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第1章 空间机器人发展现状及趋势1

1.1 引言1

1.2 空间机器人的概念及分类2

1.3 空间机器人需求分析4

1.3.1 频繁的卫星失效导致了巨大的经济损失4

1.3.2 不断增长的轨道垃圾严重影响正常卫星的安全8

1.3.3 大型空间设施的建设与维护需求越来越紧迫10

1.3.4 新型空间技术对在轨服务的推动11

1.3.5 空间机器人代替宇航员是未来在轨服务的必然12

1.3.6 空间机器人在轨服务内容12

1.4 载人航天器机械臂国内外发展现状14

1.4.1 航天飞机机器人SRMS14

1.4.2 国际空间站机器人18

1.4.2.1 空间站移动服务系统18

1.4.2.2 日本实验舱遥控机械臂系统20

1.4.2.3 欧洲机械臂系统22

1.4.3 中国的舱外自由移动机器人系统EMR24

1.4.4 中国的空间站机器人系统25

1.5 自由飞行空间机器人国内外发展现状26

1.5.1 已成功在轨演示的自由飞行空间机器人26

1.5.2 美国的空间机器人技术发展分析28

1.5.2.1 轨道快车28

1.5.2.2 机器人燃料加注实验29

1.5.2.3 FREND项目30

1.5.2.4 “凤凰”计划30

1.5.2.5 大型望远镜及空间结构在轨服务计划31

1.5.2.6 太空服务基地计划32

1.5.2.7 在轨制造计划33

1.5.2.8 美国在轨服务发展小结33

1.5.3 日本的空间机器人技术发展分析34

1.5.4 德国的空间机器人技术发展分析36

1.5.5 欧洲空间局的空间机器人技术发展分析37

1.5.6 加拿大的空间机器人技术发展分析38

1.5.7 中国的空间机器人技术发展分析40

1.6 空间机器人技术发展趋势分析40

1.7 小结44

参考文献44

第2章 机器人运动学基础49

2.1 引言49

2.2 刚体的位置和姿态49

2.2.1 刚体位置的描述50

2.2.2 刚体姿态的描述50

2.2.2.1 旋转变换矩阵表示法50

2.2.2.2 欧拉角表示法52

2.2.2.3 欧拉轴-角表示57

2.2.2.4 单位四元数表示法59

2.2.2.5 小角度下的姿态表示61

2.2.2.6 各种姿态表示的优缺点分析62

2.2.3 齐次坐标与齐次变换63

2.3 刚体的运动64

2.3.1 刚体的一般运动64

2.3.2 刚体的姿态运动学65

2.3.2.1 旋转变换矩阵表示下的姿态运动65

2.3.2.2 欧拉角表示法66

2.3.2.3 欧拉轴-角表示70

2.3.2.4 单位四元数表示70

2.3.3 姿态奇异条件分析71

2.3.3.1 姿态奇异条件及特性分析71

2.3.3.2 第Ⅰ类欧拉角的奇异分析72

2.3.3.3 第Ⅱ类欧拉角的奇异分析73

2.4 机械臂状态描述74

2.4.1 关节状态变量与关节速度74

2.4.2 末端位姿与末端速度75

2.4.3 关节空间与任务空间76

2.5 机械臂运动学正问题和逆问题78

2.6 位置级运动学问题78

2.6.1 平面2连杆机械臂位置级正运动学举例79

2.6.2 平面2连杆机械臂位置级逆运动学举例79

2.7 机器人连杆坐标系建立的D-H法81

2.7.1 经典D-H表示法81

2.7.1.1 D-H坐标系与D-H参数81

2.7.1.2 各连杆D-H坐标系建立的步骤82

2.7.1.3 基于D-H参数的齐次变换矩阵84

2.7.2 改造后的D-H表示法85

2.8 典型构型机械臂的解析运动学求解87

2.8.1 3DOF拟人肘机械臂87

2.8.1.1 3DOF拟人肘机械臂正运动学方程87

2.8.1.2 3DOF拟人肘机械臂逆运动学方程87

2.8.2 3DOF球腕机械臂90

2.8.2.1 3DOF球腕机械臂正运动学方程90

2.8.2.2 3DOF球腕机械臂逆运动学方程91

