基于变焦距视觉导引的空间机械臂在线运动规划方法与实验研究

太空装配、捕获太空垃圾等将是未来空间机械臂的重要空间任务，这类任务中目标运动范围大且运动未知，因此需要解决空间机械臂在大空域内的精确测量和在线运动规划问题，从而实现对目标的精确捕获。由于空间载体在太空自由漂浮状态下的位置和姿态会随着机械臂的运动而变化，使得机械臂的运动要求具有时变性。因此，开展空间机械臂的在线运动规划研究便成为智能与自主机器人领域中的一项具有科学意义的研究内容。本申请研究的主要内容有：1)变焦距摄像机标定方法研究。提出一种基于内参数数学模型和地面标定实验的离线标定方法，以满足在大空域范围内实现对目标精确测量的需要。2）针对非合作目标的机械臂在线运动规划研究。研究基于变焦距机器视觉系统导引信息的在线避奇异运动规划算法和规划策略，解决运动目标轨迹未知和机械臂有执行偏差情况下的高精度捕获。3）实验研究。在气悬浮微重力平台上，开展两自由度空间机械臂的在线规划策略和算法的实验验证。

随着空间技术的不断发展，空间机械臂的应用越来越多，同时对其要求也越来越高。因此，需要发展高度自主化的空间机械臂用于自动完成复杂的空间任务。空间机械臂的有效在线规划与导引是完成复杂空间任务的保证，具有重要的科学意义和实用价值。本研究主要包含以下几部分的研究内容：(1)变焦距摄像机实时标定技术研究；(2)高精度特征提取与跟踪技术研究；(3)基于导引信息的在线运动规划技术研究；(4)基于导引信息的运动规划策略研究。.在变焦距摄像机模型研究方面，本研究提出了一种基于变焦距视觉系统的空间机械臂目标捕获位姿测量模型。在厚透镜模型的基础上，建立了空间变焦坐标测量模型和位姿解算模型。仿真实验表明，像点标准差、最大角度误差及最大位移误差在空间任务误差允许范围内。本研究中所建立的模型将对空间目标的测量技术起到一定参考及借鉴作用。.在变焦距摄像机实时标定技术研究方面，本研究提出了一种基于星图的变焦距视觉系统内参数标定方法。通过将厚透镜模型应用于变焦相机的标定，确定相机动坐标系与基坐标系之间的关系，从而完成了任意焦距下变焦镜头的内参数标定。实验结果表明，其焦距标定精度优于0.1mm。本研究所采用的实时标定方法在空间变焦摄像机的在轨标定方面具有一定实用价值。.在高精度特征提取与跟踪技术研究方面，本研究提出了一种基于空间机械臂标志器成像波门的预测方法。利用标志器运动的动态信息对成像范围进行了较好的预测，通过预测成像波门使标志器较好地成像在波门内，并实现了标志器的跟踪。通过此方法，仅需在预测波门内直接利用亚像素定位算法就可以实现特征点的提取，减小了图像处理的复杂性。实验结果表明该方法能够获得比传统方法更好的波门设置精度，提高了空间任务的工作效率。.在基于导引信息的在线运动规划技术及策略研究方面，本研究提出了一种基于变焦距相机导引的空间机械臂运动规划及闭环关节控制方法。该方法在气浮零重力实验平台的支持下，针对空间机械臂各个关节及末端位置的角度最大限问题，通过对变焦距视觉测量定位，建立了基于机械臂环境的特征地图，解决了机械臂与基座和目标的碰撞预判问题。空间机械臂轨迹规划算法的地面实验结果表明，此方法可提高关节输出端的位置控制精度，具有较高的鲁棒性。