一种全姿态四轴转台框架角指令解算方法、设备和介质技术

本发明专利技术提出了一种全姿态四轴转台框架角指令解算方法、设备和介质，所述方法通过数学建模理论分析在给定关节转角约束下的可行的工作空间，然后在工作空间中结合机械机构的特性来设计末端位姿的指令曲线，再改进加权最小范数法的基础上引入可以迫使框架角远离限位极限的边界斥力项来进行四轴转台的逆运动学解算，继承加权最小范数法计算速度快，对子任务严格执行的优点，克服其子任务限制不够灵活的缺点，在尽可能不损失主任务精度的情况下，保证关节角位置可以平顺地限制在给定范围内，且使关节角的速度加速度分配合理，降低对关节轴驱动能力的要求，最终使得四轴转台的性能可以满足实际需求。以满足实际需求。以满足实际需求。

【技术实现步骤摘要】
一种全姿态四轴转台框架角指令解算方法、设备和介质


[0001]本专利技术属于飞行器半实物仿真
，特别是涉及一种全姿态四轴转台框架角指令解算方法、设备和介质。

技术介绍

[0002]随着航空航天技术的快速发展，要求必须缩短各种飞行器的研制周期、降低研制成本，因此促进了飞行器仿真技术的产生和发展，在各种仿真方法中，地面半实物仿真拥有其不可比拟的优越性，能够有效模拟飞行器实际运行的真实情况，可以实现对飞行器制导系统、控制系统及软硬件的功能和性能进行充分的测试，极大地加快了研制进度，降低了研制成本，因此具有非常重要的应用价值。
[0003]在飞行器半实物仿真系统中，飞行仿真转台是最常用的硬件设备，它可以模拟飞行器在空中的滚转、偏航、俯仰三个姿态的变化，其中四轴仿真转台通过在三轴转台的基础上增加一个冗余自由度可以用来改善系统的运动学及动力学特性，如规避奇异位置、躲避障碍、框架角限位、增加灵活性、优化框架角运动学性能等，因此四轴转台可以实现飞行器的全姿态运动仿真。但不同于三轴转台各个框架角与模拟飞行器的滚转、偏航、俯仰姿态角之间的一一对应关系，四轴转台的四个框架角与三个姿态角存在非线性映射关系。对于系统给定的某种特定的飞行器姿态指令信号，四轴转台可以由四个框架的无数种角度组合来复现姿态，但其逆运动学解算存在多解问题。因此，如何实现对各个框架的角位置进行指令分配，以达到在避免奇异的同时，满足转台自身的物理约束。
[0004]目前，对于含有约束的冗余自由度机构的逆运动学求解目前主要有梯度投影法、扩展雅克比矩阵法、优化方法、加权最小范数法等算法。Liegeois等人提出基于次任务约束的梯度投影法，通过建立雅可比矩阵零空间来尽量实现次任务的优化。L.Sciavicco等提出扩展Jacobian方法，其主要思想是将姿态复现视为主要任务，将避免奇异、回避障碍等视为次要任务，将次要任务以等式的形式描述，并且与速度的雅克比矩阵组成增广的矩阵，可以弥补雅克比矩阵秩的不足，但是这种方法可能通过次要任务人为引入额外的奇异，使机构的奇异位形更加复杂。Chen等人提出采用二次规划方法求解带约束的运动冗余问题，将不同任务转化为不同的等式或不等式约束条件，进而转化为带约束的优化问题，并选取不同的优化方法进行求解。Xu Z等人使用最小速度范数方案，将控制问题被表述为多重约束下的二次规划情况，然后建立一个考虑系统模型的深度循环神经网络来在线解决二次规划问题。Chan等人提出了通过求取加权最小范数解来避免冗余机构关节极限的方法，该方法不再构建雅可比矩阵的零空间，而是通过权重系数调节相应的关节速度进而实现其他的次任务约束，可以应对多项任务，当限制其运行范围时候，可以有效地停止关节运动并始终将关节保持在限制范围内，但是其限位过程中权重的切换不够灵活，容易使关节陷入死区，导致运动性能变差。
[0005]综上，目前常见的冗余机构的逆运动学解算方法较少能够满足飞行器四轴转台的使用场景，这些方法存在无法严格限制关节的转角范围，引入额外的奇异位形导致求解复
杂，实时性差等缺点，在实际四轴转台的运行中，会遇到转角限制，轴系电机功率力矩限制，末端负载位姿精度要求等诸多限制，因此，现有冗余机构逆运动解算方法无法满足四轴转台的实际需求。

