哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
随着全球航天发射任务的日益增多，故障、失效航天器数量也随之增长，带
来在轨维护和检修、舱外活动、相关实验开展以及太空垃圾清理等诸多问题。空
间机械臂在上述场景的处理中可以起到至关重要的作用，能够独立或辅助宇航
员完成一系列在轨任务。其中对非合作目标的跟踪与处理问题显得尤为重要，
对空间机械臂智能应对目标运动，适应复杂空间环境提出了新的要求。
本文就空间漂浮基机械臂对动态非合作目标跟踪控制这一需求，展开了以
下几方面内容的研究：
首先，沿用固定基座机械臂场景中两种典型的视觉构型，结合空间机械臂
系统特点设计了相机布置从而得到了漂浮基EIH构型及漂浮基ETH构型，使
得传统的基于固定基座构型成为本文所提构型的特例。对两者的数学形式进行
了抽象，提出了统一图像运动学框架，在该框架下设计的控制律在数学形式上
是与具体构型场景无关的。
其次，在统一图像运动学框架中对特征点图像微分运动学进行表述，分离
了运动学方程中的深度参数。进而可以对系统预测模型进行参数化估计的同时，
实时修正对特征点深度的估计，扩展空间机械臂系统动力学部分动态方程即可
得到直接生成关节驱动力矩的自适应预测控制算法。
再者，针对图像伺服系统需要处理动态目标特征点的需求，推导了考虑特
征点运动速度的图像微分运动学，得到含附加运动输入项的预测模型。针对空
间环境中目标特征点的典型运动模式，分析得到了线性化观测方程，进而可以
引入多新息卡尔曼滤波对附加运动输入项进行实时估计，使用改进的观测方程
可以规避对图像速度的直接测量，从而实现特征点运动补偿的自适应预测控制。
最后，针对空间环境中机械臂系统动力学存在误差这一问题，采用RBF网
络的学习能力对误差动力学进行非线性逼近，利用双层控制的思想，在前文控
制基础上新增内环控制器。外环在处理前文图像伺服的同时，生成机械臂期望
运动轨迹输入内环控制器；内环控制器在RBF滑模鲁棒项的作用下跟踪期望轨
迹并逼近系统的误差动力学，反馈给外环实现动力学补偿的自适应预测控制。
关键词：非合作目标跟踪；空间漂浮基机械臂；自适应预测控制；多新息滤波
技术；非线性模型逼近
-I-
哈尔滨工业大学硕士学位论文
Abstract
Withtheincreasingnumberofglobalspacelaunchmissions,thenumberofmalfunc-
tioningandinvalidspacecrafthasalsoincreased,whichhasbroughtmanyproblemssuch
ason-orbitmaintenanceandrepair,extravehicularactivities,on-orbitexperimentand
tidyingupspacejunk.Thespacemanipulatorsplayavitalroleintheabove-mentioned
processes.Theycanindependentlycompleteorassistastronautstocompleteaseriesof
on-orbitmissions.Trackinganddealingwithnon-cooperativetargetsisparticularlyim-
portantofall.Greaterdemandsarebeingplacedonthespacemanipulatorstointelligently
dealwiththemovingtargetsandadapttocomplexspaceenvironments.
Thispaperwillstartfromthefollowingaspectsontrackingandcontrolingofdy-
namicnon-coope