【摘 要】
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太空探索对国家安全防护与国民经济发展具有非常重要的现实意义。太空探索过程中,已经有大量的航天器被发射到浩瀚宇宙,这些航天器被广泛应用在科学研究、军事竞争、资源探索、数据通信、生产生活等多个领域。其中,人造地球卫星因为其种类繁多,作用广泛,成本相对较低,使用寿命长的特点,逐渐成为各国争夺太空资源的重要手段。各国在大力发展自身空间技术的同时,都在积极开展反卫星技术研究。目前已有多国进行了针对非合作卫星
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太空探索对国家安全防护与国民经济发展具有非常重要的现实意义。太空探索过程中,已经有大量的航天器被发射到浩瀚宇宙,这些航天器被广泛应用在科学研究、军事竞争、资源探索、数据通信、生产生活等多个领域。其中,人造地球卫星因为其种类繁多,作用广泛,成本相对较低,使用寿命长的特点,逐渐成为各国争夺太空资源的重要手段。各国在大力发展自身空间技术的同时,都在积极开展反卫星技术研究。目前已有多国进行了针对非合作卫星展开攻击使其失效的反卫星技术实验。然而,相较于直接摧毁或破坏目标卫星的传统的反卫星技术,利用空间机器人在轨捕获目标卫星更具军事价值,对国防安全具有重要作用。因此,针对空间机器人和目标卫星的追逃特性以及利用冗余机械臂实现对目标卫星的抓捕任务,开展面向逃逸卫星捕获的空间机器人博弈追捕策略研究具有至关重要的理论价值和现实意义。本文针对逃逸卫星的在轨捕获任务,以空间机器人及逃逸卫星为研究对象,开展面向逃逸卫星捕获的空间机器人博弈追捕策略研究。具体包括:卫星博弈追逃模型的建立与求解、面向卫星捕获的机械臂构型优选及调整、臂杆运动受环境限制情况下的机械臂捕获控制以及卫星博弈追捕策略仿真实验。在轨捕获逃逸卫星的过程可分为三个步骤:空间追逃、机械臂构型调整和机械臂捕获控制。首先,空间机器人和逃逸卫星在太空中的追逃过程具有典型的博弈特性,属于博弈追逃问题。为此,本文考虑空间机器人和逃逸卫星追逃过程的博弈特性,对其进行数学描述,将追逃问题转化为数学问题;结合博弈的局中人、策略集、以及支付函数三个基本要素,建立一对一微分博弈追逃模型;设计微分博弈求解方法,利用时间离散方式将固定时间的微分博弈转化为短周期迭代博弈,求解双方微分博弈追逃模型,获得空间机器人与逃逸卫星追逃过程中的最优运动策略,实现空间机器人对逃逸卫星的逼近,为后续研究利用机械臂捕获逃逸卫星提供基础。其次,在利用冗余机械臂捕获逃逸卫星前,需要根据目标位姿调整机械臂的姿态。而且由于冗余机械臂针对同一捕获目标可能有无数种可选构型,需要根据任务场景对机械臂的捕获构型进行选择。因此,结合逃逸卫星的复杂捕获场景,本文提出了一种以构型调整过程平均可操作度最优为目标的机械臂构型优选及调整策略。采用哈希映射法将利用运动学模型求解的机械臂末端可达位姿与构型集合建立映射关系。利用带抛物线过渡的梯形速度轨迹规划方法,生成机械臂由初始构型向操作构型调整的构型序列。利用设计的以构型调整过程中平均可操作度最优为优选目标的操作构型优选策略,选择机械臂捕获逃逸卫星的操作构型。再次,利用冗余机械臂捕获逃逸卫星时,捕获环境可能较为复杂,为提高捕获时机械臂对环境的适应能力以及安全性,本文研究了臂杆运动受环境限制时,面向逃逸卫星捕获任务的机械臂末端控制策略。针对冗余机械臂建立动力学模型,采用力/位混合控制方法,设计了末端力/位混合控制律,实现对机械臂末端的控制。在此基础上,利用冗余机械臂的零空间自运动特性,设计臂杆与环境的接触力控制方程,将其与末端力/位混合控制方程耦合,实现在臂杆受环境限制情况下的臂杆接触力与末端力/位的同时控制,为复杂环境下利用机械臂捕获逃逸卫星提供可能。最后,开发博弈追捕策略仿真验证平台,设计卫星博弈追捕策略验证实验,模拟利用空间机器人在轨追捕逃逸卫星的全过程。通过记录和分析实验数据,验证了本文设计的面向逃逸卫星捕获的空间机器人博弈追捕策略在利用空间机器人在轨捕获逃逸卫星任务中的可用性。
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