基于运动预测和非线性优化方法,本文为空间机器人自主抓捕合作型目标卫星提出了一种方法,可以为空间机器人抓捕目标卫星计算出可行的关节轨迹,且在保证成功抓捕的前提下,最小化关节运动对基座的姿态扰动。本方法基于两步:(1)目标卫星的运动观测与预测,(2)点到点任务的基座姿态扰动最小的运动规划。完成第一步后,根据目标运动的预测结果可以给定一个合适的抓捕时刻。由于抓捕时刻目标卫星上手柄坐标系的位姿已知,故而可用点到点的运动规划方法为空间机器人抓捕目标卫星规划出合理的关节运动。具体研究内容如下:研究了利用视觉信息对自由漂浮刚体的一般运动进行预测的算法。该算法可用来支持空间机器人抓捕卫星的这类复杂操作的运动规划,也可在缺少实时运动观测结果的情况下用于替代运动观测结果(如由于闭塞、有限的卫星与地面的通信而造成无观测结果)。本算法分为三步,首先使用空间机器人上的双目相机观测目标的运动,然后使用运动观测结果识别一组合适的动力学参数,最后用这组参数预测目标的运动。可用优化算法求解此参数识别问题,此优化问题的目标函数为这组动力学参数对应的位姿运动与观测得到的位姿运动之差。可用运动观测结果估计部分动力学参数的近似值,减少优化问题的计算量。本文建立了运动观测与预测的仿真系统,用于检验算法的运动预测效果。利用仿真系统进行大量算例,并对结果统计分析,发现了算法的运动预测结果的一些规律,验证了本算法的可靠性。提出了一种结合预测目标卫星运动和规划机械臂运动的抓捕方法,用于空间机器人自主抓捕目标卫星。首先,基于多刚体动力学理论,建立机械臂末端的运动微分方程和机械臂基座的姿态运动微分方程,这些方程中,关节运动是输入项;然后用适当的参数离散化机械臂的关节运动,最后使用基座姿态扰动最小的运动规划方法为空间机器人抓捕目标卫星寻找最优的关节运动参数。规划机械臂的运动时,首先利用目标卫星的运动预测结果判断机械臂沿着规划的关节轨迹运动时,机械臂是否会与目标发生碰撞,排除危险的关节运动轨迹;然后,抓捕目标卫星是首要目标,同时还考虑了最小化机械臂运动对基座姿态的扰动量。最后通过仿真算例验证本文抓捕目标卫星的方法,结果表明本方法是有效的。论文为空间机器人抓捕目标卫星提出了一种有效且自主性较强的方法。论文紧密结合空间机器人的应用背景,提出的运动预测算法和抓捕目标卫星的方法具有重要的应用价值。