技术实现思路

[0006]本专利技术为了克服现有飞行器仿真四轴转台逆运动学解算中存在关节运动无法满足物理约束、关节运动速度加速度过大导致对电机驱动能力达不到要求、末端负载误差过大等缺陷，提出一种全姿态四轴转台框架角指令解算方法、设备和介质。
[0007]本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术提出一种全姿态四轴转台框架角指令解算方法，所述方法具体包括以下步骤：
[0008]步骤一：根据四轴转台的轴系在空间中的组合方式，建立坐标系，结合四轴转台的结构及末端执行器姿态变化的原理，建立基于四轴转台框架角与末端执行器的运动学模型，所述运动学模型包括角位置运动学模型及角速度运动学模型；
[0009]步骤二：根据实际四轴转台运行过程中存在的物理转角约束，使用解析法分析末端执行器的三个欧拉角的工作空间；
[0010]步骤三：以工作空间为依据来设计末端执行器的姿态期望指令，从而满足后续解算算法可以解出可行的框架角度指令，并根据末端执行器的期望指令的初始时刻，对仿真初始时刻的各框架角位置进行初始化，得到Φ(0)＝[φ1(0),φ2(0),φ3(0),φ4(0)]T
；其中，Φ(0)表示初始时刻的各框架角位置，φ1(0),φ2(0),φ3(0),φ4(0)表示四个框架角位置初始值；
[0011]步骤四：设计基于边界斥力优化加权最小范数理论的逆运动学解算算法，根据步骤二中设置的转角约束来选择合适权重以及边界斥力项函数，以此满足对框架角位置的限制；
[0012]步骤五：通过设计防止突变的正运动学解算方法，以此实现从框架角位置得到末端执行器的位姿，结合正逆运动学解算算法来实现位置反馈参与角速度计算的算法，以此来对解算误差进行收敛，以提高主任务的精度。
[0013]进一步地，所述四轴转台为立式四轴转台或卧式四轴转台。
[0014]进一步地，所述立式四轴转台为冗余自由度机构，其结构是采用由外至内的串联结构，相邻的两个框轴均垂直正交，各框绕自身的轴转动，四个框的回转轴系相交于一点，四个框架由外至内分别被称为基框架、外框架、中框架和内框架，也分别被称作1框、2框、3框、4框；负载固定在内框架上，负载的姿态变化是由四个框架角的组合运动实现；
[0015]所述建立坐标系包括：
[0016]惯性坐标系OX
G
Y
G
Z
G
：假设其固联于转台基座，其中坐标系的原点O固定位于转台中心负载的中心，即转台四个回转轴的交点；OY轴垂直地面向上，OX轴沿着负载的纵轴线，其正方向指向负载的纵向前进方向，OZ轴向按右手法则确定；
[0017]四轴转台的每个框上建立相应的体坐标系，各框的体坐标系初始原点与惯性坐标系原点相同，坐标的各个轴向的初始指向与惯性坐标系的方向一致；其中OX
B
Y
B
Z
B
表示基框架坐标系，OX
O
Y
O
Z
O
表示外框架坐标系，OX
M
Y
M
Z
M
表示中框架坐标系，OX
I
Y
I
Z
I
表示内框架坐标系，OX
l
Y
l
Z
l
表示负载坐标系，所述负载坐标系始终与内框架坐标系重合。
[0018]进一步地，关于四轴转台的框架角和末端执行器负载的运动学关系，根据机器人领域关节旋转运动学的概念，可以得到：
[0019][0020][0021]其中，R
Gb
表示描述末端执行器负载以欧拉角2
‑3‑
1转序姿态角发生姿态变化的姿态矩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全姿态四轴转台框架角指令解算方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：步骤一：根据四轴转台的轴系在空间中的组合方式，建立坐标系，结合四轴转台的结构及末端执行器姿态变化的原理，建立基于四轴转台框架角与末端执行器的运动学模型，所述运动学模型包括角位置运动学模型及角速度运动学模型；步骤二：根据实际四轴转台运行过程中存在的物理转角约束，使用解析法分析末端执行器的三个欧拉角的工作空间；步骤三：以工作空间为依据来设计末端执行器的姿态期望指令，从而满足后续解算算法可以解出可行的框架角度指令，并根据末端执行器的期望指令的初始时刻，对仿真初始时刻的各框架角位置进行初始化，得到Φ(0)＝[φ1(0),φ2(0),φ3(0),φ4(0)]
T
；其中，Φ(0)表示初始时刻的各框架角位置，φ1(0),φ2(0),φ3(0),φ4(0)表示四个框架角位置初始值；步骤四：设计基于边界斥力优化加权最小范数理论的逆运动学解算算法，根据步骤二中设置的转角约束来选择合适权重以及边界斥力项函数，以此满足对框架角位置的限制；步骤五：通过设计防止突变的正运动学解算方法，以此实现从框架角位置得到末端执行器的位姿，结合正逆运动学解算算法来实现位置反馈参与角速度计算的算法，以此来对解算误差进行收敛，以提高主任务的精度。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述四轴转台为立式四轴转台或卧式四轴转台。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述立式四轴转台为冗余自由度机构，其结构是采用由外至内的串联结构，相邻的两个框轴均垂直正交，各框绕自身的轴转动，四个框的回转轴系相交于一点，四个框架由外至内分别被称为基框架、外框架、中框架和内框架，也分别被称作1框、2框、3框、4框；负载固定在内框架上，负载的姿态变化是由四个框架角的组合运动实现；所述建立坐标系包括：惯性坐标系OX
