空间三维大尺度运动学仿真系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种空间三维大尺度运动学仿真系统及方法。空间三维大尺度运动学仿真系统包括实验场地、目标飞行器模拟机构、任务飞行器模拟机构。目标飞行器模拟机构包括目标飞行器和第一工业机械臂，第一工业机械臂的末端连接于目标飞行器。任务飞行器模拟机构包括任务飞行器、第二工业机械臂和全方位移动平台，第二工业机械臂的基座固定于全方位移动平台上，第二工业机械臂的末端连接于任务飞行器，全方位移动平台设置在实验场地上并能够在实验场地上移动。通过本发明专利技术的空间三维大尺度运动学仿真方法，通过第二机械臂与全方位移动平台的结合，突破了地面实验环境的限制，实现了较大范围内的运动学仿真，增加了仿真系统的灵活性。

【技术实现步骤摘要】
空间三维大尺度运动学仿真系统及方法
本专利技术涉及三维半物理仿真
，尤其涉及一种空间三维大尺度运动学仿真系统及方法。
技术介绍
随着空间技术的发展，空间飞行器需要执行的任务逐渐变得复杂，为了完成这些越来越复杂的任务，研究空间环境中各个飞行器之间的运动关系和控制策略非常必要，但是空间飞行器在轨运行过程中直接进行实验时，成本和风险较高。另一方面，随着人工智能技术的发展，空间飞行器的控制决策技术也将进入智能化时代，但目前人工智能技术的研究往往依赖于大量数据集，空间环境的特殊性导致在该环境下数据集的获取难度极大，并且在空间环境中很难直接进行人工智能相关算法的验证。在这种情况下，一套合理的模拟空间飞行器之间的相对运动关系的地面仿真系统对研究空间环境中飞行器的运动及其控制以及研究空间飞行器的人工智能算法有重要的作用。目前已经存在一些模拟多空间飞行器相互运动的地面仿真系统，如2016年5月4日公开的中国专利CN105539890A提出了一种模拟空间机械臂捕获目标飞行器的地面三维空间微重力的装置与方法，在该专利中，任务飞行器与目标飞行器安装在两个固定基座的机械臂末端，以模拟微重力环境下任务飞行器的机械臂捕获目标飞行器过程中的运动学。但是这种方式由于固定基座的限制，地面仿真系统往往只能在地面一定范围内对空间中任务飞行器和目标飞行器之间的相对运动的仿真，动作空间较小，只能针对小范围运动进行仿真，很难直接仿真空间中的三维大范围运动。
技术实现思路
鉴于
技术介绍
中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种空间三维大尺度运动学仿真系统及方法，其能够在有限的地面实验空间中实现大尺度三维空间内的飞行器间的相对运动的模拟，增加仿真系统的灵活性，降低问题的复杂程度，降低整体仿真系统的构建成本。为了实现上述目的，在第一方面，本专利技术提供了一种空间三维大尺度运动学仿真系统，其包括实验场地、目标飞行器模拟机构、任务飞行器模拟机构；目标飞行器模拟机构包括目标飞行器和第一工业机械臂，第一工业机械臂的基座固定于实验场地上，第一工业机械臂的末端连接于目标飞行器；任务飞行器模拟机构包括任务飞行器、第二工业机械臂和全方位移动平台，第二工业机械臂的基座固定于全方位移动平台上，第二工业机械臂的末端连接于任务飞行器，全方位移动平台设置在实验场地上并能够在实验场地上移动。在一实施例中，空间三维大尺度运动学仿真系统还包括：定位系统，设置在全方位移动平台上，用于实时获得全方位移动平台相对第一工业机械臂的基座的相对位姿。为了实现上述目的，在第二方面，本专利技术提供了一种空间三维大尺度运动学仿真方法，其基于第一方面所述的空间三维大尺度运动学仿真系统进行仿真，其包括：建立目标飞行器固接坐标系FT，FT的原点为目标飞行器的质心，建立目标飞行器轨道坐标系FW，FW的原点为目标飞行器的质心，建立任务飞行器固接坐标系FS，建立实验场地坐标系Fe、第一工业机械臂基座坐标系FTb和第二工业机械臂基座坐标系FSb，其中，不考虑目标飞行器沿空间轨道的平动，只考虑空间中目标飞行器与任务飞行器间的相对运动关系；在坐标系FT、FW、FS下，基于给定目标飞行器的初始角速度向量值并依据空间动力学的计算得出目标飞行器在空间环境下的定点运动轨迹T2(t)，其中，T2(t)是目标飞行器绕质心的转动轨迹；在坐标系FT、FW、FS下，针对任务飞行器的控制策略，控制任务飞行器相对目标飞行器运动，根据任务飞行器的飞行路线直接得出任务飞行器在空