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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SRMS 14

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EMR 24

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BCVM 303

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