机械臂在轨服务的遥操作及交互视景处理

作     者：马兰 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘贵喜

授予年度：2019年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：在轨服务 空间机械臂 增强现实 预测显示 视觉导航 

摘      要：随着空间在轨服务技术的快速发展,保障了航天器在复杂空间环境中的轨道上进行更加可持续和高效地运行。可实现对复杂大型航天器的在轨组装,对失效的航天器进行在轨的捕获、燃料加注、模块更换等操作。本文首先选取一种有意义的在轨服务任务,基于此任务设计了一种用于在轨服务的空间机械臂,并规划空间机械臂之间的配合操作。接着对在轨服务对象进行三维模型建模,并进行运动控制分析。最后介绍了增强合成视景以及视景仿真技术,通过加入增强合成视景技术来提升空间机械臂在太空环境下操作的三维感知、理解与决策能力,保障了操作的可靠性。本文主要完成了以下几点工作:1、设计并实现了空间机械臂人机交互三维对象模型建立。设计了卫星、空间机械臂及灵巧的星敏感器更换装置结构,建立了较为精细的三维模型。采用三条空间机械臂配合工作的操作方式,给它们分配各自的作业对象及操作内容,规划合理有效的更换步骤,实现了三条空间机械臂之间的协调配合。2、设计并实现了人机交互环境的增强合成视景可视化。构建三维沉浸感环境,实现任务对象的可视化,创建多个视角/通道,增强了观察的沉浸感。并通过设计全新的增强现实虚拟作业要素,结合可视化视角/通道实现了对空间机械臂在轨服务的临场感观察。3、进行了空间机械臂运动学分析建模。对空间机械臂进行机械结构分析,建立合适的正逆运动学模型,选取并确定合适的坐标系。设计了一个具有可行性的在轨服务任务的总体规划,实现了在轨服务场景的可视化,降低了作业的复杂性,提高了空间机械臂在轨服务的可靠性。对视觉图像检测与位姿测量技术进行了分析和研究。在机械臂末端执行器识别抓取目标时,采用了图像算法检测抓取标识的特征点并对其进行位姿估计,增强了空间机械臂的操作准确性。4、对天地遥操作增强现实处理途径及方法进行了分析和研究。设计了增强现实的天地人机交互综合显示布局。在作业过程中,通过切换不同视角并结合虚拟要素给出的信息可进行安全有效的操作。将作业阶段分为按离线规划好的轨迹运动及在线的识别对准操作,在在线识别对准阶段可采用两种模式,系统的自动对准及地面操作者的手动对准。并考虑了手动对准时天地时延给系统带来的影响,通过同时观察实时与延时画面控制空间机械臂的操作。