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《北京工业大学》 2016年
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基于SA*算法的月面巡视器就位探测任务规划

张涛  
【摘要】:巡视器就位探测任务规划是巡视器自主探测系统的重要组成部分,其作用是巡视器在规划探测任务时,保证巡视器机械臂满足不与探测环境和车体本身发生干涉的约束、机械臂位形切换次数最少的约束、机械臂探测空间覆盖探测点的约束。此外探测点还需满足平整度、光照等约束条件,以保证机械臂端接光谱仪的正常工作。本文以CE3巡视器车载3自由度正交机械臂为主要研究对象,研究了巡视器机械臂的正逆运动学,并以此为基础研究了机械臂工作空间\探测空间、月面探测环境仿真、机械臂碰撞检测等,用于机械臂无干涉的约束条件。通过探测点评估和巡视器位姿估计等研究,满足探测点的平整度、光照等约束。首先,使用DH方法对CE3巡视器机械臂各杆件建立坐标系,根据相邻坐标系间的旋转、位移关系完成机械臂的正运动学解算。针对机械臂杆件串联位姿的传递性和机械臂正交构型的特殊性,基于欧几里得范数简化计算机械臂逆运动学解析解的求解过程。机械臂正逆运动学的正确性通过正逆运动学互验实验检验。通过机械臂正运动学原理介绍了机械臂工作空间和探测空间的概念为后文奠定了理论基础。为满足机械臂与探测环境和车体自身不发生干涉的约束,提出了月面探测环境仿真方法、基于AABB包围盒的机械臂粗碰撞检测方法和基于虚拟传感器的机械臂细碰撞检测方法。该碰撞检测方法为巡视器就位探测任务规划中的安全性奠定了理论基础。其次,通过对A*算法的研究分析,提出了一种改进型SA*算法。改进后的SA*算法通过机械臂关节相同转动方向节点的代价削减和祖孙节点合并的方法满足机械臂位形切换次数最少的约束。通过扩展节点时对所有叶节点的机械臂位形进行碰撞检测的方法进行机械臂展开避障,保证机械臂运动过程中的安全性。由仿真实验结果可以看到SA*算法可以规划出机械臂遥控指令最少的机械臂运动序列。然后,提出探测点评估方法,即使用探测点相邻点集的方差评估探测面的平整度和通过星历、点云数据中探测面的地理信息计算太阳光反射角和光谱仪轴线夹角的方法评估探测点光照,解决了巡视器执行探测任务时探测点的光照、平整度约束。针对探测点不在巡视器机械臂工作空间中,需通过图像系统多次调整巡视器位姿的问题,提出了基于机械臂工作空间几何中心投影估计停泊位置和基于碰撞检测、向量归一化估计巡视器姿态的巡视器定位定姿方法。归纳总结出CE3巡视器就位探测任务规划算法,提高了巡视器探测效率。最后,在VS2008开发平台上基于Open Inventor图像库,开发了一套巡视器探测三维仿真软件。该软件集成了机械臂正逆运动学、碰撞检测、机械臂工作空间\探测空间、巡视器停泊规划、机械臂展开规划等功能。通过友好的人机交互模式和可视化的3D仿真,不仅证明了涉及巡视器探测任务的各种原理算法的正确性,还极大的提高了用户体验。针对多系统协同工作时的数据交换和资源共享,提出了一种快速扩展HLA Web服务的方法,该方法对各系统与编程语言和操作系统进行解耦,降低了开发成本,增强了系统开发的灵活性。
【关键词】:月面巡视器 机械臂 碰撞检测 任务规划
【学位授予单位】:北京工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:V476.3;P184.5
【目录】:
  • 摘要4-6
  • Abstract6-10
  • 第1章 绪论10-18
  • 1.1 课题背景及研究意义10-11
  • 1.1.1 课题来源10
  • 1.1.2 课题背景10
  • 1.1.3 课题研究意义10-11
  • 1.2 国内外研究现状概述11-15
  • 1.2.1 机械臂运动学求解的研究现状14
  • 1.2.2 机械臂运动规划的研究现状14-15
  • 1.2.3 巡视器停泊就位规划算法的研究现状15
  • 1.3 研究内容及论文安排15-18
  • 第2章 CE3巡视器三自由度机械臂运动学模型18-34
  • 2.1 机械臂运动学基础18-21
  • 2.1.1 机械臂D-H系19-20
  • 2.1.2 D-H系参数20-21
  • 2.2 机械臂正运动学21-23
  • 2.2.1 机械臂正运动学仿真23
  • 2.3 机械臂逆运动学23-30
  • 2.3.1 机械臂逆运动学仿真29-30
  • 2.4 机械臂正逆运动学检验30
  • 2.5 机械臂工作空间和探测空间30-33
  • 2.6 本章小结33-34
  • 第3章 机械臂运动规划34-52
  • 3.1 机械臂碰撞检测34-41
  • 3.1.1 探测环境模拟仿真34-37
  • 3.1.2 机械臂碰撞检测原理37-41
  • 3.2 启发式A*搜索算法41-44
  • 3.2.1 启发函数41-42
  • 3.2.2 算法原理42-44
  • 3.3 改进型SA*算法44-48
  • 3.3.1 改进原理44-46
  • 3.3.2 算法流程46-48
  • 3.4 机械臂运动规划仿真48-50
  • 3.5 本章小结50-52
  • 第4章 CE3巡视器就位探测任务规划算法52-62
  • 4.1 星历计算52-54
  • 4.1.1 基本观测矢量计算52-54
  • 4.1.2 星历计算验证54
  • 4.2 探测点评估54-56
  • 4.2.1 探测面平整度评估55
  • 4.2.2 探测点光照评估55-56
  • 4.3 停泊位置估计56-57
  • 4.4 停泊位姿估计57-58
  • 4.5 基于SA*算法的CE3巡视器就位探测任务规划算法58-59
  • 4.6 CE3巡视器就位探测任务规划算法仿真59-61
  • 4.7 本章小结61-62
  • 第5章 CE3巡视器仿真平台62-70
  • 5.1 三维模型建立62-64
  • 5.2 仿真系统64-66
  • 5.3 通信系统66-68
  • 5.4 本章小结68-70
  • 结论70-72
  • 参考 文献72-75
  • 攻读硕士学位期间所发表的学术论文75-76
  • 致谢76

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