利用基于采样的规划方法解决自主在轨服务航天器复杂模型运动规划问题

本项目以未来空间在轨服务航天任务为背景和应用目标，针对近距离操作服务要求敏捷、精确的运动规律等共性问题，以探索实现自主服务航天器敏捷、精确运动规划的新理论和新方法为主要目的，重点研究描述自主服务航天器敏捷、精确运动规律的基于对偶四元数和显式方程形式的复杂动力学模型；结合空间在轨服务任务背景，建立完善的自主服务航天器运动规划体系框架；基于采样理论提出适合与该模型和规划任务体系的高效率规划方法，通过选取不同的采样方式、简化规划过程和分布式规划等手段提高规划方法的适应性和效率；设计并实现地面仿真实验系统，最后，对项目研究成果进行数学和物理仿真，以验证所提出复杂模型和规划方法的正确性和有效性，并针对仿真验证中发现的问题，对理论研究加以修正。

本项目以未来空间在轨服务航天任务为背景和应用目标，针对近距离操作服务要求敏捷、精确的运动规律等共性问题，以探索实现自主服务航天器敏捷、精确运动规划的新理论和新方法为主要目的，重点研究研究了服务航天器空间运动所需的模型描述问题，给出了所需的坐标系和各坐标系之间的转换关系，提出了用于分解姿态描述的准本体坐标系的概念，推导了描述自主服务航天器敏捷、精确运动规律的基于对偶四元数和显式方程形式的复杂动力学模型。结合任务背景，建立了自主服务航天器运动规划体系框架。首先给出了空间在轨服务概念和以服务体和服务对象为主要组成部分的空间在轨服务体系，分析了空间在轨服务的主要任务，研究了用于实现服务任务的多种载体及任务实施步骤，最终针对本项目的研究内容与空间在轨服务体系、任务等特点，研究了自主服务航天器近距离操作运动规划体系。针对自主服务航天器应具备的基本能力，对基于连续推力模式和脉冲推力模式的自主服务航天器运动规划问题进行了研究。研究了基于随机采样原理的概率路标算法和适于解决高维状态和复杂环境运动规划问题的快速搜索随机树方法，明确了各种约束条件，并提出了考虑时间因素的改进快速搜索随机树方法，针对固定障碍、移动障碍和突发事件三种复杂环境，检验了该方法对自主服务航天器空间精确服务运动的规划能力。然后，针对这一混杂系统规划问题将运动规划分解为平动与转动两部分分别进行研究。在平动规划中面对复杂空间环境给出了考虑时间因素的混合运动规划方法，并利用轨道相对运动的显式方程作为局部规划器；针对脉冲推力的特点在转动规划中提出了利用准本体坐标系将姿态规划分为两步的规划方法。最后针对固定障碍、移动障碍和突发事件三种复杂环境，检验了该规划方法对自主服务航天器空间精确运动的规划能力。其次，研究了多服务航天器协同运动规划问题。根据多服务航天器协同任务要求、协同运动和协同体系的特点，对协同运动规划方法进行了研究，具体针对连续推力和脉冲推力两种模式的服务航天器分别采用各自的运动规划算法，结合给出的协同策略完成最终的协同运动规划过程。利用该规划方法结合协同体系对两种推力模式的多服务航天器系统的协同运动规划问题进行了仿真检验，同样针对固定障碍、移动障碍和突发事件三种复杂环境，检验了规划方法的有效性与适应能力，并针对仿真验证中发现的问题，对理论研究加以修正。