●前言
第1章緒論1
1.1研究目的和意義1
1.2發展歷程和研究動態2
1.3典型的空間機器人研究計劃5
1.3.1美國空間機器人計劃5
1.3.2加拿大空間機器人計劃9
1.3.3歐洲空間機器人計劃10
1.3.4日本空間機器人計劃12
1.3.5我國空間機器人計劃15
1.4本書主要內容15
參考文獻17
第2章空間機器人動力學建模25
2.1引言25
2.2空間機器人繫統描述26
2.3單體動力學方程28
2.4繫統運動學方程31
2.5繫統動力學方程36
2.6數值仿真37
2.6.1剛性空間機器人37
2.6.2柔性空間機器人40
2.7本章小結45
參考文獻46
第3章基於點雲技術的空間非合作目標智能識別51
3.1引言51
3.2點雲分割識別算法比較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算法比較57
3.3點雲數據集的構建58
3.3.1衛星完整點雲數據集的構建60
3.3.2衛星非完整點雲數據集的構建62
3.4各點雲算法的性能分析64
3.4.1分割準確率64
3.4.2分割實際效果65
3.5本章小結67
參考文獻67
第4章空間非合作目標運動觀測技術70
4.1引言70
4.2基於灰度圖像的運動觀測技術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數值仿真77
4.3基於深度圖像的運動觀測技術84
4.3.1坐標繫的定義和相對位姿參數84
4.3.2位姿估計方案86
4.3.3數值仿真90
4.4本章小結98
參考文獻98
第5章空間非合作目標運動預測技術101
5.1引言101
5.2運動預測的基本假設及基本理論105
5.2.1目標衛星的質心運動方程105
5.2.2目標衛星的姿態運動方程106
5.3動力學參數的估計107
5.3.1UKF107
5.3.2觀測數據中噪聲標準差的估計方法111
5.3.3*優化方法提高xrot和xtran的估計精度112
5.4數值仿真113
5.4.1收斂準則114
5.4.2仿真結果118
5.5本章小結123
參考文獻123
第6章空間非合作目標近距離交會技術127
6.1引言127
6.2動力學模型133
6.2.1質心運動微分方程133
6.2.2姿態運動微分方程134
6.3非奇異終端滑模控制器的設計135
6.4基於非線性干擾觀測器的自適應滑模控制方法138
6.4.1自適應滑模控制方法138
6.4.2ASM位姿運動跟蹤控制器140
6.4.3對ASM控制器的改良141
6.5期望位姿運動的規劃142
6.5.1期望質心運動的規劃142
6.5.2期望姿態運動的規劃145
6.6改進的運動規劃147
6.6.1臨界阻尼彈簧振子的自由運動規律147
6.6.2改進後期望質心運動的規劃149
6.6.3改進後期望姿態運動的規劃150
6.7數值仿真150
6.7.1不受控翻滾目標的情形152
6.7.2受控翻滾目標的情形158
6.7.3改進後的運動規劃方法161
6.7.4對三種位姿跟蹤控制算法的比較162
6.7.5MonteCarlo仿真167
6.8本章小結171
參考文獻171
第7章空間大質量非合作目標姿態演化機理176
7.1引言176
7.2航天器的運動方程及無量綱化176
7.2.1模型描述177
7.2.2航天器的運動方程178
7.2.3運動方程的無量綱化179
7.3Melnikov方法的應用181
7.3.1無擾繫統的相空間181
7.3.2Melnikov判據182
7.4數值仿真184
7.4.1航天器繫統的演化軌跡類型184
7.4.2參數子空間中Melnikov判據分析186
7.4.3Melnikov方程的解析和數值結果比較189
7.5本章小結190
參考文獻191
第8章空間大質量非合作目標抓捕前主動消旋策略1193
8.1引言193
8.2消旋繫統的動力學建模194
8.2.1模型描述194
8.2.2能量耗散航天器的姿態演化196
8.2.3消旋繫統的動力學模型198
8.3消旋繫統的接觸模型200
8.3.1接觸檢測200
8.3.2Hertz接觸理論202
8.4數值仿真203
8.4.1空間目標的姿態演化仿真203
8.4.2空間目標的消旋仿真206
8.4.3不同運動參數對消旋效果的影響206
8.5本章小結208
參考文獻208
第9章空間大質量非合作目標抓捕前主動消旋策略2210
9.1引言210
9.2對心接觸保持控制器211
9.3消旋操作接觸保持控制策略214
9.4數值仿真216
