空间机器人捕获动力学与控制

第1章 绪论
　　1.1 研究目的和意义
　　空间技术是当今世界高新技术水平的集中展示，也是衡量一个国家综合国力的重要标志。空间机器人技术是空间技术的典型代表之一，空间机器人因其能代替人类完成空间站的组装与维修、轨道垃圾清理、太空资产维护，以及抓捕、释放、回收卫星等高度复杂的任务，所以对其技术的研究与开发一直是航天科技大国关注的热点。
　　20 世纪 80 年代，由加拿大航天局为美国航天飞机设计的加拿大 1 号臂的投入使用标志着空间机器人正式开始登上了人类探索太空活动的舞台。随后发达国家加大了对空间机器人的研发力度，并且取得了丰富的研究成果，其中*具代表性的有加拿大航天局的 2 号臂、欧洲空间局 (ESA) 的欧洲机械臂和日本宇航局的日本机械臂。同时，发达国家还开展了大量空间机器人太空试验，如德国宇航局进行的空间机器人远距离操作实验、日本实验卫星 VII 号空间机器人实验、美国的轨道快车实验等。上述空间机器人及其试验标志着空间机器人在人类太空活动的应用方面取得了阶段性的成果。
　　伴随着外层空间的开发和利用，人类已经向太空发射了上千颗航天器，使用空间机器人进行在轨服务成为必然选择。同时，人类太空任务越来越复杂和多样，也需要空间机器人来代替宇航员完成各种空间任务。空间机器人的作用主要体现在如下四个方面。
　　(1) 太空垃圾清理。人类目前每年向太空发射 100 颗左右的航天器，其中约有 2％ 的航天器没有进入指定轨道，并且有 8％ 左右的航天器入轨后一个月就失效了。据估计，目前在太空中环绕地球飞行且长度大于 10 cm 的各种太空垃圾数量不少于 21000 件。这些太空垃圾和失效航天器长期占据着宝贵的轨道资源，同时也对正常在轨运行的航天器造成严重威胁。使用空间机器人对太空垃圾和失效航天器进行抓捕，进而将其推高到坟墓轨道或者拉低至大气层销毁，是一条切实可行的重要手段。
　　(2) 在轨维护、燃料添加和空间组装。卫星制造成本昂贵，故障或者燃料耗尽会导致卫星成为废星，造成巨大太空财产损失。空间机器人可以被用来对故障卫星进行维修和添加燃料，使其恢复正常工作。另外，空间结构朝着大型化方向发展，结构部件分批次发射入轨后再在太空进行组装，空间机器人能够代替人类完成在轨组装任务。
　　(3) 失效卫星再利用。由于太阳能帆板故障或者无法正常展开，卫星入轨后将无法正常工作，该问题可以借助空间机器人予以解决，这比重新发射一颗新卫星的成本要低许多。卫星由于燃料耗尽而成为废星时，其上的太阳能帆板等部件或元器件仍可以正常使用，可以使用空间机器人对失效卫星进行再组装，从而可以大大节约成本。
　　(4) 空间军事攻防。空间是现代战争的制高点，空间技术直接决定着现代战争的胜负。利用空间机器人技术来提升空间攻防能力是现代战争的焦点之一。由以上可以看出，空间机器人在航天器的在轨服务中起着非常关键的作用，开展空间机器人动力学与控制问题的研究具有重要意义。
　　1.2 发展历程和研究动态
　　历史上第一个空间机器人是 20 世纪 70 年代加拿大为美国的航天飞机研制的 [1，2]，并于 1981 年上天服务，它是一个 6 自由度 15 m 长的机械臂，俗称 “加拿大臂”(Canadarm)，它负责从美国的航天飞机上装卸载荷、抓捕漂浮载荷、检测航天飞机的隔热外层以及为宇航员提供活动平台等工作。直至 2011 年随航天飞机的退休而停止工作，五条相同的机械臂在天上共完成了 34 项不同的任务，包括协助宇航员维修哈勃望远镜等。20 世纪 90 年代，加拿大又研发了两个空间机器人 [1，3，4]，一个是长度 17.6 m 的加拿大 2 号臂 (又称 SSRMS 或 Canadarm2)，主要用于组装国际空间站；另一个是加拿大灵巧臂 (又称 SPDM 或 DEXTRE)，用于维修空间站。