[發明專利]一種空間機械臂運動約束下的快速任務規劃方法及系統

在審

• 申請號: 202310736085.9
• 申請日: 2023-06-20
• 公開（公告）號: CN116604566A
• 公開（公告）日: 2023-08-18
• 發明（設計）人: 朱戰霞;王明明;李勁濤
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 李鵬威

本發明公開了一種空間機械臂運動約束下的快速任務規劃方法及系統，將連續變量求解劃分為短時連續變量求解和長時連續變量求解，通過先進行短時連續變量求解，再利用動作序列規劃結果進行長時連續變量求解，能夠縮小狀態搜索空間，降低動作序列規劃的時間，同時在一定程度上保證了動作序列的正確性與可執行性，減小了重規劃的可能性，提高了規劃的整體效率；根據規劃得到的動作序列進行長時連續變量求解，可以減小長時連續變量求解的次數，提高規劃的整體效率。相較于現有方法，本發明不僅能夠確保規劃得到的動作序列的可執行性，還具備更高的規劃效率。

技術領域

本發明屬于空間機械臂技術領域，涉及一種空間機械臂運動約束下的快速任務規劃方法及系統。

背景技術

空間機械臂的任務規劃是指根據在軌操作任務要求進行空間機械臂的動作序列規劃，通過執行規劃得到的動作序列，空間機械臂能夠完成給定任務。通過任務規劃得到執行在軌操作任務時的動作序列，能夠使空間機械臂在滿足約束的條件下實現所期望的任務目標。一套成熟可靠的任務規劃系統不僅能夠確保在軌操作任務的順利執行，還能提高任務執行的效率，從時間等指標上提高任務完成的質量，這對在資源匱乏的太空環境中航天器的長期運營具有重要意義。

任務規劃的核心問題在于如何應用智能規劃方法，在給定任務信息的情況下實現動作序列的規劃，指導機械臂運動來完成任務。傳統機械臂任務規劃假設動作序列中的每個動作均具備運動規劃解，在該假設下，任務規劃與運動規劃相互獨立，單獨進行。但是這種假設在實際中是基本不存在的，由于缺乏運動信息，任務規劃過程常常會忽略一些運動約束，如障礙約束、運動學約束等，這些約束可能會導致動作序列不具備可執行性，進而導致任務無法順利完成。因此，為保證動作序列的可執行性，使空間機械臂能夠順利完成任務，需要將運動約束引入任務規劃之中，即進行運動約束下的任務規劃。

對于運動約束下的任務規劃問題，研究人員基于任務和運動共同規劃的求解思路，對經典規劃問題的表示形式進行了擴展，并稱之為任務和運動規劃問題(Task?andMotion?Planning,TAMP)。相較于經典規劃表示方法，TAMP表示方法中擴展了對連續變量的描述，在連續變量的描述下，能夠對機械臂系統中的運動約束進行表示。由于經典規劃方法僅能夠解決離散規劃問題，無法對包含連續變量的規劃系統進行規劃，因此需要考慮一種針對TAMP問題的規劃方法。對此，Dornhege提出了附加語句(semantic?attachments)的概念，通過對規劃領域定義語言(Planning?Domain?Definition?Language,PDDL)進行擴展，使其具備調用外部運動學模塊的能力，從而能夠在動作序列搜索過程中進行運動規劃并確定動作的可執行性，最終實現運動約束下的任務規劃。附加語句能夠保證規劃得到的動作序列滿足運動約束，但是搜索過程中的運動規劃將花費大量計算時間，此外，其仍是在有限領域內進行的規劃，沒有解決連續空間的無限領域規劃問題。在Dornhege的研究基礎上，針對太空中硬件條件差，星上計算機存儲空間小，計算能力不足，從而會對任務規劃造成影響的問題，Coles對經典規劃器進行擴展，使其能在內存消耗較低的條件下處理時態信息，實現了時態任務規劃的輕量化處理，但其仍存在計算時間長的問題。