间环境下的的运动轨迹T1(t)，其中，T1(t)为任务飞行器的固接坐标系FS相对轨道坐标系FW的相对运动轨迹，T1(t)由一系列密集的离散点表示；将任务飞行器对目标飞行器在空间上的相对运动进行在实验场地的运动规划：将任务飞行器与目标飞行器间的相对运动划分为第一虚拟运动和第二虚拟运动，第一虚拟运动为FT绕FW的原点的定点运动，第二虚拟运动为FS相对于FW的空间六自由度任意运动，其中，第二虚拟运动为FS相对于FSb、FSb相对于Fe、Fe相对于FTb、FTb相对于FW的连续运动链实现，将连续运动链虚拟为超冗余机械臂，超冗余机械臂的基座坐标系为FW，超冗余机械臂的末端为任务飞行器的固接坐标系FS；依据给定的任务飞行器的运动轨迹T1(t)，基于虚拟的超冗余机械臂的运动学模型进行运动规划和轨迹规划，计算得出超冗余机械臂各关节的运动轨迹，即，第二工业机械臂的各关节运动轨迹i∈[1,NS]，其中，NS是第二工业机械臂的关节数量；全方位移动平台的各自由度的运动轨迹i∈[x,y,θ]；以及第一工业机械臂的各关节运动轨迹i∈[1,NTT]，其中，NTT是第一工业机械臂的关节数量；根据第一工业机械臂的各关节运动轨迹TraTTi(t)计算得出第一工业机械臂的末端FW相对基座FTb的运动轨迹TraT(t)＝[xT(t)yT(t)zT(t)rxT(t)ryT(t)rzT(t)]T；将第一工业机械臂末端FW的运动轨迹TraT(t)与目标飞行器绕质心的运动轨迹T2(t)进行融合，得到第一工业机械臂的末端FT在FTb下的运动轨迹，然后基于FT在FTb下的运动轨迹，求得第一工业机械臂的最终关节合运动的运动轨迹i∈[1,NT]，其中，NT是第一工业机械臂的关节数量；根据对各关节的轨迹规划结果，进行任务飞行器相对目标飞行器的相对运动的仿真。在一实施例中，将第一工业机械臂末端FW的运动轨迹TraT(t)与目标飞行器绕质心的运动轨迹T2(t)进行融合的具体步骤包括：建立正运动学方程PTm＝X(qTm)，逆运动学方程qTm＝Y(PTm)，其中，PTm表示第一工业机械臂末端在FTb下的位置姿态向量，qTm表示第一工业机械臂在关节空间中各个关节的角度向量；将超冗余机械臂的末端FW相对基座FTb规划所得的运动轨迹TraT(t)用齐次变换矩阵表示为将目标飞行器绕质心的运动轨迹T2(t)扩充为齐次变换矩阵根据可以计算出第一工业机械臂末端FT在FTb下的齐次变换矩阵然后基于通过第一工业机械臂的逆运动学方程qTm＝Y(PTm)求解各关节的位置，通过差分方法计算各关节的速度和加速度，最终得到第一工业机械臂合运动规划结果在一实施例中，在执行最后一步过程中，地面仿真系统仿真空间中任务飞行器抵近目标飞行器的方法还包括：全方位移动平台依据实测数据轨迹i∈[x,y,θ]，建立PID反馈控制系统，以跟随全方位移动平台各自由度的期望的运动轨迹i∈[x,y,θ]。本专利技术的有益效果如下：通过本专利技术的空间三维大尺度运动学仿真方法，通过第二机械臂与全方位移动平台的结合，突破了地面实验环境的限制，实现了较大范围内的运动学仿真，增加了仿真系统的灵活性；此外，超冗余机械臂的建立，将多个执行机构的复杂协同规划问题整合成一个超冗余机械臂的规划问题，降低了问题的复杂程度；再者，通过定义轨道坐标系及抽象出的虚拟的超冗余机械臂和一个定点运动结构，将现有技术中的多个系统分别进行运动规划的问题转化为两个独立的虚拟运动机构的协同规划问题，降低了问题的复杂程度。附图说明图1是在轨道坐标系FW下的根据本专利技术的空间三维大尺度运动学仿真系统的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空间三维大尺度运动学仿真系统，其特征在于，包括实验场地(1)、目标飞行器模拟机构(2)、任务飞行器模拟机构(3)；/n目标飞行器模拟机构(2)包括目标飞行器(21)和第一工业机械臂(22)，第一工业机械臂(22)的基座固定于实验场地(1)上，第一工业机械臂(22)的末端连接于目标飞行器(21)；/n任务飞行器模拟机构(3)包括任务飞行器(31)、第二工业机械臂(32)和全方位移动平台(33)，第二工业机械臂(32)的基座固定于全方位移动平台(33)上，第二工业机械臂(32)的末端连接于任务飞行器(31)，全方位移动平台(33)设置在实验场地(1)上并能够在实验场地(1)上移动。/n