9.4.1過阻尼控制方法有效性評估217
9.4.2消旋操作接觸保持策略有效性評估218
9.4.3控制阻尼對控制性能的影響228
9.5本章小結230
參考文獻230
第10章空間機器人無擾路徑規劃控制技術235
10.1引言235
10.2雙臂空間機器人的結構描述236
10.3雙臂空間機器人的動力學建模237
10.3.1動力學方程237
10.3.2逆運動學問題238
10.3.3正–逆混合動力學方程240
10.3.4相對姿態的描述方法242
10.4基座姿態無擾的路徑規劃與控制243
10.4.1無擾路徑規劃問題描述244
10.4.2粒子群優化方法246
10.4.3跟蹤控制器設計247
10.4.4雙臂非同步啟動時的問題描述247
10.5數值仿真248
10.5.1工況1：對稱初始構型且同步啟動249
10.5.2工況2：非對稱初始構型且同步啟動252
10.5.3工況3：對稱初始構型且不同步啟動256
10.5.4工況4：非對稱初始構型且不同步啟動259
10.6本章小結262
參考文獻262
第11章空間非合作目標抓捕策略1264
11.1引言264
11.2空間機器人描述265
11.2.1剛性空間機器人265
11.2.2柔性空間機器人266
11.2.3繫統動力學方程266
11.3踫撞檢測267
11.3.1圓柱與立方體267
11.3.2圓柱與圓柱268
11.4數值仿真270
11.4.1剛性空間機器人抓捕270
11.4.2柔性空間機器人抓捕279
11.5本章小結287
參考文獻287
第12章空間非合作目標抓捕策略2289
12.1引言289
12.2彈簧阻尼器對對心踫撞的影響291
12.3抓捕控制策略295
12.4數值仿真299
12.5本章小結304
參考文獻304
第13章空間非合作目標慣性參數辨識技術309
13.1引言309
13.2動力學模型310
13.3粗估計311
13.4精估計314
13.5數值仿真315
13.5.1粗估計315
13.5.2精估計318
13.6本章小結320
參考文獻320
第14章空間非合作目標抓捕後階段主動消旋策略1322
14.1引言322
14.2動力學建模323
14.2.1模型描述323
14.2.2空間機器人和非合作目標的動力學模型325
14.2.3組合繫統的動力學方程326
14.3消旋軌跡優化329
14.3.1非合作目標的消旋軌跡參數化329
14.3.2MOPSO算法332
14.4協同控制335
14.4.1組合繫統動力學方程的變換335
14.4.2協調控制器設計337
14.5數值仿真339
14.5.1組合繫統的動力學參數和初始狀態339
14.5.2基於MOPSO算法的消旋軌跡優化342
14.5.3協同控制仿真346
14.6本章小結351
參考文獻352
第15章空間非合作目標抓捕後階段主動消旋策略2354
15.1引言354
15.2動力學建模與軌跡規劃355
15.3復合控制358
15.3.1軌跡追蹤控制器358
15.3.2振動抑制控制器359
15.4數值仿真361
15.4.1組合繫統的參數設置和軌跡規劃361
15.4.2不考慮參數估計誤差的消旋方案驗證363
15.4.3考慮參數估計誤差的消旋方案驗證367
15.5本章小結371
參考文獻371
第16章空間機器人關節柔性和關節摩擦建模問題375
16.1引言375
16.2關節柔性376
16.2.1考慮柔性的關節建模376
16.2.2關節柔性對繫統動力學方程的貢獻378
16.3關節摩擦379
16.3.1關節摩擦模型379
16.3.2關節摩擦對繫統動力學方程的貢獻382
16.4繫統動力學方程387
16.5數值仿真389
16.5.1剛性臂空間機器人389
16.5.2柔性臂空間機器人396
16.6本章小結408
參考文獻408
第17章空間機器人容錯控制問題410
……

本書以空間機器人抓捕空間非合作目標為對像，詳細介紹了抓捕前、抓捕中、抓捕後的相關理論與方法，內容包括：抓捕前的非合作目標的智能識別、運動觀測、運動預測、近距離交會、姿態演化、主動消旋等，抓捕中的空間機器人無擾路徑規劃控制技術及幾種抓捕策略，抓捕後的非合作目標慣性參數辨識技術、衛星組合體消旋及姿態快速穩定控制技術。另外還詳細介紹了空間機器人關節柔性及摩擦建模、容錯控制、追逃博弈等。本書內容是作者多年來在空間機器人技術方面的研究成果彙總，具有繫統性和新穎性。本書可供從事空間機器人技術研究的學者和工程技術人員閱讀與使用，對於從事航天器動力學研究的學者也具有借鋻作用。