一种空间机械臂的任务规划方法及系统的制作方法
【专利说明】一种空间机械臂的任务规划方法及系统 【技术领域】
[0001] 本发明涉及自动化控制技术，尤其涉及一种空间机械臂的任务规划方法及系统。 【【背景技术】】
[0002] 随着空间探索的不断深入，各类航天器的搭建、维修及服务等在轨操作任务变得 越发繁重和复杂。由于空间环境具有高真空、强辐射、高低温交变等特点，宇航员出舱执行 任务具有很大风险。利用空间机械臂协助甚至代替宇航员执行任务，不仅可以保护宇航员 的生命安全，也可以提高作业效率，节省成本。
[0003] 空间机械臂多处在狭小、复杂和供给匮乏的工作环境中，能源供给和维护保养等 方面成本较高，因此其运动过程受到来自自身和外界的多重约束。另外，受计算机性能限制 和在轨控制系统可靠性要求，空间机械臂的任务规划方式已无法满足日益复杂的在轨任务 需求。
[0004] 目前，空间机械臂的控制系统主要进行任务规划、路径规划和运动控制三方面，其 中任务规划作为控制系统的最高层，负责任务目标的接收、分析，进一步完成任务规划，然 而，现有技术中只能实现对简单的直线任务的任务规划，对于比较复杂的任务，如空间机械 臂在保持末端姿态恒定不变的前提下绕过障碍物等，还无法实现任务规划。 【
【发明内容】
】
[0005] 有鉴于此，本发明实施例提供了一种空间机械臂的任务规划方法及系统，用以解 决现有技术中只能对简单的任务进行任务规划的问题。
[0006] 本发明实施例提供了一种空间机械臂的任务规划方法，包括：
[0007] 获取任务起始点、任务目标点、约束条件和路径规划算法；
[0008] 根据所述任务起始点、所述任务目标点、所述约束条件和所述路径规划算法，获取 所述任务起始点与所述任务目标点之间的非直线路径上的至少一个任务中间点；
[0009] 根据所述任务起始点、任务目标点和所述至少一个任务中间点，完成空间机械臂 的任务规划。
[0010]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述根据所 述任务起始点、所述任务目标点、所述约束条件和所述路径规划算法，获取所述任务起始点 与所述任务目标点之间的非直线路径上的至少一个任务中间点，包括：
[0011 ]根据所述任务起始点，循环获取Μ个候选中间点，直到获取到的Μ个候选中间点中 包含所述任务目标点以及利用所述任务目标点又获取到Μ个候选中间点时为止；
[0012] 利用所述路径规划算法和所述约束条件，对每次获取的所述Μ个候选中间点进行 筛选，以获得Ρ个候选中间点；以及，获得并记录所述Ρ个候选中间点中每个候选中间点的名 义父节点；
[0013] 从所述任务目标点开始，根据所述任务目标点的名义父节点以及每个候选中间点 的名义父节点进行搜索路径回溯，以获得所述至少一个任务中间点。
[0014] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述根据所 述任务起始点，循环获取Μ个候选中间点，包括：
[0015] 对于上一次获取的Μ个候选中间点经过筛选后得到的Ρ个候选中间点，获取所述Ρ 个候选中间点中每个候选中间点的总代价；
[0016] 获取所述Ρ个候选中间点中总代价最小的候选中间点；
[0017] 根据所述总代价最小的候选中间点、预设的搜索维度、位置搜索步长和姿态搜索 步长，获取Μ个候选中间点。
[0018] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述利用所 述路径规划算法和所述约束条件，对每次获取的所述Μ个候选中间点进行筛选，以获得Ρ个 候选中间点，包括：
[0019] 在根据所述路径规划算法计算所述Μ个候选中间点中每个候选中间点的总代价的 过程中，根据所述约束条件，筛除所述Μ个候选中间点中不满足所述约束条件的Ν个候选中 间点，以获得Ρ个候选中间点。
[0020] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述获得Ρ个 候选中间点中每个候选中间点的名义父节点，包括：
[0021 ]对于每次获得的Ρ个候选中间点中的每个候选中间点，获得该候选中间点的原始 父节点到该候选中间点的第一总代价，以及，该候选中间点的原始父节点的名义父节点到 该候选中间点的第二总代价；
[0022] 若所述第一总代价大于或者等于所述第二总代价，将该候选中间点的原始父节点 的名义父节点作为该候选中间点的名义父节点；
[0023] 若所述第一总代价小于所述第二总代价，将该候选中间点的原始父节点作为该候 选中间点的名义父节点。
