航天器近距离接近采样运动规划方法研究.pdf

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1、硕⼠学位论⽂航天器近距离接近采样运动规划方法研究SAMPLING-BASEDMOTIONPLANNINGFORSPACECRAFTCLOSEPROXIMITY于振华哈尔滨工业大学2018年6⽉国内图书分类号：V448.2学校代码：10213国际图书分类号：629密级：公开⼯学硕⼠学位论⽂航天器近距离接近采样运动规划方法研究硕士研究生：于振华导师：李顺利教授申请学位：⼯学硕⼠学科：航空宇航科学与技术所在单位：航天学院答辩日期：2018年6⽉授予学位单位：哈尔滨⼯业⼤学ClassifiedIndex:V448.2U.D.C:629DissertationfortheMas

2、ter’sDegreeinEngineeringSAMPLING-BASEDMOTIONPLANNINGFORSPACECRAFTCLOSEPROXIMITYCandidate:YUZhenhuaSupervisor:ProfessorLIShunliAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:AeronauticalandAstronauticalScienceandTechnologyAffiliation:SchoolofAstronauticsDateofDefence:June,2018Degre

3、e-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨⼯业⼤学⼯学硕⼠学位论⽂摘要航天器近距离接近操作的复杂性以及动态性，对⾃主规划⽅法的快速性、精准性以及实时性提出了更⾼的要求。本⽂利⽤采样运动规划⽅法，分别从基于脉冲推⼒与连续推⼒两个⽅⾯对航天器近距离接近位姿运动规划问题进⾏了研究，该⽅法对于处理复杂约束问题以及解决⾼维状态的运动规划问题具有较强的适应性。⾸先给出描述航天器近距离运动所需的坐标系，建⽴航天器相对轨道运动模型以及姿态转动模型，基于两点边值问题推导相对运动状态转移显式⽅程。此外，对采样运动规划的

4、基本概念、采样⽅法、搜索⽅法以及相关改进⽅法进⾏介绍和初步仿真验证。针对脉冲推⼒模式的运动规划，将问题分解为平动运动规划以及姿态转动规划。对系统运动学、控制能⼒、障碍规避以及姿态指向等约束进⾏处理，分别利⽤相对运动状态转移显式⽅程与常值推⼒运动⽅程建⽴平动与转动局部规划器。考虑时间因素，⾸先采⽤改进的快速⾏进树(R-FMT*)算法进⾏初步轨迹运动规划，之后利⽤脉冲⽮量叠加以及线性同伦进⾏轨迹优化，最终使⽤改进的双向平衡搜索的快速搜索稠密树(RB-RDT*)算法进⾏姿态转动规划，最终得到整段运动规划解。针对连续推⼒模式的运动规划，给出该规划⽅法中所需处理的约束条件，且

5、将平动与姿态转动规划嵌⼊到同⼀个局部规划器中。⾸先利⽤考虑时间因素的改进双向平衡搜索的RB-RDT*算法进⾏整段运动规划，其搜索树⽣⻓平衡了位置、姿态、速度以及⻆速度等因素，基于整段规划的结果进⾏分段运动规划，对运动规划解进⼀步优化。对两种推⼒模式分别进⾏了相关仿真实验，验证了本⽂提出的运动规划算法在复杂空间环境下的精准运动规划能⼒。关键词：航天器；采样运动规划；近距离接近；快速搜索稠密树；快速⾏进树-I-哈尔滨⼯业⼤学⼯学硕⼠学位论⽂AbstractThecomplexityandautonomyofspacecraftcloseproximitybringnew

6、requirementstoplanningalgorithmsincludingrapidity、accuracyandinstantaneity.Sampling-basedmotionplanningmethodsareusedtostudythespacecraftcloseproximityinthispaperfromimpulsethrustandcontinuousthrust.Thesemethodshavestrongadaptabilitytothecomplexconstraintproblemandthemotionplanningprob

7、lemwithhighdimensionalstates.Firstly,somecoordinatesystemsareintroducedtobuildthespacecraftrelativeorbitmodelandrotationmodel.Basedontwo-pointboundaryvalueproblems,transferexplicitequationsofrelativemotionarederived.Inaddition,thebasicconceptsofsampling-basedmotionplanning,samplingme