2.8.3 6DOF腕部分离机械臂93

2.8.3.1 6DOF腕部分离机械臂正运动学方程94

2.8.3.2 6DOF腕部分离机械臂逆运动学方程95

2.9 小结100

参考文献100

第3章 机器人微分运动学与奇异分析基础101

3.1 引言101

3.2 机器人的速度级运动学101

3.2.1 速度级运动学方程101

3.2.2 机器人的微分运动103

3.2.2.1 采用6D状态变量描述末端位姿时103

3.2.2.2 采用齐次变换矩阵描述末端位姿时103

3.2.3 速度级运动学举例105

3.2.3.1 平面2连杆机械臂速度级正运动学举例105

3.2.3.2 平面2连杆机械臂速度级逆运动学举例105

3.3 机器人的加速度级微分运动学106

3.3.1 加速度级运动学方程106

3.3.2 加速度级运动学举例106

3.3.2.1 平面2连杆机械臂加速度级正运动学举例106

3.3.2.2 平面2连杆机械臂加速度级逆运动学举例106

3.4 雅可比矩阵的计算方法107

3.4.1 不同坐标系表示下的雅可比矩阵的关系107

3.4.2 利用各关节位姿齐次变换矩阵107

3.4.3 根据末端位姿矩阵直接微分108

3.5 雅可比矩阵计算实例109

3.5.1 拟人的3DOF肘机械臂109

3.5.2 3DOF球腕机械臂111

3.5.3 6DOF腕部分离机械臂111

3.6 典型运动学奇异臂型分析112

3.6.1 3DOF拟人肘机械臂112

3.6.1.1 奇异条件确定112

3.6.1.2 奇异臂型与运动退化分析113

3.6.2 3DOF球腕机械臂115

3.6.3 6DOF腕部分离机械臂116

3.6.3.1 腕部运动的分解116

3.6.3.2 奇异条件的确定118

3.7 基于微分运动学的通用逆运动学求解方法121

3.7.1 算法原理121

3.7.2 算法流程122

3.7.3 算法举例122

3.8 小结123

参考文献123

第4章 机器人动力学基础125

4.1 引言125

4.2 动力学建模的基本原理125

4.2.1 欧拉方程125

4.2.1.1 刚体动量矩125

4.2.1.2 欧拉力矩方程127

4.2.2 达朗贝尔原理127

4.2.3 虚位移原理128

4.2.3.1 广义坐标128

4.2.3.2 虚位移原理128

4.2.3.3 广义力129

4.2.4 拉格朗日方程129

4.2.4.1 仅考虑动能情况下129

4.2.4.2 仅考虑势能情况下130

4.2.4.3 一般拉格朗日方程131

4.3 机器人动力学基础131

4.3.1 拉格朗日方法132

4.3.1.1 连杆的动能132

4.3.1.2 连杆的势能134

4.3.1.3 拉格朗日动力学方程134

4.3.1.4 拉格朗日动力学方程举例135

4.3.2 牛顿-欧拉法140

4.3.2.1 力和力矩的递推关系式141

4.3.2.2 递推的牛顿-欧拉动力学算法142

4.4 小结142

参考文献143

第5章 空间机器人感知144

5.1 引言144

5.2 空间机器人基座姿态敏感器144

5.2.1 陀螺145

5.2.2 星敏感器146

5.2.2.1 工作原理146

5.2.2.2 主要技术指标147

5.2.3 太阳敏感器148

5.2.4 红外地球敏感器149

5.2.5 典型姿态测量部件组成及姿态确定算法设计150

5.2.5.1 GNC分系统的组成150

5.2.5.2 姿态确定算法151

5.3 机器人关节位置检测152

5.3.1 电位计152

5.3.2 旋转变压器154

5.3.3 光电编码器156

5.3.3.1 增量式光电编码器157

5.3.3.2 绝对式光电编码器158

5.4 机器人力/力矩感知159

5.5 机器人视觉161

5.5.1 相机成像模型161

5.5.2 单目视觉与位姿测量163

5.5.2.1 单目视觉系统与PnP算法163