【技术特征摘要】
1.一种空间三维大尺度运动学仿真系统，其特征在于，包括实验场地(1)、目标飞行器模拟机构(2)、任务飞行器模拟机构(3)；
目标飞行器模拟机构(2)包括目标飞行器(21)和第一工业机械臂(22)，第一工业机械臂(22)的基座固定于实验场地(1)上，第一工业机械臂(22)的末端连接于目标飞行器(21)；
任务飞行器模拟机构(3)包括任务飞行器(31)、第二工业机械臂(32)和全方位移动平台(33)，第二工业机械臂(32)的基座固定于全方位移动平台(33)上，第二工业机械臂(32)的末端连接于任务飞行器(31)，全方位移动平台(33)设置在实验场地(1)上并能够在实验场地(1)上移动。


2.根据权利要求1所述的空间三维大尺度运动学仿真系统，其特征在于，空间三维大尺度运动学仿真系统还包括：定位系统(4)，设置在全方位移动平台(33)上，用于实时获得全方位移动平台(33)相对第一工业机械臂(22)的基座的相对位姿。


3.一种空间三维大尺度运动学仿真方法，其基于权利要求1所述的空间三维大尺度运动学仿真系统进行仿真，其特征在于，包括：
建立目标飞行器(21)固接坐标系FT，FT的原点为目标飞行器(21)的质心，建立目标飞行器(21)轨道坐标系FW，FW的原点为目标飞行器(21)的质心，建立任务飞行器(31)固接坐标系FS，建立实验场地(1)坐标系Fe、第一工业机械臂(22)基座坐标系FTb和第二工业机械臂(32)基座坐标系FSb，其中，不考虑目标飞行器(21)沿空间轨道的平动，只考虑空间中目标飞行器(21)与任务飞行器(31)间的相对运动关系；
在坐标系FT、FW、FS下，基于给定目标飞行器(21)的初始角速度向量值并依据空间动力学的计算得出目标飞行器(21)在空间环境下的定点运动轨迹T2(t)，其中，T2(t)是目标飞行器(21)绕质心的转动轨迹；
在坐标系FT、FW、FS下，针对任务飞行器(31)的控制策略，控制任务飞行器(31)相对目标飞行器(21)运动，根据任务飞行器(31)的飞行路线直接得出任务飞行器(31)在空间环境下的的运动轨迹T1(t)，其中，T1(t)为任务飞行器(31)的固接坐标系FS相对轨道坐标系FW的相对运动轨迹，T1(t)由一系列密集的离散点表示；
将任务飞行器(31)对目标飞行器(21)在空间上的相对运动进行在实验场地的运动规划：将任务飞行器(31)与目标飞行器(21)间的相对运动划分为第一虚拟运动和第二虚拟运动，第一虚拟运动为FT绕FW的原点的定点运动，第二虚拟运动为FS相对于FW的空间六自由度任意运动，其中，第二虚拟运动为FS相对于FSb、FSb相对于Fe、Fe相对于FTb、FTb相对于...

【专利技术属性】
技术研发人员：张继文，刘琛，刘宇，冯渭春，陈恳，宋立滨，
申请(专利权)人：清华大学，北京跟踪与通信技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11