CN112847359B - 针对大尺度故障航天器的多独立超冗余机械臂协同抓捕方法 - Google Patents

针对大尺度故障航天器的多独立超冗余机械臂协同抓捕方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对大尺度故障航天器的多独立超冗余机械臂协同抓捕方法，包括：S100：对大尺度故障航天器进行结构分析；S200：根据超冗余机械臂的数量，筛选出相应数量的安全可抓捕特征，作为每个超冗余机械臂要实施抓捕的对象；S300：分配筛选出的安全可抓捕特征；S400：携带超冗余机械臂的航天器接近所对应的安全可抓捕特征，与对应的安全可抓捕特征的轨道运动同步；S500：分别规划每个超冗余机械臂的抓捕路径，实现对所对应的安全可抓捕特征的缠绕式抓捕；S600：将规划得到的每个超冗余机械臂的抓捕路径合在一起协同抓捕。该方法在具体的抓捕过程中，通过多个航天器的协同，可以实现对大尺度故障航天器的可靠抓捕。

Description

针对大尺度故障航天器的多独立超冗余机械臂协同抓捕方法
技术领域
本发明涉及空间目标抓捕领域，具体为一种针对大尺度故障航天器的多独立超冗余机械臂协同抓捕方法。
背景技术
人造卫星由于燃料耗尽或有效载荷寿命到期等原因，大部分航天器成为了空间垃圾。这些空间垃圾不仅占据着宝贵的轨道资源还对正常在轨运行航天器的安全造成了威胁，因此失效或故障航天器的清理成为了一个亟需解决的问题。相比于小尺度故障航天器，大尺度故障航天一旦发生在轨碰撞，会产生更多的空间垃圾。因此，大尺度故障航天器往往具有更高的抓捕优先级。
大部分故障航天器还通常处于动态翻滚状态、不具有用于抓捕的合作标识物以及通过测量获得的故障航天器的运动参数/惯性参数等参数往往含有不确定性，这些因素更增加了故障航天器抓捕的难度。针对质量轻的小尺度故障航天器可以采用诸如机械臂、触手等抓捕方法，但是针对几何尺寸大、质量重的大尺度故障航天器，鱼叉抓捕等方法更有效。然而，鱼叉抓捕过程中也极易产生次生碎片。所以，针对大尺度故障航天器，需要提出一种不会产生次生碎片的安全抓捕方法。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种针对大尺度故障航天器的多独立超冗余机械臂协同抓捕方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种针对大尺度故障航天器的多独立超冗余机械臂协同抓捕方法，包括以下步骤：
S100：对大尺度故障航天器进行结构分析，确定大尺度故障航天器上的安全可抓捕特征集合；
S200：根据超冗余机械臂的数量，从安全可抓捕特征集合中筛选出相应数量的安全可抓捕特征，作为每个超冗余机械臂要实施抓捕的对象；
S300：分配筛选出的安全可抓捕特征，使得筛选出的每个安全可抓捕特征与超冗余机械臂一一对应；
S400：携带超冗余机械臂的航天器接近所对应的安全可抓捕特征，与对应的安全可抓捕特征的轨道运动同步；接着，调整自身姿态，使携带的超冗余机械臂处于易于对安全可抓捕特征实施抓捕的状态；
S500：分别规划每个超冗余机械臂的抓捕路径，实现对所对应的安全可抓捕特征的缠绕式抓捕；
S600：将规划得到的每个超冗余机械臂的抓捕路径合在一起，实现对大尺度故障航天器的协同抓捕。
作为本发明的进一步改进，所述S200中超冗余机械臂的数量大于3。
作为本发明的进一步改进，，所述超冗余机械臂实施缠绕式抓捕的结构包括发动机喷管的喉部、大尺度故障航天器两侧太阳能帆板与大尺度故障航天器间的连接机构、大尺度故障航天器雷达装置的喉部。
作为本发明的进一步改进，所述S200中从可抓捕特征集中筛选与超冗余机械臂数量相对应的可抓捕特征时，选择分散的安全可抓捕特征。
作为本发明的进一步改进，所述S300中在分配筛选出的安全可抓捕特征时，使得每个筛选出的安全可抓捕特征将与距离它最近的超冗余机械臂进行配对；当距离不同安全可抓捕特征最近的航天器是同一个时，将所有航天器需要的机动距离最小作为目标来分配筛选出的安全可抓捕特征。