5.5.2.2 常用的P3P问题及其求解164

5.5.3 双目视觉系统与立体匹配169

5.6 天基目标测量敏感器170

5.6.1 天基目标分类170

5.6.2 国内外应用情况分析170

5.6.3 天基目标测量敏感器简介172

5.6.3.1 微波测距仪172

5.6.3.2 激光测距仪172

5.6.3.3 差分GPS（RGPS）173

5.6.3.4 光学测角相机175

5.6.3.5 宽视场测量相机175

5.6.3.6 窄视场成像相机176

5.6.3.7 交会测量相机176

5.6.3.8 典型目标测量设备配置方案178

5.7 天基目标测量方案举例179

5.7.1 GEO非合作航天器在轨救援任务设计179

5.7.1.1 在轨接近任务180

5.7.1.2 绕飞监测任务181

5.7.1.3 停靠与抓捕181

5.7.1.4 在轨修复181

5.7.2 天基目标测量分系统配置方案181

5.7.3 GNC算法设计183

5.7.3.1 制导律的要求183

5.7.3.2 控制的要求183

5.7.3.3 导航的要求183

5.8 小结183

参考文献184

第6章 空间机器人运动学建模187

6.1 引言187

6.2 符号及坐标系定义188

6.3 位置级运动学方程190

6.3.1 位置级正运动学方程190

6.3.1.1 位置级正运动学方程一般式190

6.3.1.2 空间机器人的正运动学方程举例191

6.3.2 位置级逆运动学方程194

6.3.2.1 空间机器人系统逆运动学方程解的存在性讨论194

6.3.2.2 基座位姿已知时的逆运动学方程求解195

6.3.2.3 仅基座姿态已知但系统不受外力时的逆运动学方程求解197

6.4 微分运动学方程199

6.4.1 速度级正运动学方程199

6.4.1.1 空间机器人一般运动方程199

6.4.1.2 空间机器人系统线动量和角动量200

6.4.1.3 基座位姿稳定时的运动学方程203

6.4.1.4 基座姿态受控模式的运动学方程203

6.4.1.5 自由漂浮模式的运动学方程204

6.4.2 速度级逆运动学方程207

6.4.2.1 一般情况下的逆运动学方程207

6.4.2.2 基座位姿固定时的逆运动学方程207

6.4.2.3 基座姿态受控、系统不受外力时的运动学方程208

6.4.2.4 自由漂浮模式的逆运动学方程与动力学奇异208

6.4.3 平面2连杆空间机器人系统运动学方程举例211

6.4.3.1 位置关系211

6.4.3.2 一般运动方程213

6.4.3.3 基座位姿固定模式下的运动学方程214

6.4.3.4 基座姿态受控模式下的运动学方程214

6.4.3.5 自由飘浮模式下的运动学方程217

6.4.3.6 平面空间机器人PIW与PDW的分析226

6.4.4 平面3连杆空间机器人系统运动学方程举例228

6.4.4.1 位置关系228

6.4.4.2 一般运动方程230

6.4.4.3 基座位姿固定模式下的运动学方程232

6.4.4.4 基座姿态受控模式下的运动学方程232

6.4.4.5 自由飘浮模式下的运动学方程235

6.5 虚拟机械臂建模及其应用240

6.5.1 基于虚拟机械臂的运动学建模240

6.5.2 工作空间分析242

6.5.2.1 空间机器人工作空间类型243

6.5.2.2 平面空间机器人系统示例244

6.5.3 基于虚拟机械臂的逆运动学求解247

6.6 小结250

参考文献250

第7章 空间机器人动力学建模252

7.1 引言252

7.2 空间机器人通用动力学建模方法253

7.2.1 拉格朗日法254

7.2.1.1 空间机器人系统的动能254

7.2.1.2 空间机器人的拉格朗日动力学方程255

7.2.1.3 自由漂浮空间机器人动力学方程255

7.2.2 平面单连杆空间机器人动力学方程举例256

7.2.3 平面双连杆空间机器人动力学方程举例261