与之前的加拿大臂相比，这两个新机器人都有冗余自由度，可以优化任务轨迹。日本研发的长 9.9 m 的 6 自由度空间站机械臂 JEMRM，在2008 年运送到国际空间站，其主要工作是帮助照料空间站舱外的科学实验 [5]。欧洲空间局也研发了一个 11 m 长 7 自由度的空间站机械臂 (ERA)，但由于多种原因，该机械臂直到 2017 年才进入国际空间站，将用于空间站的辅助维护工作 [1]。美国国防高级研究计划局 (Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA) 于 2007 年在 “轨道快车计划”(Orbital Express) 中，演示了一个 6 自由度 3 m 长的机械臂在轨抓捕一颗漂浮卫星并对该卫星进行加注燃料、更换部件和维修等典型的在轨服务操作 [6]。美国随后又在 “凤凰计划”(Pheonix)[7] 等几个项目中继续研发在轨服务机械人技术，旨在在轨维修故障卫星和从报废的卫星上回收零部件进行再利用。同时，美国还正在研究小卫星的抓捕与变轨技术，他们认为，未来小卫星很可能会撞击地球，因此需要研究追踪与抓捕小卫星的方法以及改变小卫星运行轨迹的路径。我国的空间站机械臂长 10.2 m，有 7 个自由度，主要用于抓捕飞船和组装空间站的工作，已于 2021 年发射上天。我国空间机器人研究起步较晚，第一个在轨工作的机械臂是在 2014 年上天的，比发达国家晚了30 多年。
　　在轨服务任务中，被捕获的目标航天器可分为两类 [8]：合作目标、非合作目标。合作目标具有合作性，可向服务航天器传递相对运动信息，或便于进行交会对接等操作的条件。这类航天器通常安装有用于测量的特征和机械臂抓持或对接的装置。相对而言，非合作目标是指那些无法向服务航天器提供相对状态信息而且交互对接所需信息都未知的航天器。美国科学院空间研究委员会 (SSB)、航空与空间工程局 (ASEB) 在哈勃望远镜修复计划的评估报告中曾这样定义过非合作目标 [9]：“非合作目标是指那些没有安装通信应答机或其他主动传感器的空间目标，其他航天器不能通过电子讯问或发射信号等方式实现对此类目标的识别或定位”。非合作目标不能向服务航天器提供有效的信息，这就给交互测量、机械臂抓捕和对接等操作带来了极大的挑战。如何在没有合作信息的情况下对目标进行识别、测量和抓捕便成为非合作在轨服务的一项关键技术，同时也是任务中面临的难点技术 [8，10]。至今为止，人类已经开展了一些在轨捕获任务，例如，1984年 4 月美国首次以航天飞机为在轨平台和在有宇航员参与的情况下，利用空间机械臂成功捕获回收了故障状态的 “太阳峰年” 卫星，这标志着在轨捕获技术首次应用到在轨服务领域 [10]；1990 年航天飞机又成功地捕获并回收了 “长期暴露装置”；1992 年 5 月再次以航天飞机为任务平台，通过空间机械臂系统成功地捕获故障 Intelsat-6 国际通信卫星，并在为其安装远地点发动机后重新将其放入轨道。此外，美国国家航空航天局 (NASA) 还以航天飞机为平台对哈勃望远镜进行了 5 次在轨捕获修复任务 [8，11]。日本宇航局 (NASDA) 的 ETS-VII 卫星于 1997 年 11 月发射入轨，首次完成了无人情况下的自主在轨目标捕获，它验证了与自主在轨捕获相关的无人自主交会、在轨视觉伺服、机械臂控制、大延时下的遥操作等多项关键技术 [8，12]。