空间机器人非合作目标自主识别与捕获方法技术

空间机器人非合作目标自主识别与捕获方法包括基于立体视觉的位姿测量１、空间机器人目标捕获自主路径规划２、空间机器人系统协调控制３等主要步骤。基于立体视觉的位姿测量１对左、右相机图像进行实时处理，包括平滑滤波、边沿检测、直线提取等，计算非合作目标星相对于基座和末端的位姿；空间机器人目标捕获自主路径规划２，根据位姿测量结果，实时规划各关节的运动轨迹；空间机器人系统协调控制３则将机械臂的控制与基座的控制协调进行，实现整个系统的最佳控制性能。该方法不要求目标星上安装标志器或角反射镜，也无需知道目标的几何尺寸，而是直接以航天器自身的部件作为识别和捕获的对象，所规划的路径能有效回避动力学与运动学奇异点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，属于空间机器人在轨服务

技术介绍
随着技术的进步，人类的活动在不断地向太空扩展。据统计，全球平均每年发射 80-130颗卫星，然而有2-3颗卫星未能正确入轨，而正确入轨的卫星中，又有5-10颗在 寿命初期(入轨后前30天)即失效，其中，机械故障导致的卫星失效占了相当大的比例 (Tafazoli M.A study of on_orbit spacecraft failures. ActaAstronautica. 2009， 64:195-205)。典型的例子如我国的鑫诺二号卫星，于2006年IO月29日发射升空后，卫 星虽然成功定轨，且卫星的测控、姿轨控等分系统均处于良好的状态，然而，由于太阳帆板 二次展开和天线展开未能完成，卫星无法正常工作，虽然科研人员采用多种方法进行营救， 仍然未能恢复其功能，这颗耗资20亿人民币、设计寿命为15年的卫星随即成了一颗废星。 对于那些完全失效或由于任务结束被放弃的卫星，停留在太空将成为太空垃圾，不但占用 了宝贵的轨道资源，还可能危机其它航天器的安全。为了尽可能挽回损失或净化轨道环境， 各国正在研究以空间机器人为手段，以卫星维修、生命延长及太空垃圾清除为目的的在轨 服务技术(崔乃刚，王平，郭继峰，等.空间在轨服务技术发展综述.宇航学报.2007， 28(4) :33-39.)。 对于大多数已在轨服务的航天器和空间碎片，有三个特点1)没有安装用于机械 臂捕获的抓持机构(手柄)以及用于辅助测量的合作标志器和特征块等；2)目标星运动状 态未知，可能为三轴稳定、自旋稳定甚至是失控状态下的翻滚等；3)目标星与追踪星之间 没有直接的信息交流。此类目标称为非合作目标。为了将空间机器人更好地用于在轨服 务，必须解决对非合作目标的自主识别与抓捕的关键问题。同时，在空间对抗中，为了监视、 破坏、"俘虏"敌方卫星，也需要解决非合作目标的自主识别与捕获问题。非合作目标的识 别与捕获是一个世界性难题，已经引起了国内外研究者的重视。文献(张世杰，曹喜滨，闽 陈.非合作航天器间相对位姿的单目视觉确定算法.南京理工大学学报.2006,30(5): 564-568)提出了一种不采用合作光标情况下的位姿测量方法，但假设被识别目标的形状 及几何尺寸已知。欧空局设计了地球静止轨道恢复器ROGER(Robotic Geostationary Orbit Restorer),使用绳系飞网或飞爪，对轨道上的废弃卫星进行抓捕(D. A. Smith, C. Martin,M. Kassebom，H. Petersen, A. Shaw，B. Skidmore，D. Smith,H. Stokes，A. Willig. "A mission to preserve the geostationary region", Advances in Space Research 34(2004) 1214-1218)，其中对目标的测量使用了包括激光测距、主动视觉等手段。文献 (Thienel J K， Vane印oel J M， Sa皿er R M. Accurate state estimation and tracking of a non_cooperative target vehi-cle. AIAA Guidance, Navigation, andControl Confer-ence，Keystone, C0，United States, AIAA 2006-6802,2006 :5511-5522.)针对哈勃 太空望远镜的服务，提出了一种非线性的方法用于估计航天器的姿态，并进行跟踪控制，但5采用了较多的先验知识。