7.3 动力学等价机械臂建模272

7.3.1 不受外力作用下空间机器人系统动力学建模272

7.3.2 关节1为球关节时的固定基座机械臂动力学274

7.3.3 动力学等价机械臂（DEM）及其与SM的等价性275

7.3.3.1 动力学等价机械臂的定义275

7.3.3.2 SM与DEM的运动学等价275

7.3.3.3 SM与DEM的动力学等价276

7.3.3.4 仿真验证276

7.4 多领域统一建模方法278

7.4.1 非因果建模思想278

7.4.1.1 因果建模的局限性278

7.4.1.2 非因果建模279

7.4.2 空间机器人系统的多领域功能模块划分280

7.4.3 单臂空间机器人系统多领域统一建模282

7.4.3.1 空间机器人机构部分的建模282

7.4.3.2 机械臂关节轴的建模285

7.4.3.3 机械臂路径规划器（PathPlanning）287

7.4.3.4 基座姿态控制执行机构的建模288

7.4.3.5 姿态及轨道控制器290

7.4.4 多臂空间机器人系统的多领域统一建模291

7.4.5 仿真研究292

7.4.5.1 单臂空间机器人操作的多领域统一仿真292

7.4.5.2 双臂空间机器人操作的多领域统一仿真294

7.5 小结295

参考文献295

第8章 空间机器人系统动力学耦合298

8.1 引言298

8.2 基于速度级运动学的动力学耦合建模及分析298

8.2.1 自由漂浮状态下的动量守恒298

8.2.2 关节与基座的耦合运动299

8.2.3 末端与基座的耦合运动299

8.2.4 动力学耦合测度301

8.3 空间机器人混合动力学耦合分析303

8.3.1 耦合运动分解303

8.3.2 基座质心耦合的位置级建模303

8.3.2.1 质心等效机械臂BCVM303

8.3.2.2 基座质心的耦合运动305

8.3.3 基座姿态耦合的速度级建模307

8.3.3.1 角动量守恒307

8.3.3.2 基座姿态的耦合运动308

8.3.4 动力学耦合因子309

8.3.4.1 基座质心的位置级耦合309

8.3.4.2 基座姿态的速度级耦合310

8.3.4.3 实例分析311

8.4 混合法与速度级建模方法的比较316

8.4.1 速度级动力学耦合建模方法316

8.4.2 混合动力学耦合建模317

8.4.3 两种动力学耦合对比分析317

8.5 基于混合方法的动力学耦合分析319

8.5.1 不同负载质量对动力学耦合的影响319

8.5.1.1 基座质心位置的耦合分析320

8.5.1.2 基座姿态的耦合分析321

8.5.2 安装角对动力学耦合的影响321

8.5.2.1 基座质心位置的耦合分析322

8.5.2.2 基座姿态的耦合分析322

8.6 混合动力学耦合因子的应用324

8.6.1 减小扰动的规划方法324

8.6.1.1 几种负载下关节到基座的扰动等高线324

8.6.1.2 几种负载下末端到基座的扰动等高线329

8.6.2 未知目标捕获后的鲁棒控制方法333

8.6.2.1 建立跟踪误差状态方程335

8.6.2.2 H∞鲁棒控制器的设计336

8.6.2.3 MATLAB仿真分析337

8.7 本章小结340

参考文献341

第9章 空间机器人系统参数在轨辨识342

9.1 引言342

9.2 传统航天器的动力学参数辨识343

9.2.1 坐标系定义及动力学建模344

9.2.2 参数解耦的最小二乘法辨识方法346

9.2.2.1 基于动量守恒的航天器转动惯量的辨识346

9.2.2.2 基于推力控制的质量和质心位置辨识347

9.2.3 基于PSO的航天器质量特性辨识方法348

9.2.3.1 参数辨识与非线性系统优化348

9.2.3.2 基于PSO的辨识方法350

9.2.4 仿真研究351

9.2.4.1 动力学仿真模型参数351

9.2.4.2 参数解耦最小二乘法辨识仿真352