2007 年 3 月发射上天的美国 “轨道快车” 卫星是美国以太空防御为目的而开发的一种具有在轨捕获能力的空间自主机器人系统，具有强烈的军事背景，特别是其在轨目标捕获的能力使美国在战时具备俘获敌方卫星的能力，它不但具备 “太空虏星” 的在轨捕获功能，同时也具备在轨维修、在轨加注等多项功能。“轨道快车” 系统在验证在轨捕获技术过程中取得了许多新的技术突破，其中包括首次使用具有闭环视觉伺服系统和自动故障恢复功能的机械臂全自主地捕获自由漂浮目标，首次在捕获过程当中使用了基于被动探测系统的全自主导航与制导技术等 [8，13]。值得说明的是，人类迄今为止已经成功开展的在轨服务案例大都是针对合作目标的空间任务，即目标航天器经过了特殊设计以配合完成在轨服务任务，尚没有捕获非合作翻滚目标的成功案例报道 [8]。目前，各国实际在轨运行的航天器和在研型号，并没有专门设计用于接受在轨服务的抓捕手柄和测量标识器 (发光标识器或角反射镜)，即是非合作的，因此基于合作目标的在轨服务技术无法用于此类目标。在轨抓捕技术是航天高新技术领域中的一项极具前瞻性和挑战性的课题，同时也具有极高的军民两用双重价值。美国国家航空航天局、欧洲空间局以及日本宇航局等航天科研机构都对该技术表现出了高度关注，国内哈尔滨工业大学 [14-18]、清华大学 [19-23]、上海交通大学 [24-29]、北京理工大学 [30-32]、南京航空航天大学 [33-36]、西北工业大学 [37-40]、北京邮电大学 [41-45]、福州大学 [46-50]、中国空间技术研究院等也对相关技术进行了长期研究。
　　目前空间目标的抓捕方式有机械臂、绳系和微小卫星抓捕等。抓捕过程可以分为抓捕前、抓捕中和抓捕后。在文献 [1]， [8]， [10]， [51]， [52] 中，作者对空间机器人的相关技术和研究进展情况进行了综述，尤其是文献 [51]，详细总结了以上三个抓捕阶段目前的研究进展情况。抓捕前的主要任务通常是采用视觉等非接触方式确定被抓捕目标的几何外形、运动参数、惯量、质心和到抓捕点的距离等参数，以便确定合适的抓捕位置，规划空间机器人作业过程的路径和轨迹。抓捕中的核心问题是工作航天器和目标航天器间的接触碰撞，特别是动力学和控制问题。该过程冲击载荷大、作用时间短、存在碰撞后再次分离的可能，是复杂的非线性动力学问题。抓捕后的主要问题是系统的稳定控制。采用绳系和微小卫星抓捕的问题在此不再赘述，可以参见文献 [8]， [10]， [51]， [52]。
　　目前，针对空间机器人抓捕合作目标的研究已经取得一些研究成果，但对非合作目标抓捕尚有许多科学问题有待进行探索。由于非合作目标不能提供有效信息来辅助空间机器人完成抓捕任务，因此有效获取非合作目标的运动参数、几何外形以及减慢目标的转动速度等是保证完成在轨抓捕的必要前提。随着现代计算机视觉技术的发展，通过视觉传感器可以实现对非合作目标的 3 维结构重建，以及对目标的运动分析已成为可能。目前，比较成熟的基于视觉 3 维重建技术的方案有两种 [53-55]：基于视觉里程计 (VO)/视觉实时定位与地图构建 (VSLAM) 的双目方案和单目 RGB-D 方案。这两种方案都能在光照条件比较理想的情况下完成对观测物体的 3 维重建，但考虑到太空环境中复杂的光照条件以及航天器表面附有具有反光特点的防护膜，上述 3 维重建方案尚不具备直接应用于太空环境的条件。另外，由于空间非合作目标并不能配合空间机器人对其表面信息进行获取，所以空间机器人需要具有主动获取非合作目标表面信息的能力，即根据当前观测数据规划下一步空间机器人运动轨迹以及快速实现在轨位置姿态机动控制的能力。由此可见，将视觉技术应用于在轨服务尚有许多科学问题有待解决。太空环境中，以失效航天器及其碎片为代表的非合作目标在结构外形上具有非常大的差异，仅通过人类经验设计具有通用性的抓取策略是有很大难度的。