[0024] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述获取Ρ个 候选中间点中每个候选中间点的总代价，包括：
[0025] 利用如下公式获得每个候选中间点的总代价：
[0026] f(pc) =g(pf)+C(pf,pc)+h(pc)
[0027] 其中，f(Pc)表示候选中间点Pc的总代价;g(Pf)表示任务起始点到候选中间点Pc的 名义父节点Pf的实际代价;C(Pf,Pc)表示候选中间点Pc的名义父节点Pf到候选中间点Pc的实 际代价;h(P。)表示候选中间点到任务目标点的估计代价。
[0028] 本发明实施例还提供了一种空间机械臂的任务规划系统，包括：
[0029] 信息输入单元，用于获取任务起始点、任务目标点、约束条件和路径规划算法；
[0030] 中间点获取单元，用于根据所述任务起始点、所述任务目标点、所述约束条件和所 述路径规划算法，获取所述任务起始点与所述任务目标点之间的非直线路径上的至少一个 任务中间点；
[0031] 任务规划单元，用于根据所述任务起始点、任务目标点和所述至少一个任务中间 点，完成空间机械臂的任务规划。
[0032] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述中间点 获取单元，具体用于：
[0033] 根据所述任务起始点，循环获取Μ个候选中间点，直到获取到的Μ个候选中间点中 包含所述任务目标点以及利用所述任务目标点又获取到Μ个候选中间点时为止；
[0034]利用所述路径规划算法和所述约束条件，对每次获取的所述Μ个候选中间点进行 筛选，以获得Ρ个候选中间点；以及，获得并记录所述Ρ个候选中间点中每个候选中间点的名 义父节点；
[0035]从所述任务目标点开始，根据所述任务目标点的名义父节点以及每个候选中间点 的名义父节点进行搜索路径回溯，以获得所述至少一个任务中间点。
[0036]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述中间点 获取单元用于根据所述任务起始点，循环获取Μ个候选中间点时，具体用于：
[0037]对于上一次获取的Μ个候选中间点经过筛选后得到的Ρ个候选中间点，获取所述Ρ 个候选中间点中每个候选中间点的总代价；
[0038]获取所述Ρ个候选中间点中总代价最小的候选中间点；
[0039]根据所述总代价最小的候选中间点、预设的搜索维度、位置搜索步长和姿态搜索 步长，获取Μ个候选中间点。
[0040]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述中间点 获取单元用于利用所述路径规划算法和所述约束条件，对每次获取的所述Μ个候选中间点 进行筛选，以获得Ρ个候选中间点时，具体用于：
[0041]在根据所述路径规划算法计算所述Μ个候选中间点中每个候选中间点的总代价的 过程中，根据所述约束条件，筛除所述Μ个候选中间点中不满足所述约束条件的Ν个候选中 间点，以获得Ρ个候选中间点。
[0042]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述中间点 获取单元用于获得Ρ个候选中间点中每个候选中间点的名义父节点时，具体用于：
[0043]对于每次获得的Ρ个候选中间点中的每个候选中间点，获得该候选中间点的原始 父节点到该候选中间点的第一总代价，以及，该候选中间点的原始父节点的名义父节点到 该候选中间点的第二总代价；
[0044]若所述第一总代价大于或者等于所述第二总代价，将该候选中间点的原始父节点 的名义父节点作为该候选中间点的名义父节点；
[0045]若所述第一总代价小于所述第二总代价，将该候选中间点的原始父节点作为该候 选中间点的名义父节点。
[0046]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述中间点 获取单元用于获取Ρ个候选中间点中每个候选中间点的总代价时，具体用于：
[0047]利用如下公式获得每个候选中间点的总代价：
[0048] f(pc) =g(pf)+C(pf,pc)+h(pc)
[0049]其中，f(p。)表示候选中间点p。的总代价;g(Pf)表示任务起始点到候选中间点p。的 名义父节点Pf的实际代价;C(Pf,Pc)表示候选中间点Pc的名义父节点Pf到候选中间点Pc的实 际代价;h(P。)表示候选中间点到任务目标点的估计代价。
[0050]由以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下有益效果：
[0051]根据本发明实施例提供的技术方案，可以获取到任务起始点与任务目标点之间的 非直线路径上的任务中间点，从而能够利用任务中间点完成复杂任务