9.2.4.3 基于PSO优化方法的质量特性辨识仿真354

9.2.4.4 两种方法的比较分析356

9.3 基于等效单体及等效双体的动力学参数辨识方法356

9.3.1 空间机器人系统建模356

9.3.1.1 空间机器人运动学方程356

9.3.1.2 线动量与角动量方程358

9.3.2 参数辨识思路及流程359

9.3.2.1 等效单体系统辨识360

9.3.2.2 等效双体系统辨识360

9.3.2.3 各个刚体动力学参数辨识360

9.3.3 等效单体系统辨识方法361

9.3.4 等效双体系统辨识方法363

9.3.4.1 运动方程363

9.3.4.2 动力学参数辨识的目标函数364

9.3.5 基于优化算法求解动力学参数364

9.3.6 仿真研究365

9.3.6.1 六自由度空间机器人365

9.3.6.2 推进器分布367

9.3.6.3 等效质量参数辨识结果367

9.3.6.4 各个体的辨识结果368

9.3.7 误差及参数敏感性分析372

9.3.7.1 动力学参数辨识结果误差分析372

9.3.7.2 惯性参数敏感度分析372

9.4 小结374

参考文献375

第10章 空间机械臂路径规划379

10.1 引言379

10.2 机器人规划的基本概念379

10.2.1 机器人规划的层次划分379

10.2.2 机器人的轨迹规划380

10.2.3 机器人的路径规划与控制的关系382

10.3 关节空间路径规划383

10.3.1 3次多项式插值383

10.3.2 5次多项式插值385

10.3.3 用抛物线拟合的线性插值385

10.3.4 3次样条插值387

10.3.5 梯形速度插值393

10.4 笛卡儿空间路径规划394

10.4.1 基于位置级求逆的笛卡儿空间路径规划394

10.4.2 基于速度级求逆的笛卡儿空间路径规划395

10.4.3 基于驱动函数的笛卡儿直线路径规划396

10.4.3.1 基于驱动变换的直线路径规划描述396

10.4.3.2 驱动变换矩阵的确定397

10.4.3.3 基于驱动变换矩阵的笛卡儿直线路径规划与改进400

10.5 路径规划仿真401

10.5.1 仿真模型401

10.5.2 关节空间路径规划仿真402

10.5.3 笛卡儿空间路径规划仿真403

10.5.3.1 笛卡儿点到点规划仿真403

10.5.3.2 基于速度级逆运动学的笛卡儿多结点规划仿真407

10.5.3.3 基于驱动函数的笛卡儿直线路径规划仿真408

10.6 小结410

参考文献410

第11章 自由漂浮空间机器人非完整路径规划412

11.1 引言412

11.2 空间机器人非完整路径规划问题413

11.2.1 非完整路径规划的依据413

11.2.2 主要规划方法414

11.2.2.1 关节空间周期运动法414

11.2.2.2 基于Lyaponov函数的双向搜索法414

11.2.2.3 基于增强扰动图（EDM）及反作用零空间的路径规划方法415

11.2.2.4 基于螺旋运动的路径规划方法416

11.3 基于遗传算法的非完整路径规划方法416

11.3.1 系统状态变量416

11.3.2 关节函数参数化417

11.3.3 目标函数的定义418

11.3.3.1 关节角速度及角加速度不受限制的情况418

11.3.3.2 关节角速度及角加速度受限制的情况418

11.3.3.3 基座姿态受限的情况419

11.3.4 基于遗传算法的路径规划问题求解420

11.3.4.1 遗传算法的简单回顾420

11.3.4.2 基于遗传算法的规划问题求解步骤420

11.3.5 仿真研究421

11.3.5.1 关节角速度及角加速度不受限制的情况422

11.3.5.2 关节角速度及角加速度受限制的情况425

11.3.5.3 基座姿态受限的情况426

11.4 目标的停靠与基座姿态重稳定429

11.4.1 目标捕获429

11.4.2 动力学参数辨识430

