随着我国航天事业的不断发展,空间机械臂作为一类具有高灵巧性和高自主性的航天机构发挥着越来越重要的作用。然而,太空工作环境具有复杂、狭小、信息获取困难、通信大延时、不确定因素多等特点,空间机械臂执行精细操作任务更依赖于其自身的自主能力。结合现场环境信息对复杂任务的自主分解与规划,引入多传感器在动作执行阶段自主避让动态、未知障碍,对于空间机械臂在复杂多约束环境中安全执行精细操作任务具有重要的意义。因此,以提升空间机械臂自主规划能力和操作安全性为目标,开展基于多传感器的空间机械臂精细操作控制方法研究,符合我国空间探索无人化需求,对国家航天技术的发展具有重要的理论意义与工程价值。空间机械臂也将发挥越来越重要的作用,与空间机械臂相关的关键技术将成为我国航空航天事业发展的重要技术储备。本文研究内容来源于国家973计划课题“航天机构使用可靠性系统控制基础理论研究”(课题编号:2013CB733005),以冗余度模块化机械臂为研究对象,以提升空间机械臂精细操作能力为目标,重点针对精细操作任务执行前的任务规划、执行过程中基于多传感器的避障控制等关键技术进行深入研究。本文的主要工作如下:1)面向复杂精细任务的空间机械臂任务规划。针对空间精细操作任务步骤繁琐、约束繁多的问题,考虑空间机械臂在轨能力特点,提出一种由任务剖面分析与任务中间点规划组成的双层任务规划框架。针对复杂精细操作任务建立任务剖面分析规划域,进而基于分层任务网络实现自主任务剖面分析,获得基本原任务序列。考虑多约束对原任务的影响,基于启发式算法提出了任务中间点规划方法,使原任务进一步化简为多段可行路径,提高了空间机械臂复杂多约束环境中执行精细操作任务的自主性。2)空间机械臂多传感器布局优化。通过引入多传感器,应对因环境信息不准确、动态时变而影响任务执行的问题,为此研究了空间机械臂多传感器布局优化方法。根据空间机械臂任务特点,分析了传感器布局优化准则并建立优化目标函数。提出一种考虑传感器探测能力的机械臂碰撞检测算法,并基于该碰撞检测算法利用蒙特卡洛方法求解布局优化目标函数,获得传感器的最优布局方案。3)基于传感器信息反馈的空间机械臂避障控制。在机械臂多传感器最优布局的基础上,进一步研究空间机械臂利用多传感器在动态未知环境中的实时避障问题。提出一种基于点云模型的机械臂碰撞检测算法,使传感器有效区分障碍与机械臂自身,并实验分析了算法性能。针对连续轨迹跟踪任务,利用冗余度机械臂零空间提出了一种实时避障控制方法。对于点到点任务,提出一种末端轨迹偏离再补偿的避障控制方法,提高关键部位避障时的灵活性。4)考虑传感器反馈噪声的空间机械臂精度补偿控制策略。针对由于反馈噪声引起空间机械臂控制效果呈现随机特性的问题,提出以提高空间机械臂任务成功率为目标,建立噪声抑制控制模型。在分析反馈噪声对机械臂控制效果影响的基础上,基于贝叶斯方法提出任务执行效果的实时评估方法。通过引入代价绩效函数,提出考虑调整代价的控制变量调整策略,实现利用实时的控制变量修正减少空间机械臂任务执行结果的波动性。