本书以空间机器人抓捕空间非合作目标为对象，详细介绍了抓捕前、抓捕中、抓捕后的相关理论与方法，内容包括：抓捕前的非合作目标的智能识别、运动观测、运动预测、近距离交会、姿态演化、主动消旋等，抓捕中的空间机器人无扰路径规划控制技术及几种抓捕策略，抓捕后的非合作目标惯性参数辨识技术、卫星组合体消旋及姿态快速稳定控制技术。另外还详细介绍了空间机器人关节柔性及摩擦建模、容错控制、追逃博弈等。本书内容是作者多年来在空间机器人技术方面的研究成果汇总，具有系统性和新颖性。
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前言
第1章 绪论 1
1.1 研究目的和意义 1
1.2 发展历程和研究动态 2
1.3 典型的空间机器人研究计划 5
1.3.1 美国空间机器人计划 5
1.3.2 加拿大空间机器人计划 9
1.3.3 欧洲空间机器人计划 10
1.3.4 日本空间机器人计划 12
1.3.5 我国空间机器人计划 15
1.4 本书主要内容 15
参考文献 17
第2章 空间机器人动力学建模 25
2.1 引言 25
2.2 空间机器人系统描述 26
2.3 单体动力学方程 28
2.4 系统运动学方程 31
2.5 系统动力学方程 36
2.6 数值仿真 37
2.6.1 刚性空间机器人 37
2.6.2 柔性空间机器人 40
2.7 本章小结 45
参考文献 46
第3章 基于点云技术的空间非合作目标智能识别 51
3.1 引言 51
3.2 点云分割识别算法比较 53
3.2.1 PointNet 算法和 PointNet++ 算法 53
3.2.2 SPLATNet 算法 55
3.2.3 SO-Net 算法 56
3.2.4 算法比较 57
3.3 点云数据集的构建 58
3.3.1 卫星完整点云数据集的构建 60
3.3.2 卫星非完整点云数据集的构建 62
3.4 各点云算法的性能分析 64
3.4.1 分割准确率 64
3.4.2 分割实际效果 65
3.5 本章小结 67
参考文献 67
第4章 空间非合作目标运动观测技术 70
4.1 引言 70
4.2 基于灰度图像的运动观测技术 72
4.2.1 直接法的基本原理 72
4.2.2 LSD-SLAM 方法的基本原理 75
4.2.3 数值仿真 77
4.3 基于深度图像的运动观测技术 84
4.3.1 坐标系的定义和相对位姿参数 84
4.3.2 位姿估计方案 86
4.3.3 数值仿真 90
4.4 本章小结 98
参考文献 98
第5章 空间非合作目标运动预测技术 101
5.1 引言 101
5.2 运动预测的基本假设及基本理论 105
5.2.1 目标卫星的质心运动方程 105
5.2.2 目标卫星的姿态运动方程 106
5.3 动力学参数的估计 107
5.3.1 UKF 107
5.3.2 观测数据中噪声标准差的估计方法 111
5.3.3 最优化方法提高 xrot 和 xtran 的估计精度 112
5.4 数值仿真 113
5.4.1 收敛准则 114
5.4.2 仿真结果 118
5.5 本章小结 123
参考文献 123
第6章 空间非合作目标近距离交会技术 127
6.1 引言 127
6.2 动力学模型 133
6.2.1 质心运动微分方程 133
6.2.2 姿态运动微分方程 134
6.3 非奇异终端滑模控制器的设计 135
6.4 基于非线性干扰观测器的自适应滑模控制方法 138
6.4.1 自适应滑模控制方法 138
6.4.2 ASM 位姿运动跟踪控制器 140
6.4.3 对 ASM 控制器的改良 141
6.5 期望位姿运动的规划 142
6.5.1 期望质心运动的规划 142
6.5.2 期望姿态运动的规划 145
6.6 改进的运动规划 147
6.6.1 临界阻尼弹簧振子的自由运动规律 147
6.6.2 改进后期望质心运动的规划 149
6.6.3 改进后期望姿态运动的规划 150
6.7 数值仿真 150
6.7.1 不受控翻滚目标的情形 152
6.7.2 受控翻滚目标的情形 158
6.7.3 改进后的运动规划方法 161
6.7.4 对三种位姿跟踪控制算法的比较 162
6.7.5 Monte Carlo 仿真 167
6.8 本章小结 171
参考文献 171
第7章 空间大质量非合作目标姿态演化机理 176
7.1 引言 176
7.2 航天器的运动方程及无量纲化 176
7.2.1 模型描述 177
7.2.2 航天器的运动方程 178
7.2.3 运动方程的无量纲化 179
7.3 Melnikov 方法的应用 181
7.3.1 无扰系统的相空间 181
7.3.2 Melnikov 判据 182
7.4 数值仿真 184
7.4.1 航天器系统的演化轨迹类型 184
7.4.2 参数子空间中 Melnikov 判据分析 186
7.4.3 Melnikov 方程的解析和数值结果比较 189
7.5 本章小结 190
参考文献 191
第8章 空间大质量非合作目标抓捕前主动消旋策略 1 193
8.1 引言 193
8.2 消旋系统的动力学建模 194
8.2.1 模型描述 194
8.2.2 能量耗散航天器的姿态演化 196
8.2.3 消旋系统的动力学模型 198
8.3 消旋系统的接触模型 200
8.3.1 接触检测 200
8.3.2 Hertz 接触理论 202
8.4 数值仿真 203
8.4.1 空间目标的姿态演化仿真 203
8.4.2 空间目标的消旋仿真 206
8.4.3 不同运动参数对消旋效果的影响 206