近年来，以深度学习和强化学习为代表的人工智能算法的不断成熟为抓捕非合作目标策略设计提供了新的可能。到目前为止，该类算法已经在图像分析、语音识别、自然语言处理、视频分类、视频游戏、棋牌类游戏、物理系统的导航与控制、用户交互算法等领域取得了令人瞩目的成就 [56，57]。在机器人领域，美国 Berkeley 大学的 Mahler等 [58] 基于深度学习技术开发的机器人智能抓取系统在多种零部件抓取任务的成功率已经超过了基于人类设定规则所设计的抓取系统。该系统相对于传统的抓取系统，*大的区别是零部件的抓取位置是通过一个经过训练的深度学习网络获得的。美国 Berke

《空间机器人捕获动力学与控制》以空间机器人抓捕空间非合作目标为对象，详细介绍了抓捕前、抓捕中、抓捕后的相关理论与方法，内容包括：抓捕前的非合作目标的智能识别、运动观测、运动预测、近距离交会、姿态演化、主动消旋等，抓捕中的空间机器人无扰路径规划控制技术及几种抓捕策略，抓捕后的非合作目标惯性参数辨识技术、卫星组合体消旋及姿态快速稳定控制技术。另外还详细介绍了空间机器人关节柔性及摩擦建模、容错控制、追逃博弈等。《空间机器人捕获动力学与控制》内容是作者多年来在空间机器人技术方面的研究成果汇总，具有系统性和新颖性。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究目的和意义 1
1.2 发展历程和研究动态 2
1.3 典型的空间机器人研究计划 5
1.3.1 美国空间机器人计划 5
1.3.2 加拿大空间机器人计划 9
1.3.3 欧洲空间机器人计划 10
1.3.4 日本空间机器人计划 12
1.3.5 我国空间机器人计划 15
1.4 本书主要内容 15
参考文献 17
第2章 空间机器人动力学建模 25
2.1 引言 25
2.2 空间机器人系统描述 26
2.3 单体动力学方程 28
2.4 系统运动学方程 31
2.5 系统动力学方程 36
2.6 数值仿真 37
2.6.1 刚性空间机器人 37
2.6.2 柔性空间机器人 40
2.7 本章小结 45
参考文献 46
第3章 基于点云技术的空间非合作目标智能识别 51
3.1 引言 51
3.2 点云分割识别算法比较 53
3.2.1 PointNet 算法和 PointNet++ 算法 53
3.2.2 SPLATNet 算法 55
3.2.3 SO-Net 算法 56
3.2.4 算法比较 57
3.3 点云数据集的构建 58
3.3.1 卫星完整点云数据集的构建 60
3.3.2 卫星非完整点云数据集的构建 62
3.4 各点云算法的性能分析 64
3.4.1 分割准确率 64
3.4.2 分割实际效果 65
3.5 本章小结 67
参考文献 67
第4章 空间非合作目标运动观测技术 70
4.1 引言 70
4.2 基于灰度图像的运动观测技术 72
4.2.1 直接法的基本原理 72
4.2.2 LSD-SLAM 方法的基本原理 75
4.2.3 数值仿真 77
4.3 基于深度图像的运动观测技术 84
4.3.1 坐标系的定义和相对位姿参数 84
4.3.2 位姿估计方案 86
4.3.3 数值仿真 90
4.4 本章小结 98
参考文献 98
第5章 空间非合作目标运动预测技术 101
5.1 引言 101
5.2 运动预测的基本假设及基本理论 105
5.2.1 目标卫星的质心运动方程 105
5.2.2 目标卫星的姿态运动方程 106
5.3 动力学参数的估计 107
5.3.1 UKF 107
5.3.2 观测数据中噪声标准差的估计方法 111
