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原文传递一种基于超冗余机械臂的失效卫星自适应包络抓捕方法

专利名称：	一种基于超冗余机械臂的失效卫星自适应包络抓捕方法
摘要：	本发明公开了一种基于超冗余机械臂的失效卫星自适应包络抓捕方法，所述的超冗余机械臂设置在服务卫星上，抓捕方法包括以下步骤：步骤1，推导抓捕失效卫星的超冗余机械臂的包络条件，即寻找出能约束住失效卫星运动的包络迹线；步骤2，建立超冗余机械臂的运动学模型，得到超冗余机械臂连杆的位置和姿态的齐次变换矩阵；步骤3，设计超冗余机械臂的包络运动规划算法，采用快速搜索随机树算法来搜索满足包络条件的超冗余机械臂构型，实现与包络迹线的匹配。该方法基于自身的高冗余性和灵活性，超冗余机械臂利用自己的躯干对失效卫星进行包裹，在不需要精确目标信息的条件下，实现对失效卫星的抓捕。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	陕西;61
申请人：	西北工业大学
发明人：	孙冲;袁源;万文娅;邓李圣;李琪;崔尧
专利状态：	有效
申请日期：	2019-07-02T00:00:00+0800
发布日期：	2019-10-25T00:00:00+0800
申请号：	CN201910589249.3
公开号：	CN110371325A
代理机构：	西安通大专利代理有限责任公司
代理人：	李鹏威
分类号：	B64G4/00(2006.01);B;B64;B64G;B64G4
申请人地址：	710072 陕西省西安市碑林区友谊西路127号
主权项：	1.一种基于超冗余机械臂的失效卫星自适应包络抓捕方法，其特征在于，所述的超冗余机械臂设置在服务卫星上，抓捕方法包括以下步骤：步骤1，推导抓捕失效卫星的超冗余机械臂的包络条件，即寻找出能约束住失效卫星运动的包络迹线；步骤2，建立超冗余机械臂的运动学模型，得到超冗余机械臂连杆的位置和姿态的齐次变换矩阵；步骤3，设计超冗余机械臂的包络运动规划算法，采用快速搜索随机树算法来搜索满足包络条件的超冗余机械臂构型，实现与包络迹线的匹配。 2.根据权利要求1所述的基于超冗余机械臂的失效卫星自适应包络抓捕方法，其特征在于，步骤1具体步骤如下：首先，选择一个通过失效卫星质心Ot但不通过失效卫星边线的平面作为包络平面Pci；然后，将包络平面与失效卫星相交，得到一个包络截面Psi: Psi＝Ot∩Pci (1) 最后，包络截面Psi与失效卫星7Ot的交线即为包络迹线Ci。 3.根据权利要求1所述的基于超冗余机械臂的失效卫星自适应包络抓捕方法，其特征在于，步骤2中的运动学模型为：超冗余机械臂由n个通用关节组成，其中，C0是服务卫星的质心，Jj和lj分别代表第j个关节和第j个连杆的长度，j＝1,2,…,n，l0是C0到J1的位置矢量，θj和αj分别代表第j个关节绕yj轴和xj轴的转角，OIXIYIZI、C0x0y0z0和Ojxjyjzj分别表示参考坐标系、服务卫星本体坐标系和第j个关节连杆的固连坐标系，iTj是坐标系Ojxjyjzj到Oixiyizi的齐次变换矩阵。 4.根据权利要求3所述的基于超冗余机械臂的失效卫星自适应包络抓捕方法，其特征在于，为了实现坐标系Ojxjyjzj到Oj-1xj-1yj-1zj-1的变换，需要经过如下变换： 1)Oj-1xj-1yj-1zj-1沿着zj-1轴平移lj-1，得到新坐标系 2)绕着旋转θj-1，得到新坐标系其中轴与xj轴重合； 3)绕着轴旋转αj-1，得到Ojxjyjzj；因此，相邻坐标系Ojxjyjzj和Oj-1xj-1yj-1zj-1之间的变换矩阵j-1Tj可以表示为：其中，Trans(x,y,z)是平移变换矩阵，如式(3)所示；Rot(y,θ)是绕y轴的变换矩阵，如式(4)所示；Rot(x,α)是绕x轴的变换矩阵，如式(5)所示；因此，第j个连杆的位置和姿态可以表示为：其中，IT0表示C0x0y0z0到OIXIYIZI的变换矩阵；0T1表示O1x1y1z1到C0x0y0z0的变换矩阵。 5.根据权利要求3所述的基于超冗余机械臂的失效卫星自适应包络抓捕方法，其特征在于，步骤3中的包络运动规划算法采用如下假设：： 1)失效卫星的几何外形参数、运动参数等不确定性统一集成为包络迹线的不确定性； 2)超冗余机械臂的初始构型是完全展开状态，并且抓捕过程中超冗余机械臂的驱动顺序是从靠近基座端到末端顺序进行的，也就是靠近基座端首先接触失效卫星； 3)在抓捕开始时，服务卫星系统已经实现与失效卫星的轨道同步。 6.根据权利要求5所述的基于超冗余机械臂的失效卫星自适应包络抓捕方法，其特征在于，步骤3具体步骤为：将包络迹线做离散化处理，得到一系列关键包络点的集合6K＝{K1,K2,…,Kk}，k是关键包络点的个数，Ki代表一个关键包络点，其中相邻关键点之间由包络边连接；关键包络点选为包络迹线的顶点；确定超冗余机械臂的包络起点和包络方向；得到包络起点、关键包络点以及包络方向后，利用快速搜索随机树算法寻找合适的超冗余机械臂关节角取值，实现与各个关键包络点的匹配；如果超冗余机械臂能够调整自身构型实现与包络迹线的完全匹配，则能够实现对失效卫星的抓捕。 7.根据权利要求6所述的基于超冗余机械臂的失效卫星自适应包络抓捕方法，其特征在于，包络起点是超冗余机械臂与失效卫星的第一个接触点，由超冗余机械臂和失效卫星的初始相对位置决定；包络方向是超冗余机械臂对失效卫星实施缠绕的方向，它由超冗余机械臂和失效卫星的初始相对位置以及选取的包络迹线决定。 8.根据权利要求6所述的基于超冗余机械臂的失效卫星自适应包络抓捕方法，其特征在于，失效卫星的参数不确定性会造成包络迹线的实时变化，在进行顺序匹配时，需要对之前匹配的有效性进行检测；在确定Ki～Ki+1的匹配关节Jsi～Js(i+1)配时，要满足如下条件：其中，Dist(Ki,Ki+1)是Ki～Ki+1的距离；si和s(i+1)分别是与Ki和Ki匹配的超冗余机械臂的关节编号；利用快速搜索随机树算法对各个包络边进行顺序匹配，即搜索超冗余机械臂关节角的值。 9.根据权利要求1所述的基于超冗余机械臂的失效卫星自适应包络抓捕方法，其特征在于，所述的包络迹线是指失效卫星表面上一条能够约束其运动的封闭曲线。
所属类别：	发明专利