11.4.3 捕获后目标的停靠与基座姿态的重稳定430

11.5 空间机器人笛卡儿路径规划问题433

11.5.1 问题描述433

11.5.2 空间机器人笛卡儿路径规划中的特殊问题434

11.5.2.1 动力学奇异434

11.5.2.2 空间机器人的路径相关工作空间与路径无关工作空间435

11.6 空间机器人笛卡儿点到点路径规划435

11.6.1 点到点路径规划问题436

11.6.2 关节函数参数化437

11.6.3 关节函数的归一化437

11.6.4 路径规划问题的求解439

11.6.4.1 算法流程439

11.6.4.2 赋初值的一般准则439

11.6.5 仿真研究439

11.7 空间机器人笛卡儿连续路径规划444

11.7.1 笛卡儿空间连续位姿跟踪444

11.7.1.1 末端运动速度规划444

11.7.1.2 机械臂关节运动规划445

11.7.1.3 笛卡儿直线路径跟踪举例445

11.7.2 基座姿态无扰动的笛卡儿路径规划447

11.7.2.1 基座姿态无扰动的笛卡儿路径规划方法447

11.7.2.2 基座姿态无扰动位置跟踪仿真研究448

11.7.2.3 基座姿态无扰动姿态跟踪仿真研究449

11.7.3 基座姿态调整的笛卡儿路径规划451

11.7.3.1 基座姿态调整的笛卡儿路径规划方法451

11.7.3.2 基座姿态调整的笛卡儿位置跟踪仿真研究451

11.7.3.3 基座姿态调整的连续姿态跟踪仿真研究452

11.8 小结454

参考文献455

第12章 空间机器人的运动学与动力学奇异回避457

12.1 引言457

12.2 常用的空间6R机械臂458

12.3 航天器参考坐标系下的奇异回避460

12.3.1 腕部逆运动学方程及其分解460

12.3.1.1 腕部运动学方程460

12.3.1.2 速度级逆运动学方程的分解462

12.3.2 奇异条件分离462

12.3.2.1 前端奇异的分离462

12.3.2.2 腕部奇异的分离465

12.3.3 奇异回避的逆运动学求解467

12.3.3.1 基于阻尼倒数的逆运动学467

12.3.3.2 阻尼系数对末端运动精度的影响分析468

12.3.3.3 与其他方法的比较472

12.3.4 奇异分离+阻尼倒数方法的推广使用474

12.3.4.1 MOTOMAN-K10机器人运动学建模474

12.3.4.2 奇异条件分离476

12.3.4.3 奇异回避路径规划方法的仿真研究478

12.3.4.4 奇异回避路径规划方法的实验研究480

12.4 惯性参考坐标系下的奇异回避482

12.4.1 基座姿态受控时的奇异回避483

12.4.1.1 基本方程483

12.4.1.2 典型的奇异条件485

12.4.1.3 仿真研究486

12.4.2 自由漂浮情况下的回避奇异路径规划方法494

12.4.2.1 动力学奇异的特点494

12.4.2.2 实用的动力学奇异回避算法494

12.4.2.3 仿真研究497

12.5 小结500

参考文献501

第13章 空间机器人目标捕获的自主路径规划504

13.1 引言504

13.2 空间机器人系统参数与控制器结构505

13.2.1 空间机器人系统参数505

13.2.2 控制系统硬件体系结构506

13.2.3 控制系统软件体系设计507

13.2.3.1 软件总体说明507

13.2.3.2 软件系统设计509

13.3 基于位置的自主路径规划512

13.3.1 主要流程512

13.3.2 位姿测量513

13.3.3 目标运动的预测514

13.3.4 空间机器人末端运动规划515

13.3.5 空间机器人自主奇异回避算法516

13.3.6 基座姿态扰动的预测及关节速度的自调整517

13.4 基于图像的自主路径规划518

13.4.1 主要流程518

13.4.2 图像特征变化与末端位姿变化之间的关系519