5.3.3 *优化方法提高 xrot 和 xtran 的估计精度 112
5.4 数值仿真 113
5.4.1 收敛准则 114
5.4.2 仿真结果 118
5.5 本章小结 123
参考文献 123
第6章 空间非合作目标近距离交会技术 127
6.1 引言 127
6.2 动力学模型 133
6.2.1 质心运动微分方程 133
6.2.2 姿态运动微分方程 134
6.3 非奇异终端滑模控制器的设计 135
6.4 基于非线性干扰观测器的自适应滑模控制方法 138
6.4.1 自适应滑模控制方法 138
6.4.2 ASM 位姿运动跟踪控制器 140
6.4.3 对 ASM 控制器的改良 141
6.5 期望位姿运动的规划 142
6.5.1 期望质心运动的规划 142
6.5.2 期望姿态运动的规划 145
6.6 改进的运动规划 147
6.6.1 临界阻尼弹簧振子的自由运动规律 147
6.6.2 改进后期望质心运动的规划 149
6.6.3 改进后期望姿态运动的规划 150
6.7 数值仿真 150
6.7.1 不受控翻滚目标的情形 152
6.7.2 受控翻滚目标的情形 158
6.7.3 改进后的运动规划方法 161
6.7.4 对三种位姿跟踪控制算法的比较 162
6.7.5 Monte Carlo 仿真 167
6.8 本章小结 171
参考文献 171
第7章 空间大质量非合作目标姿态演化机理 176
7.1 引言 176
7.2 航天器的运动方程及无量纲化 176
7.2.1 模型描述 177
7.2.2 航天器的运动方程 178
7.2.3 运动方程的无量纲化 179
7.3 Melnikov 方法的应用 181
7.3.1 无扰系统的相空间 181
7.3.2 Melnikov 判据 182
7.4 数值仿真 184
7.4.1 航天器系统的演化轨迹类型 184
7.4.2 参数子空间中 Melnikov 判据分析 186
7.4.3 Melnikov 方程的解析和数值结果比较 189
7.5 本章小结 190
参考文献 191
第8章 空间大质量非合作目标抓捕前主动消旋策略 1 193
8.1 引言 193
8.2 消旋系统的动力学建模 194
8.2.1 模型描述 194
8.2.2 能量耗散航天器的姿态演化 196
8.2.3 消旋系统的动力学模型 198
8.3 消旋系统的接触模型 200
8.3.1 接触检测 200
8.3.2 Hertz 接触理论 202
8.4 数值仿真 203
8.4.1 空间目标的姿态演化仿真 203
8.4.2 空间目标的消旋仿真 206
8.4.3 不同运动参数对消旋效果的影响 206
8.5 本章小结 208
参考文献 208
第9章 空间大质量非合作目标抓捕前主动消旋策略 2 210
9.1 引言 210
9.2 对心接触保持控制器 211
9.3 消旋操作接触保持控制策略 214
9.4 数值仿真 216
9.4.1 过阻尼控制方法有效性评估 217
9.4.2 消旋操作接触保持策略有效性评估 218
9.4.3 控制阻尼对控制性能的影响 228
9.5 本章小结 230
参考文献 230
第10章 空间机器人无扰路径规划控制技术 235
10.1 引言 235
10.2 双臂空间机器人的结构描述 236
10.3 双臂空间机器人的动力学建模 237
10.3.1 动力学方程 237
10.3.2 逆运动学问题 238
10.3.3 正–逆混合动力学方程 240
10.3.4 相对姿态的描述方法 242
10.4 基座姿态无扰的路径规划与控制 243
10.4.1 无扰路径规划问题描述 244
