自由漂浮空间机器人无逆运动学基于采样的运动规划

张红文, 朱战霞, 袁建平

(1.西北工业大学 航天学院, 陕西 西安 710072; 2.航天飞行动力学技术国家级重点实验室, 陕西 西安 710072)

FFSR具备节省燃料,延长系统寿命等优点,被广泛用于在轨服务。FFSR构型参数中,关节角和基座姿态间存在一阶导关系,需直接考虑微分约束进行运动规划。

FFSR运动规划方法中,研究较多的包含3类。早期学者研究了系统的操控(steer)问题,即在不考虑障碍物的情况下,生成一系列的动作,让FFSR从初始构型运动到目标构型。如Vafa等基于“虚拟机械臂(virtual manipulator,VM)”[1]的模型,发展了自校正运动法[1]及“扰动图法(disturbance map,DM)”[2]。Nakamura 和Mukherjee[3]基于李雅普诺夫函数设计了双向方法。Fernandes等[4]研究了耦合刚体的运动规划方法，此类方法着眼于利用关节运动操控基座姿态;但未考虑碰撞,不能形成完整的运动规划。第二类方法是基于多项式参数化的方法,即以FFSR的初始关节角和最终关节角为端点,利用带未知系数的多项式对关节轨迹进行参数化,并以最终时刻基座姿态扰动为适应度函数,将规划问题转换为优化问题;利用遗传算法[5]、粒子群算法[6]、微分进化算法[7]等解优化问题,可得最终轨迹。该类方法不易控制轨迹的形状,因此很难考虑碰撞问题;此外,由于适应度函数计算需进行积分,因此效率低下。第三类方法是通过直接法或间接法将运动规划问题转换为非线性优化问题[8-9]。Misra等[10]于2017年基于非线性优化研究了空间机器人考虑任务约束的运动规划问题,并将问题构造为一个凸二次规划问题。该类方法求解效率高,但也存在局部最优问题。……