G
Y
G
Z
G
：假设其固联于转台基座，其中坐标系的原点O固定位于转台中心负载的中心，即转台四个回转轴的交点；OY轴垂直地面向上，OX轴沿着负载的纵轴线，其正方向指向负载的纵向前进方向，OZ轴向按右手法则确定；四轴转台的每个框上建立相应的体坐标系，各框的体坐标系初始原点与惯性坐标系原点相同，坐标的各个轴向的初始指向与惯性坐标系的方向一致；其中OX
B
Y
B
Z
B
表示基框架坐标系，OX
O
Y
O
Z
O
表示外框架坐标系，OX
M
Y
M
Z
M
表示中框架坐标系，OX
I
Y
I
Z
I
表示内框架坐标系，OX
l
Y
l
Z
l
表示负载坐标系，所述负载坐标系始终与内框架坐标系重合。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：关于四轴转台的框架角和末端执行器负载的运动学关系，根据机器人领域关节旋转运动学的概念，可以得到：
其中，R
Gb
表示描述末端执行器负载以欧拉角2
‑3‑
1转序姿态角发生姿态变化的姿态矩阵，R
Gl
表示描述立式四轴转台负载发生姿态变化的姿态矩阵；γ，θ分别表示姿态角中的滚转角、偏航角及俯仰角，φ1，φ2，φ3，φ4分别表示立式四轴转台由外至内四个框架的框架角；根据转台的工作原理，有R
Gb
＝R
Gl
，由此可以建立四轴转台框架和末端负载位姿之间的角位置关系；下面建立四轴转台框架和末端负载位姿的角速度关系：下面建立四轴转台框架和末端负载位姿的角速度关系：其中，J
Gb
表示描述飞行器以2
‑3‑
1转序姿态角运动时的雅可比矩阵，J
Gl
表示描述立式四轴转台负载运动时的雅可比矩阵，分别表示立式四轴转台由外至内四个框架的框架角速度；负载的旋转矢量为ω
l
＝[ω
lx
,ω
ly
,ω
lz
]
T
。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤二具体为：由实际四轴转台在实际使用中存在的避免视场遮挡和避免奇异的需求，需要对外框架角和中框架角的转角进行转动范围约束；不妨设对外框架角φ2和中框架角φ3的限制范围为：φ2∈[
‑
α
l
，α
u
]，φ3∈[
‑
β
l
，β
u
]；框架角转动范围约束对工作空间中俯仰角θ的影响：根据与四轴转台框架角位置的关系，θ＝＝arcsin(sinφ2cosφ3)，当此时外框架和中框架角的活动范围大，sinφ2∈[
‑
1,1]，cosφ3∈[cosβ,1]，则此时，sinφ2cosφ3∈[
‑
1,1]，故俯仰角工作空间为：θ
range
＝arcsin(sinφ2cosφ3)∈[
‑
π,π]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)在考虑视场遮挡的情况下，对于外框架角的限制是不对称的，对中框架角的限制也更加严格，即当且β
l
＝β
u
＝βsinφ2∈[
‑
sinα,1]，cosφ3∈[cosβ,1]，此时sinφ2cosφ3∈[
‑
sinα
l
,1]或sinφ2cosφ3∈[
‑
cosβ,1]，故俯仰角工作空间如下所示：θ
range
＝arcsin(sinφ2cosφ3)∈[
‑
arcsin(max(sinα
l
,cosβ)),π]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)框架角转动范围约束对工作空间中偏航角的影响：在考虑视场遮挡的情况下，即外框架角和中框架角的约束范围满足，且β
l
＝β
u
＝β时，
得到偏航角与四轴转台框架角位置的关系：若sinφ1＝0，式(7)变为其中cosφ2∈[cosα
l
,1]，tanφ3∈[
‑
tanβ,tanβ]，故偏航角的工作空间如下：此时偏航角的工作区间范围是以φ1为对称中心的一个对称区间，区间的大小由β和α
l
确定；若sinφ1≠0，对式(7)右端上下同时除以sinφ1，得到：当tanφ1→
∞，其中cosφ2∈[cosα
l
,1]，tanφ3∈[
‑
tanβ,tanβ]，故可以得到，此时的工作区间范围为：经过对比式(8)和(10)，发现二者表示的工作空间大小是相等的，且都是关于φ1为对称中心的对称区间，在四轴转台的实际应用中，并不会对φ1的运行角度范围做约束，因此实际上，随着φ1的变化，偏航角的工作空间可以遍...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈松林，邢凯，邢宝祥，
申请(专利权)人：哈尔滨工大航博科技有限公司，
类型：发明
国别省市：