10.4.2 粒子群优化方法 246
10.4.3 跟踪控制器设计 247
10.4.4 双臂非同步启动时的问题描述 247
10.5 数值仿真 248
10.5.1 工况 1：对称初始构型且同步启动 249
10.5.2 工况 2：非对称初始构型且同步启动 252
10.5.3 工况 3：对称初始构型且不同步启动 256
10.5.4 工况 4：非对称初始构型且不同步启动 259
10.6 本章小结 262
参考文献 262
第11章 空间非合作目标抓捕策略 1 264
11.1 引言 264
11.2 空间机器人描述 265
11.2.1 刚性空间机器人 265
11.2.2 柔性空间机器人 266
11.2.3 系统动力学方程 266
11.3 碰撞检测 267
11.3.1 圆柱与立方体 267
11.3.2 圆柱与圆柱 268
11.4 数值仿真 270
11.4.1 刚性空间机器人抓捕 270
11.4.2 柔性空间机器人抓捕 279
11.5 本章小结 287
参考文献 287
第12章 空间非合作目标抓捕策略 2 289
12.1 引言 289
12.2 弹簧阻尼器对对心碰撞的影响 291
12.3 抓捕控制策略 295
12.4 数值仿真 299
12.5 本章小结 304
参考文献 304
第13章 空间非合作目标惯性参数辨识技术 309
13.1 引言 309
13.2 动力学模型 310
13.3 粗估计 311
13.4 精估计 314
13.5 数值仿真 315
13.5.1 粗估计 315
13.5.2 精估计 318
13.6 本章小结 320
参考文献 320
第14章 空间非合作目标抓捕后阶段主动消旋策略 1 322
14.1 引言 322
14.2 动力学建模 323
14.2.1 模型描述 323
14.2.2 空间机器人和非合作目标的动力学模型 325
14.2.3 组合系统的动力学方程 326
14.3 消旋轨迹优化 329
14.3.1 非合作目标的消旋轨迹参数化 329
14.3.2 MOPSO 算法 332
14.4 协同控制 335
14.4.1 组合系统动力学方程的变换 335
14.4.2 协调控制器设计 337
14.5 数值仿真 339
14.5.1 组合系统的动力学参数和初始状态 339
14.5.2 基于 MOPSO 算法的消旋轨迹优化 342
14.5.3 协同控制仿真 346
14.6 本章小结 351
参考文献 352
第15章 空间非合作目标抓捕后阶段主动消旋策略 2 354
15.1 引言 354
15.2 动力学建模与轨迹规划 355
15.3 复合控制 358
15.3.1 轨迹追踪控制器 358
15.3.2 振动抑制控制器 359
15.4 数值仿真 361
15.4.1 组合系统的参数设置和轨迹规划 361
15.4.2 不考虑参数估计误差的消旋方案验证 363
15.4.3 考虑参数估计误差的消旋方案验证 367
15.5 本章小结 371
参考文献 371
第16章 空间机器人关节柔性和关节摩擦建模问题 375
16.1 引言 375
16.2 关节柔性 376
16.2.1 考虑柔性的关节建模 376
16.2.2 关节柔性对系统动力学方程的贡献 378
16.3 关节摩擦 379
16.3.1 关节摩擦模型 379
16.3.2 关节摩擦对系统动力学方程的贡献 382
16.4 系统动力学方程 387
16.5 数值仿真 389
16.5.1 刚性臂空间机器人 389
16.5.2 柔性臂空间机器人 396
16.6 本章小结 408
参考文献 408
第17章 空间机器人容错控制问题 410