)写成矩阵的形式：

在公式(9)中，J_b代表和空间机器人基座的运动状态相关的雅克比矩阵。

在公式(10)中，块矩阵J_bv和块矩阵J_bw是J_b的分块矩阵，二者分别与空间机器人基座的线速度和角速度相关。

J_m代表与空间机器人机械臂运动状态相关的雅可比矩阵，其结果和与之对应的基座固定的机器人的雅可比矩阵一致，即：

类似地，J_mv、J_mw是J_m的分块矩阵。

当空间机器人系统处于自由漂浮状态且该系统不受任何外力/力矩作用时，系统的动量守恒。假设空间机器人系统在初始时线动量和角动量为零，那么整个空间机器人系统角动量不但符合公式(12)完整约束方程，而且还符合公式(13)的非完整约束方程：

将式(5)和式(7)带入到(13)可得

其中，

J_Ri＝[k₁,k₂,...,k_i,0,...,0]∈R^3xn (17)

r_0i＝r_i-r₀ (18)

参照图3所示的规划流程，空间机械臂末端期望的线速度和期望的角速度按照公式(1)进行规划。

在公式(1)中，Kp、Kv分别为规划的比例、微分参数(对应于分解运动控制的PD参数)；分别表示通过手眼相机测量出的目标的运动速度；Δp表示械臂末端相对于目标星对接环“动态最近点”的位置误差；ΔO表示机械臂末端相对于目标抓捕点的姿态指向误差。以下，详细说明Δp和ΔO的求算方法。

根据安装在机械臂末端的相机可以得出机械臂末端相对于对接环中心点的相对位置Δr和在空间机器人机械臂末端坐标系下表示的目标卫星对接环平面的法向量z_A。机械臂末端坐标轴z_E与对接环法向量z_A轴之间的夹角为，

θ＝arc cos(z_E·z_A) (19)

相对位置Δr在对接环平面法相向量z_A的投影a_n如下式所示。

a_n＝||Δr||z_A cosθ (20)

相对位置Δr在对接环平面的投影b_n如下式所示。

b_n＝Δr-a_n (21)

根据公式(21)可以得出，空间机器人机械臂末端点和对接环上捕获点的相对位置矢量。

该方法中，仅期望机械臂末端坐标轴z轴与捕获点坐标轴z轴重合，空间机器人末端点和对接环上捕获点的相对姿态矢量如公式(23)所示。

ΔO_e＝e_n·θ (23)

在公式(23)中，e_n为旋转轴，且e_n＝z_E×z_A,e_n＝[e_x e_y e_z]^T。

根据公式(22)和公式(23)，可以得出了空间机器人末端点和目标星对接环“动态最近点”的相对位置偏差与相对姿态偏差。

在实际应用中，机械臂末端的运动速度不能超过设计的最大值，且需要保证机械臂在启动过程的平稳性。因而对空间机器人机械臂末端运动速度做下述处理。

对于机械臂末端的线速度，

对于机械臂末端的角速度，

其中，t_s为设定的平滑启动时间，如t_s＝2s。这样，可以确保机械臂在0-t_s内平滑启动到合成速度最大值为v_em(方向矢量仍然是v_em)；而当启动后的抓捕过程中，机械臂末端速度≥v_em时，将其限制在v_em(方向矢量仍然是v_em)，这样的处理在工程中非常重要。

将公式(12)代入公式(9)中，可以将空间机械臂的末端线速度和角速度如下表示：

当机械臂末端线速度和角速度在机械臂末端坐标系中表示时，可以得出，

在公式(29)中，

在公式(33)中，表示与空间机器人机械臂相关的雅可比矩阵，在末端坐标系表示。当采用x-y-z欧拉角表示空间机器人基座的姿态时，空间机器人基座的欧拉角的速率与基座姿态角速度的关系表达式如下。

对上式进行数值积分，可以得出基座姿态的欧拉角表示。另外，空间机器人系统还满足角动量守恒方程，即

其中，

J_Ti＝[k₁×(r_i-p₁),k₂×(r_i-p₂),...,k_i×(r_i-p_i),0,...,0]∈R^3xn (41)

r_0g＝r_g-r₀ (42)