8.5 本章小结 208
参考文献 208
第9章 空间大质量非合作目标抓捕前主动消旋策略 2 210
9.1 引言 210
9.2 对心接触保持控制器 211
9.3 消旋操作接触保持控制策略 214
9.4 数值仿真 216
9.4.1 过阻尼控制方法有效性评估 217
9.4.2 消旋操作接触保持策略有效性评估 218
9.4.3 控制阻尼对控制性能的影响 228
9.5 本章小结 230
参考文献 230
第10章 空间机器人无扰路径规划控制技术 235
10.1 引言 235
10.2 双臂空间机器人的结构描述 236
10.3 双臂空间机器人的动力学建模 237
10.3.1 动力学方程 237
10.3.2 逆运动学问题 238
10.3.3 正–逆混合动力学方程 240
10.3.4 相对姿态的描述方法 242
10.4 基座姿态无扰的路径规划与控制 243
10.4.1 无扰路径规划问题描述 244
10.4.2 粒子群优化方法 246
10.4.3 跟踪控制器设计 247
10.4.4 双臂非同步启动时的问题描述 247
10.5 数值仿真 248
10.5.1 工况 1：对称初始构型且同步启动 249
10.5.2 工况 2：非对称初始构型且同步启动 252
10.5.3 工况 3：对称初始构型且不同步启动 256
10.5.4 工况 4：非对称初始构型且不同步启动 259
10.6 本章小结 262
参考文献 262
第11章 空间非合作目标抓捕策略 1 264
11.1 引言 264
11.2 空间机器人描述 265
11.2.1 刚性空间机器人 265
11.2.2 柔性空间机器人 266
11.2.3 系统动力学方程 266
11.3 碰撞检测 267
11.3.1 圆柱与立方体 267
11.3.2 圆柱与圆柱 268
11.4 数值仿真 270
11.4.1 刚性空间机器人抓捕 270
11.4.2 柔性空间机器人抓捕 279
11.5 本章小结 287
参考文献 287
第12章 空间非合作目标抓捕策略 2 289
12.1 引言 289
12.2 弹簧阻尼器对对心碰撞的影响 291
12.3 抓捕控制策略 295
12.4 数值仿真 299
12.5 本章小结 304
参考文献 304
第13章 空间非合作目标惯性参数辨识技术 309
13.1 引言 309
13.2 动力学模型 310
13.3 粗估计 311
13.4 精估计 314
13.5 数值仿真 315
13.5.1 粗估计 315
13.5.2 精估计 318
13.6 本章小结 320
参考文献 320
第14章 空间非合作目标抓捕后阶段主动消旋策略 1 322
14.1 引言 322
14.2 动力学建模 323
14.2.1 模型描述 323
14.2.2 空间机器人和非合作目标的动力学模型 325
14.2.3 组合系统的动力学方程 326
14.3 消旋轨迹优化 329
14.3.1 非合作目标的消旋轨迹参数化 329
14.3.2 MOPSO 算法 332
14.4 协同控制 335
14.4.1 组合系统动力学方程的变换 335
14.4.2 协调控制器设计 337
14.5 数值仿真 339
14.5.1 组合系统的动力学参数和初始状态 339
14.5.2 基于 MOPSO 算法的消旋轨迹优化 342
14.5.3 协同控制仿真 346
14.6 本章小结 351
参考文献 352
第15章 空间非合作目标抓捕后阶段主动消旋策略 2 354
15.1 引言 354
15.2 动力学建模与轨迹规划 355
15.3 复合控制 358
15.3.1 轨迹追踪控制器 358
15.3.2 振动抑制控制器 359
15.4 数值仿真 361
15.4.1 组合系统的参数设置和轨迹规划 361
15.4.2 不考虑参数估计误差的消旋方案验证 363
15.4.3 考虑参数估计误差的消旋方案验证 367
15.5 本章小结 371
参考文献 371
第16章 空间机器人关节柔性和关节摩擦建模问题 375
16.1 引言 375
16.2 关节柔性 376
16.2.1 考虑柔性的关节建模 376
16.2.2 关节柔性对系统动力学方程的贡献 378
16.3 关节摩擦 379
16.3.1 关节摩擦模型 379
16.3.2 关节摩擦对系统动力学方程的贡献 382
16.4 系统动力学方程 387
16.5 数值仿真 389
16.5.1 刚性臂空间机器人 389
16.5.2 柔性臂空间机器人 396
16.6 本章小结 408
参考文献 408
第17章 空间机器人容错控制问题 410
17.1 引言 410
17.2 空间机器人的结构描述 411
17.3 容错控制器的设计 413
17.3.1 滑模控制器 413
17.3.2 滑模自适应容错控制器 414
17.4 数值仿真 418
17.5 本章小结 424
参考文献 424
第18章 空间非合作目标追逃博弈问题 426
18.1 引言 426
18.2 两航天器的相对平动动力学模型 427
18.3 追逐星的燃料最优问题 430
18.3.1 二人零和微分对策 431
18.3.2 鞍点解 431
18.3.3 求解方案 434
18.4 数值仿真 436
18.4.1 追逐星的燃料消耗及其使用寿命 437
18.4.2 追逐星的燃料最优 439
18.5 本章小结 442
参考文献 442
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