作为本发明的进一步改进，S400中携带超冗余机械臂的航天器是超冗余机械臂的基座，在抓捕过程中的航天器为超冗余机械臂提供所需的驱动力，驱动超冗余机械臂所需的任意形式的运动。
作为本发明的进一步改进，超冗余机械臂的第一个关节固连在其航天器基座上，超冗余机械臂是由n个完全相同的连杆和n个完全相同的通用关节所组成的长链式结构，其中每个通用关节具有2个正交自由度。
作为本发明的进一步改进，所述S500在规划每个超冗余机械臂的抓捕路径时采用的是快速搜索随机树算法，即给定超冗余机械臂和所对应的安全可抓捕特征的初始构型，快速地搜索到成功对安全可抓捕特征实施缠绕式抓捕超冗余机械臂构型。
作为本发明的进一步改进，所述S500中在规划超冗余机械臂抓捕路径的过程中需要考虑超冗余机械臂和大尺度故障航天器不能发生碰撞的安全性约束、超冗余机械臂的关节输入饱和约束以及超冗余机械臂的关节角转动范围约束。
作为本发明的进一步改进，规划超冗余机械臂抓捕路径的过程时，需要实时考虑超冗余机械臂和大尺度故障航天器不能发生碰撞的安全性约束方程(1)、超冗余机械臂的关节输入饱和约束方程(2)以及超冗余机械臂的关节角转动范围约束方程(3)：
Figure GDA0003412993810000031
||U||≤umax (2)
θ∈[θlower,θupper] (3)
其中，Cm和Ci分别是大型故障航天器和第i(i＝1,2,…,m)个安全可抓捕特征对应的航天器的构型空间，当两者构型空间的交集为空时，表示不会发生碰撞；U和umax分别表示超冗余机械臂实际输出和最大输出；θ表示超冗余机械臂的关节角，θlower和θupper分别表示关节角的最大值和最小值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种针对大尺度故障航天器的多独立超冗余机械臂协同抓捕方法，受“蚁群”合作搬运食物的启发，利用携带超冗余机械臂的多个航天器对大尺度故障航天器进行协同抓捕，实现“以小博大”式的抓捕。具体而言，每个航天器利用所携带的超冗余机械臂对大尺度故障航天器上的某一安全可抓捕特征实施“缠绕”式抓捕。针对大尺度故障航天器，每个航天器利用所携带的超冗余机械臂对大尺度故障航天器上的某一安全可抓捕特征实施“缠绕”式抓捕，具有能够易于避开障碍物、增强机械故障的稳健性以及执行新形式的机器人操控和抓捕能力等优点。此外，不仅避免了对抓捕点的需求，而且降低了对大尺度故障航天器的运动参数/几何外形参数的精确度要求。在具体的抓捕过程中，通过多个航天器的协同，可以实现对大尺度故障航天器的可靠抓捕。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是大尺度故障航天器抓捕任务示意图；
图2是携带超冗余机械臂的航天器示意图。
附图中：1—大尺度故障航天器；2—航天器主体；3—左侧太阳能帆板；4—发动机尾喷管；5—雷达装置；6—右侧太阳能帆板；7—航天器运行轨道；8—携带超冗余机械臂的航天器；9—超冗余机械臂；10—携带超冗余机械臂的航天器；11—携带超冗余机械臂的航天器；12—携带超冗余机械臂的航天器；13—超冗余机械臂的关节；14—超冗余机械臂的连杆；15—超冗余机械臂与其航天器基座相连的基关节。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一种针对大尺度故障航天器的多独立超冗余机械臂协同抓捕方法，受“蚁群”合作搬运食物的启发，利用携带超冗余机械臂的多个航天器对大尺度故障航天器进行协同抓捕，实现“以小博大”式的抓捕。具体而言，每个航天器利用所携带的超冗余机械臂对大尺度故障航天器上的某一安全可抓捕特征实施“缠绕”式抓捕。具体包括以下步骤：
S100：对大尺度故障航天器进行结构分析，确定大尺度故障航天器上的安全可抓捕特征集合。