由于Hs是非奇异的，因此：

对于公式(43)中的各个矢量，当同时在空间机器人机械臂的末端坐标系表示时，最终空间机器人基座的角速度如下。

通过搭载在基座上的姿态传感器，我们可以测量出空间机器人基座的姿态及姿态角速度，由此可得出如下关系。

公式(45)的左侧部分表示在末端坐标系下，空间机器人末端相对于空间机器人基座的相对速度，由此可以将公式(45)写为：

在公式(46)中，是在末端坐标系下，机械臂末端相对于空间机器人基座的线速度。在末端坐标系下，机械臂末端相对于空间机器人基座的角速度。而且二者同时在空间机器人末端坐标系中表示。

则针对动力学奇异回避问题转换为针对方程(47)的运动学奇异回避问题，而雅可比矩阵只包含空间机器人运动学参数，具有简单的表达式。当关节角速度确定后，可采用数值积分的方法得到关节角，其中一种最简单的方法为一步积分法。

通过公式(48)得到的关节角速度，驱动机械臂各个关节运动，直至机械臂末端与“动态最近点”的相对位姿小于初始时设定的临界值ε_p和ε_o，手爪闭合，完成目标卫星的捕获。

本发明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“动态最近点”的相对位置偏差Δp和相对姿态偏差ΔO与设定的临界值ε_p和ε_o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。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

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△r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△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△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，

$\left[\begin{array}{c}{v}_{ed}\\ {\mathrm{\ω}}_{ed}\end{array}\right]=K_p\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}P\\ \mathrm{\Δ}O\end{array}\right]+K_v\left[\begin{array}{c}{\hat{v}}_t\\ {\widehat{\mathrm{\ω}}}_t\end{array}\right]$

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。

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

$\left|\right|v_{ed}\left|\right|=\sqrt{v_{ex}^2+v_{ey}^2+v_{ez}^2};$

${\tilde{v}}_{ed}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{v_{ed}{v}_{em}}{\left|\right|v_{ed}}\left(\frac{t}{t_s}\right)t^2,& \begin{array}{cc}if& 0\≤t\≤t_s\end{array}\\ \frac{v_{ed}{v}_{em}}{\left|\right|v_{ed}\left|\right|},& \begin{array}{cc}elseif& v_{ed}\≥v_{em}\end{array}\\ v_{ed},& else\end{array}\right.$

其中，t_s为设定的平滑启动时间，v_ed、v_em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

$\left|\right|{\mathrm{\ω}}_{ed}\left|\right|=\sqrt{{\mathrm{\ω}}_{ex}^2+{\mathrm{\ω}}_{ey}^2+{\mathrm{\ω}}_{ez}^2}$

${\widetilde{\mathrm{\ω}}}_{ed}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{\ω}}_{ed}{\mathrm{\ω}}_{em}}{\left|\right|{\mathrm{\ω}}_{ed}\left|\right|}\left(\frac{t}{t_s}\right)t^2,& \begin{array}{cc}if& 0\≤t\≤t_s\end{array}\\ \frac{{\mathrm{\ω}}_{ed}{\mathrm{\ω}}_{em}}{\left|\right|{\mathrm{\ω}}_{ed}\left|\right|},& \begin{array}{cc}elseif& {\mathrm{\ω}}_{ed}\≥{\mathrm{\ω}}_{em}\end{array}\\ {\mathrm{\ω}}_{ed},& else\end{array}\right.$

其中，ω_ed、ω_em分别表示规划的角速度以及设定的最大角速度值。

5.根据权利要求4所述的基于对接环的捕获目标卫星的方法，其特征在于：所述临界值ε_p小于等于50毫米，ε_o小于等于5°。

6.根据权利要求5所述的基于对接环的捕获目标卫星的方法，其特征在于，所述关节角的角速度求解公式为：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\Θ}}={\left({\hat{J}_e}_m\right)}^{-1}\left[\begin{array}{c}v_e^0{}_e\\ \mathrm{\ω}_e^0{}_e\end{array}\right],$

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。

7.一种基于对接环的捕获目标卫星的系统，其特征在于，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△r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△r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△p和相对姿态偏差△O；

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；

第四模块，用于执行步骤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，

$\left[\begin{array}{c}{v}_{ed}\\ {\mathrm{\ω}}_{ed}\end{array}\right]=K_p\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}p\\ \mathrm{\Δ}O\end{array}\right]+K_v\left[\begin{array}{c}{\hat{v}}_t\\ {\widehat{\mathrm{\ω}}}_t\end{array}\right]$

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；

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ε_p和ε_o，手抓闭合并完成目标卫星的捕获。