13.4.3 目标运动的预测520

13.4.3.1 图像特征与相对位姿的非线性关系520

13.4.3.2 基于扩展Kalman滤波器的目标运动预测521

13.4.4 空间机器人末端运动规划521

13.4.5 图像雅可比矩阵奇异性的分析522

13.4.5.1 3点光标图像雅可比矩阵奇异性522

13.4.5.2 4点以上光标图像雅可比矩阵的奇异性525

13.4.5.3 本章的自主捕获过程中图像雅可比的奇异性分析525

13.5 空间机器人路径规划算法的实验研究526

13.5.1 基于位置的自主路径规划实验526

13.5.1.1 相机内外参数的标定526

13.5.1.2 惯性空间静止目标捕获实验527

13.5.1.3 惯性空间运动目标捕获实验530

13.5.2 基于图像的自主路径规划实验534

13.5.2.1 惯性空间静止目标捕获实验534

13.5.2.2 惯性空间运动目标捕获实验534

13.6 基于位置及基于图像自主路径规划方法比较538

13.7 小结538

参考文献539

第14章 典型非合作目标的位姿测量541

14.1 引言541

14.2 非合作目标在轨服务流程与自主识别问题542

14.2.1 典型GEO非合作目标在轨服务流程542

14.2.2 非合作目标可识别特征的选择543

14.3 基于立体视觉的帆板支架识别与位姿测量545

14.3.1 基于双目视觉的非合作目标测量原理545

14.3.2 算法流程547

14.3.3 非合作目标测量实例548

14.3.3.1 几何参数548

14.3.3.2 模拟图像采集548

14.3.3.3 平滑滤波552

14.3.3.4 边沿检测552

14.3.3.5 直线提取552

14.3.3.6 三角形支架的识别与三边中位线交点的提取553

14.3.3.7 特征点3D重构及目标相对位姿计算554

14.3.4 仿真研究556

14.4 基于双目协作相机的天线背板识别与位姿测量560

14.4.1 基于双目协作相机的测量原理560

14.4.2 基于双目协作相机的测量方法563

14.4.2.1 模拟图像采集563

14.4.2.2 图像处理564

14.4.2.3 矩形各边的确定565

14.4.2.4 矩形顶点位置的解算567

14.4.2.5 位姿估计567

14.4.3 仿真研究570

14.5 基于立体视觉的GEO非合作目标的识别与位姿测量573

14.5.1 立体视觉系统及位姿测量算法573

14.5.1.1 立体视觉系统573

14.5.1.2 位姿测量算法575

14.5.2 仿真研究580

14.5.2.1 GEO在轨服务系统组成580

14.5.2.2 非合作目标位置测量算法的验证583

14.5.2.3 最终接近段的全过程仿真586

14.6 小结588

参考文献588

第15章 空间机器人系统的协调控制591

15.1 引言591

15.2 不同操作任务的控制策略分析592

15.2.1 非捕获任务的控制策略592

15.2.2 漂浮目标捕获任务的控制策略593

15.2.3 具有协调控制功能的星载硬件系统设计594

15.3 基于前馈补偿的协调控制599

15.3.1 空间机器人系统协调控制原理599

15.3.1.1 自由漂浮情况下机械臂运动对基座的扰动分析599

15.3.1.2 常规姿态控制下机械臂运动产生的扰动分析600

15.3.1.3 基于干扰力矩前馈补偿的协调控制601

15.3.1.4 基于角动量前馈补偿的协调控制602

15.3.2 机械臂运动产生的干扰角动量的实时估计602

15.3.2.1 空间机器人系统角动量的计算公式603

15.3.2.2 实时估计的近似计算公式604

15.3.2.3 角动量实时估计举例606

15.3.2.4 负载平移或转动产生的角动量比较607

15.3.2.5 不同程度补偿的影响分析608

15.3.3 空间机器人系统协调控制律设计609