所述S100中在对大尺度故障航天器进行结构分析时，假设故障航天器的运动参数、惯性参数以及几何外形参数等参数均可以通过测量得到。
所述S100中大尺度故障航天器上的可安全可抓捕特征集合是由大尺度故障航天器上的所有安全可抓捕特征组成的。
进一步地，大尺度故障航天器上的安全可抓捕特征是指大尺度故障航天器上易于实施抓捕的所有结构，例如发动机喷管的喉部、大尺度故障航天器两侧太阳能帆板与大尺度故障航天器间的连接机构、大尺度故障航天器雷达装置的喉部等。
S200：根据超冗余机械臂的数量，从安全可抓捕特征集合中筛选出相应数量的安全可抓捕特征，作为每个超冗余机械臂要实施抓捕的对象。
所述S200中超冗余机械臂的数量大于3，这是为了保证抓捕的有效性。
所述S200中从可抓捕特征集中筛选与超冗余机械臂数量相对应的可抓捕特征时，要保证安全可抓捕特征尽可能地分散。
S300：分配筛选出的安全可抓捕特征，使得筛选出的每个安全可抓捕特征与超冗余机械臂一一对应。
所述S300中在分配筛选出的安全可抓捕特征时，原则是随机的，但是考虑到携带超冗余机械臂的每个航天器所处的空间位置是不同的，出于便捷的目的，每个筛选出的安全可抓捕特征将与距离它最近的超冗余机械臂进行配对。
进一步地，当距离不同安全可抓捕特征最近的航天器是同一个时，此时，将所有航天器需要的机动距离最小作为目标来分配筛选出的安全可抓捕特征。
S400：携带超冗余机械臂的航天器接近所对应的安全可抓捕特征，实现与对应的安全可抓捕特征的轨道运动同步；接着，调整自身姿态，使携带的超冗余机械臂处于易于对安全可抓捕特征实施抓捕的状态。
所述S400中所采用的携带超冗余机械臂的航天器是完全相同的。
进一步地，每个超冗余机械臂是完全相同的。
所述S400中携带超冗余机械臂的航天器是具体抓捕执行机构—超冗余机械臂的基座，它在抓捕过程中可以为超冗余机械臂提供所需的驱动力，即可以实现超冗余机械臂所需的任意形式的运动。抓捕执行机构上的超冗余机械臂的第一个关节(基关节)固连在其航天器基座上。
进一步地，设超冗余机械臂是由n个完全相同的连杆和n个完全相同的通用关节所组成的长链式结构，其中每个通用关节具有2个正交自由度，可以实现在空间在任意角度的旋转。
S500：分别规划每个超冗余机械臂的抓捕路径，实现对所对应的安全可抓捕特征的“缠绕”式抓捕。
所述S500在规划每个超冗余机械臂的抓捕路径时采用的是快速搜索随机树算法，即给定超冗余机械臂和所对应的安全可抓捕特征的初始构型，可以快速地搜索到成功对安全可抓捕特征实施“缠绕”式的抓捕超冗余机械臂构型。
进一步地，“缠绕”式抓捕是指超冗余机械臂利用自身的躯干来约束所对应的安全可抓捕特征，这种方式不仅不需要固定抓捕点还对安全可抓捕特征自身参数的不确定性具有很高的容忍性。
所述S500中在规划超冗余机械臂抓捕路径的过程中需要考虑超冗余机械臂和大尺度故障航天器不能发生碰撞的安全性约束、超冗余机械臂的关节输入饱和约束以及超冗余机械臂的关节角转动范围约束。
S600：将规划得到的每个超冗余机械臂的抓捕路径合在一起，实现对大尺度故障航天器的协同抓捕。
下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明提供一种针对大尺度故障航天器的多独立超冗余机械臂协同抓捕方法，具体步骤包括：
S100：对大尺度故障航天器1进行结构分析，确定大尺度故障航天器1上的安全可抓捕特征集合。
在对大尺度故障航天器1进行结构分析时，假设其运动参数、惯性参数以及几何外形参数等参数均可以通过测量得到。以携带超冗余机械臂9的航天器8为例，考虑到本专利采用的具体抓捕执行机构是超冗余机械臂9，基于其自身的高度灵活性，超冗余机械臂9可以利用整个机械臂的表面接触待抓捕目标，进而借助自身躯干实现对待抓捕目标的缠绕式抓捕。因此，大尺度故障航天器1上的安全可抓捕特征是指大尺度故障航天器上易于超冗余机械臂9实施缠绕式抓捕的所有结构。