文献(Inaba N，0da M，Asano M. Rescuing a stranded satellite in space-experimental robotic c邻tureof non_cooperative satel 1 ites . Transactions of the Japan Society for Aero—nautical and SpaceSciences. 2006， 48(162) :213-220.)提出了 一种对非合作目标在轨识别与捕获的方法，但假定目标的 外形、尺寸及质量已知。目前DLR正在开展的DEOS项目(Klaus Landzettel， Alin Albu_ Sch姐er， Bernhard Br皿ner， et al. R0KVISS :Verification of Advanced Light Weight Robotic Joints and Tele—Presence Concepts for FutureSpace Missions, ICRA2008, Pasadena, California, USA)，采用了复杂的非合作目标识别算法，但由于受星载 处理器计算能力的限制，该算无法在星上自主完成，而是将采集的图像下传到地面，在地面 操作员的直接参与下，由地面设备进行图像处理并计算目标位姿，再将测量结果上传到星 上，星上控制器控制追踪星对目标进行跟踪、接近等操作。该方法受到传输时延、传输可靠 度的影响较大，时延较大时整个系统将不稳定；而且由于需要操作人员的直接参与，其"自 主"性不高。因此，提出一种，是非常必要和迫 切的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种空间机器人非合作目标自主识 别与捕获方法，主要步骤包括基于立体视觉的图像处理与非合作目标相对位置测量、空间 机器人目标捕获自主路径规划，以及空间机器人系统协调控制，该方法不要求在目标星上 安装用于辅助测量的发光标志器或角反射镜，也无需知道目标的几何尺寸，而是直接以航 天器自身的部件作为识别对象，这些部件可以是帆板支架、天线支架、远地点发动机，也可 以是星箭对接环等。 本专利技术的，包括如下步骤 (1)基于立体视觉的图像处理与非合作目标相对位置测量，根据同步采集到的左、右相机图像，进行实时处理，包括平滑滤波、边沿检测、直线提取、目标特征识别、立体匹配与3D重构。基于重构的结果，最后计算出非合作目标星相对于空间机器人基座和末端的相对位置&和姿态t; (2)空间机器人目标捕获自主路径规划，根据相对位姿测量结果，即相对位置/L和 姿态 ^，实时规划空间机器人各关节的运动轨迹——关节角Od和角速度A，以使机械臂末 端接近并最终捕获目标； (3)空间机器人系统协调控制，将空间机械臂各关节的控制与基座的姿态、轨道控 制协调进行，控制机械臂各关节跟踪期望的位置 d和速度^外，实现整个系统的最佳控制 性能。 所述的基于立体视觉的图像处理与非合作目标相对位置测量，包括以下步骤 (1)图像滤波分别对左右相机图像进行滤波，以消除噪声干扰，得到平滑的左右 相机图像； (2)边沿检测对两幅图像分别进行边沿检测，得到边沿特征信息； (3)直线提取对进行边沿检测后的图像进行直线提取，得到包含三角形支架各直线在内的各条直线信息；6 (4)非合作目标卫星三角支架的识别从提取后的所有直线信息中，识别对应于 三角形帆板支架的六条直线，并利用识本文档来自技高网...

【技术保护点】
空间机器人非合作目标自主识别与捕获方法，其特征在于包括以下步骤：（１）基于立体视觉的图像处理与非合作目标相对位置测量１，根据同步采集到的左、右相机图像，进行实时处理，包括平滑滤波、边沿检测、直线提取、目标特征识别、立体匹配与３Ｄ重构。基于重构的结果，最后计算出非合作目标星相对于空间机器人基座和末端的相对位置＊↓［ｃｔ］和姿态＊↓［ｃｔ］；（２）空间机器人目标捕获自主路径规划２，根据相对位姿测量结果，即相对位置＊↓［ｃｔ］和姿态＊↓［ｃｔ］，实时规划空间机器人各关节的运动轨迹－－关节角Θ↓［ｄ］和角速度＊↓［ｄ］，以使机械臂末端接近并最终捕获目标；（３）空间机器人系统协调控制３，将空间机械臂各关节的控制与基座的姿态、轨道控制协调进行，控制机械臂各关节跟踪期望的位置Θ↓［ｄ］和速度＊↓［ｄ］外，实现整个系统的最佳控制性能。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐文福，齐海萍，梁斌，李成，王学谦，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]