空间机器人捕获动力学与控制

本书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。本书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。本书可供从事空间机器人技术研究的学者和工程技术人员阅读与使用，对于从事航天器动力学研究的学者也具有借鉴作用。

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
3.2.1PointNet算法和PointNet++算法53
3.2.2SPLATNet算法55
3.2.3SO-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
4.2.2LSD-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
5.3.1UKF107
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
6.4.2ASM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
6.7.5MonteCarlo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
7.3Melnikov方法的应用181
7.3.1无扰系统的相空间181
7.3.2Melnikov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
7.4.3Melnikov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1193
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
8.3.2Hertz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2210
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1264
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2289
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1322
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
14.3.2MOPSO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2354
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
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