航天器的组成系统复杂，一般可分为专用系统和保障系统。专用系统是指与航天器所执行的任务直接有关的系统，也称为有效载荷。保障系统是指保障航天器和专用系统在空间正常工作的系统也称为服务系统主要有结构系统、电源系统、热控制系统、姿态控制和轨道控制系统、无线电测控系统等。为了实现对大尺度故障航天器1的安全可靠抓捕，首先，应该对大尺度故障航天器1进行结构分析，确定大尺度故障航天器1上的所有安全可抓捕特征。
通过对航天器的结构组成进行分析，如图1所示，超冗余机械臂9实施缠绕式抓捕的结构为发动机喷管4的喉部、太阳能帆板3和6与大尺度故障航天器连接机构、雷达装置5的喉部等。
进一步地，大尺度故障航天器1上的安全可抓捕特征集合的元素为：发动机喷管4的喉部、太阳能帆板3和6与大尺度故障航天器连接机构、雷达装置5的喉部。
S200：根据超冗余机械臂的数量m(m>3)，从安全可抓捕特征集合中筛选出相应数量的安全可抓捕特征，作为每个超冗余机械臂要实施抓捕的对象。为了保证抓捕的有效性，从安全可抓捕特征集中筛选与超冗余机械臂数量相对应的可抓捕特征时，要保证安全可抓捕特征尽可能地分散。
S300：分配筛选出的安全可抓捕特征，使得筛选出的每个安全可抓捕特征与超冗余机械臂一一对应。分配筛选出的安全可抓捕特征时，原则是随机的，但是考虑到携带超冗余机械臂的每个航天器所处的空间位置是不同的，出于便捷的目的，每个筛选出的安全可抓捕特征将与距离它最近的超冗余机械臂进行配对。设筛选出的第i(i＝1,2,…,m)个安全可抓捕特征的位置为ρm，设第i(i＝1,2,…,m)个航天器的质心位置为ri，确定第i个安全可抓捕特征对应的航天器的准则为：
Figure GDA0003412993810000091
特别地，当距离不同安全可抓捕特征最近的航天器是同一个时，此时，将所有航天器需要的机动距离最小作为目标来分配筛选出的安全可抓捕特征。
S400：携带超冗余机械臂的航天器接近对应的安全可抓捕特征，实现与对应的安全可抓捕特征的轨道运动同步，并调整自身姿态，使携带的超冗余机械臂9处于易于对安全可抓捕特征实施抓捕的状态。
S500：分别规划每个超冗余机械臂的抓捕路径，实现对所对应的安全可抓捕特征的缠绕式抓捕。假设携带超冗余机械臂的航天器在抓捕过程中可以为超冗余机械臂提供所需的驱动力，即可以实现超冗余机械臂所需的任意形式的运动。
为了保证抓捕的安全性和有效性，规划超冗余机械臂抓捕路径的过程中需要实时考虑超冗余机械臂和大尺度故障航天器不能发生碰撞的安全性约束(方程(2))、超冗余机械臂的关节输入饱和约束(方程(3))以及超冗余机械臂的关节角转动范围约束(方程(4))。
Figure GDA0003412993810000101
||U||≤umax (3)
θ∈[θlower,θupper] (4)
其中，Cm和Ci分别是大型故障航天器和第i(i＝1,2,…,m)个安全可抓捕特征对应的航天器的构型空间，当两者构型空间的交集为空时，表示不会发生碰撞；U和umax分别表示超冗余机械臂实际输出和最大输出；θ表示超冗余机械臂的关节角，θlower和θupper分别表示关节角的最大值和最小值。
接下来，采用快速搜索随机树算法规划每个超冗余机械臂的抓捕路径，即给定超冗余机械臂和所对应的安全可抓捕特征的初始构型，搜索成功对安全可抓捕特征实施“缠绕”式的抓捕超冗余机械臂构型。
S600：将规划得到的每个超冗余机械臂的抓捕路径合在一起，实现对大尺度故障航天器1的协同抓捕。
以上披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (10)

1.一种针对大尺度故障航天器的多独立超冗余机械臂协同抓捕方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100：对大尺度故障航天器进行结构分析，确定大尺度故障航天器上的安全可抓捕特征集合；
