[發明專利]一種月面采樣機械臂動態任務規劃方法

有效

• 申請號: 202110958186.1
• 申請日: 2021-08-20
• 公開（公告）號: CN113650015B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 劉傳凱;高宇輝;劉茜;孫軍;袁春強;趙瑞;馬傳令
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍63920部隊
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 北京中政聯科專利代理事務所(普通合伙) 11489
• 代理人: 尹瑋

一種月面采樣機械臂動態任務規劃方法，步驟如下：1)任務規劃：①著陸區確定；②建立環境模型；③確定障礙空間；④確定機械臂的自由空間；⑤確定采樣區；⑥確定采樣點；⑦決定采樣作業過程；2)采樣策略規劃：①初始化過程；②表取采樣過程；③放樣過程；④制定指令計劃；3)運動控制規劃：①建立運動學模型；②路徑規劃算法的范圍；③確定任務的起始、目標點；④確定路徑規劃算法；⑤明確動態指令的參數。本發明的優點：實現對采樣任務過程的動態靈活調整；解決月面表取采樣任務中的動態時序約束、時變空間約束和采樣機械臂運動軌跡規劃問題，實現對月面采樣任務遙控指令計劃的快速生成。三個層級相互配合以滿足月面表取采樣任務動態規劃需求。

技術領域

本發明屬于控制系統或其部件的檢驗技術領域，涉及一種月面采樣機械臂動態任務規劃方法，國際專利分類號為：G05B 23/00。

背景技術

月面采樣機械臂作為月面表取采樣的執行機構，承擔著獲取月壤樣品并將其放置到樣品封裝容器的復雜任務。月面采樣機械臂通過表取方式獲取月表土壤樣品的過程受到月面重力、月面復雜地形、著陸姿態和機械臂變形等多種不確定因素影響，而這些因素只有在探測器著陸月面后才能獲取與辨識且難以提取預知。為保證在有限的月面采樣時間內完成表取采樣任務，對月面采樣各類事件和機械臂動作行為的實時動態規劃，是順利完成任務的關鍵。

針對此問題，國內外學者從任務規劃的角度開展了大量的研究。其中最典型的一類是STRIPS方法該方法建立了規范的任務規劃模型，提出了利用邏輯命題推理處理復雜規劃的思路，在合理限制真實任務規劃環境和設置假設的條件下，實現了問題的規劃求解。Blum等提出了圖規劃算法，期望通過簡潔的搜索方法來解決一般性規劃問題，但囿于圖搜索算法的復雜度，該方法對復雜規劃的求解效率不高。Bonet等基于啟發式搜索提出了圖規劃算法改進算法，利用啟發式算法快速搜索狀態空間以提高規劃求解效率。由于該方法需要定義啟發式函數，啟發式函數的計算復雜度會影響求解效率。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中存在的任務規劃靈活性不高的不足之處，而提出了一種月面采樣機械臂動態任務規劃方法，該方法將機械臂采樣任務規劃劃分為任務整體規劃、采樣策略規劃和運動控制規劃等三個層級，將復雜月面采樣作業任務規劃問題分解為空間約束、時序推理和運動控制三個維度分別求解，三個層級相互配合以滿足月面表取采樣任務動態規劃需求。

本發明的目的是這樣實現的：

一種月面采樣機械臂動態任務規劃方法，該方法包以下步驟：

第一步：任務整體規劃：

①著陸區的確定：輸入已知著陸區條件，著陸區的確定不屬于本發明的范疇，著陸區確定后，進行任務整體規劃；

②建立環境模型：將著陸區環境劃分為三個部分，其中，只對采樣區建立環境模型，為后續的采樣區分析做準備；具體的，通過相機采集月面地形的圖像，通過三維地形重構技術獲得三維點云環境模型；

③月面三維地形與著陸器外包絡取并集確定障礙空間；

④月面采樣機械臂關節運動范圍內的運動空間與非障礙空間取交集確定月面采樣機械臂的自由空間；

⑤月面采樣機械臂運動空間與月面三維地形取交集確定月面表取采樣區；

⑥由任務目標確定采樣點：

⑦由自由空間和采樣點決定空間約束的月面采樣作業過程；

第二步：采樣策略規劃，月面采樣作業細化為：

①初始化過程：設備加電和機械臂展開；

②表取采樣過程：機械臂執行月面表取采樣的過程；

③放樣過程：機械臂將采集到的月表樣品放置到密封容器，同時觀察樣品放置的情況；