15.3.3.1 基于反作用飞轮的协调控制律610

15.3.3.2 基于喷气推进器的协调控制实现612

15.4 空间机器人系统的协调规划与控制615

15.4.1 运动目标自主交会与捕获的协调规划与控制问题615

15.4.2 运动目标最优交会与捕获的协调规划与控制方法617

15.4.2.1 基本思想与算法流程617

15.4.2.2 基座最优交会姿态的确定620

15.4.2.3 机械臂最佳捕获臂型的确定621

15.4.2.4 基座姿态及机械臂关节角轨迹的规划622

15.4.2.5 空间机器人系统的协调控制624

15.4.3 仿真研究625

15.4.3.1 仿真模型的建立625

15.4.3.2 直线运动目标的自主交会与捕获仿真626

15.4.3.3 曲线运动目标的自主交会与捕获仿真627

15.5 小结628

附录15 A几何法求解2DOF机械臂关节角629

参考文献629

第16章 空间机器人数学仿真与地面验证系统632

16.1 引言632

16.2 空间机器人全数学建模与仿真系统633

16.2.1 基于Adams的空间机器人动力学建模633

16.2.2 利用MATLAB/Simulink建立的动力学仿真平台636

16.2.2.1 开发基于标准C语言的动力学计算函数637

16.2.2.2 将C语言动力学计算函数封装为S函数640

16.2.2.3 基于Simulink的空间机器人系统闭环仿真642

16.2.3 空间机器人视觉、动力学及GNC一体化仿真平台643

16.2.3.1 系统组成643

16.2.3.2 3D几何模型生成645

16.2.3.3 双目相机成像模型647

16.2.3.4 图像处理与位姿测量649

16.2.3.5 空间机器人路径规划与控制649

16.2.3.6 空间机器人系统及目标星的动力学建模649

16.2.3.7 立体相机标定649

16.3 空间机器人半物理仿真试验系统651

16.3.1 系统功能与组成651

16.3.1.1 真实相机652

16.3.1.2 投影设备652

16.3.1.3 图像生成计算机652

16.3.1.4 视觉伺服控制仿真计算机652

16.3.2 半物理仿真实验系统的实现原理652

16.3.2.1 相机成像模型652

16.3.2.2 半物理仿真系统的投影等效原理653

16.3.2.3 等效投影模型的标定656

16.3.3 基于半物理仿真实验系统的仿真实验研究657

16.3.3.1 等效投影模型的标定结果658

16.3.3.2 空间机器人目标捕获的半物理仿真658

16.4 空间机器人微重力模拟实验方法及系统659

16.4.1 基于自由落体运动的微重力模拟实验系统659

16.4.2 基于抛物线飞行的微重力模拟实验系统660

16.4.3 平面气浮式实验系统661

16.4.4 水浮实验系统662

16.4.5 吊丝配重实验系统662

16.4.6 硬件在环内仿真实验系统663

16.5 空间机器人目标捕获地面实验系统664

16.5.1 动力学模拟与运动学等效664

16.5.2 位置级的运动学等效666

16.5.2.1 模式Ⅰ的位置级运动学等效666

16.5.2.2 模式Ⅱ的位置级运动学等效667

16.5.3 速度级的运动学等效668

16.5.3.1 模式Ⅰ的速度级运动学等效668

16.5.3.2 模式Ⅱ的速度级运动学等效668

16.5.4 实现思想的数学仿真670

16.5.4.1 仿真的初始条件670

16.5.4.2 模式Ⅰ的仿真671

16.5.4.3 模式Ⅱ的仿真672

16.5.4.4 两种模式的分析和比较672

16.5.5 空间机器人地面实验系统的建立673

16.5.5.1 两套工业机器人674

16.5.5.2 手眼视觉测量系统674

16.5.5.3 三维实时仿真系统674

16.5.5.4 目标星模拟器674

16.5.5.5 全局视觉系统674

16.6 小结675

参考文献676