S200：根据超冗余机械臂的数量，从安全可抓捕特征集合中筛选出相应数量的安全可抓捕特征，作为每个超冗余机械臂要实施抓捕的对象；
S300：分配筛选出的安全可抓捕特征，使得筛选出的每个安全可抓捕特征与超冗余机械臂一一对应；
S400：携带超冗余机械臂的航天器接近所对应的安全可抓捕特征，与对应的安全可抓捕特征的轨道运动同步；接着，调整自身姿态，使携带的超冗余机械臂处于易于对安全可抓捕特征实施抓捕的状态；
S500：分别规划每个超冗余机械臂的抓捕路径，实现对所对应的安全可抓捕特征的缠绕式抓捕；
S600：将规划得到的每个超冗余机械臂的抓捕路径合在一起，实现对大尺度故障航天器的协同抓捕。
2.根据权利要求1所述的一种针对大尺度故障航天器的多独立超冗余机械臂协同抓捕方法，其特征在于，所述S200中超冗余机械臂的数量大于3。
3.根据权利要求1所述的一种针对大尺度故障航天器的多独立超冗余机械臂协同抓捕方法，其特征在于，所述超冗余机械臂实施缠绕式抓捕的结构包括发动机喷管的喉部、大尺度故障航天器两侧太阳能帆板与大尺度故障航天器间的连接机构、大尺度故障航天器雷达装置的喉部。
4.根据权利要求1所述的一种针对大尺度故障航天器的多独立超冗余机械臂协同抓捕方法，其特征在于，所述S200中从安全可抓捕特征集中筛选与超冗余机械臂数量相对应的安全可抓捕特征时，选择分散的安全可抓捕特征。
5.根据权利要求1所述的一种针对大尺度故障航天器的多独立超冗余机械臂协同抓捕方法，其特征在于，所述S300中在分配筛选出的安全可抓捕特征时，使得每个筛选出的安全可抓捕特征将与距离它最近的超冗余机械臂进行配对；当距离不同安全可抓捕特征最近的航天器是同一个时，将所有航天器需要的机动距离最小作为目标来分配筛选出的安全可抓捕特征。
6.根据权利要求1所述的一种针对大尺度故障航天器的多独立超冗余机械臂协同抓捕方法，其特征在于，S400中携带超冗余机械臂的航天器是超冗余机械臂的基座，在抓捕过程中的航天器为超冗余机械臂提供所需的驱动力，驱动超冗余机械臂所需的任意形式的运动。
7.根据权利要求1所述的一种针对大尺度故障航天器的多独立超冗余机械臂协同抓捕方法，其特征在于，超冗余机械臂的第一个关节固连在其航天器基座上，超冗余机械臂是由n个完全相同的连杆和n个完全相同的通用关节所组成的长链式结构，其中每个通用关节具有2个正交自由度。
8.根据权利要求1所述的一种针对大尺度故障航天器的多独立超冗余机械臂协同抓捕方法，其特征在于，所述S500在规划每个超冗余机械臂的抓捕路径时采用的是快速搜索随机树算法，即给定超冗余机械臂和所对应的安全可抓捕特征的初始构型，快速地搜索到成功对安全可抓捕特征实施缠绕式抓捕超冗余机械臂构型。
9.根据权利要求1所述的一种针对大尺度故障航天器的多独立超冗余机械臂协同抓捕方法，其特征在于，所述S500中在规划超冗余机械臂抓捕路径的过程中需要考虑超冗余机械臂和大尺度故障航天器不能发生碰撞的安全性约束、超冗余机械臂的关节输入饱和约束以及超冗余机械臂的关节角转动范围约束。
10.根据权利要求1所述的一种针对大尺度故障航天器的多独立超冗余机械臂协同抓捕方法，其特征在于，规划超冗余机械臂抓捕路径的过程时，需要实时考虑超冗余机械臂和大尺度故障航天器不能发生碰撞的安全性约束方程(1)、超冗余机械臂的关节输入饱和约束方程(2)以及超冗余机械臂的关节角转动范围约束方程(3)：
Figure FDA0003412993800000031
||U||≤umax (2)
θ∈[θlower,θupper] (3)
其中，Cm和Ci分别是大型故障航天器和第i(i＝1,2,…,m)个安全可抓捕特征对应的航天器的构型空间，当两者构型空间的交集为空时，表示不会发生碰撞；U和umax分别表示超冗余机械臂实际输出和最大输出；θ表示超冗余机械臂的关节角，θlower和θupper分别表示超冗余机械臂的关节角的最大值和最小值。
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