一种空间目标抓捕试验系统的运动模拟器运动分配方法与流程

1.本发明涉及地面试验验证技术领域，尤其涉及一种空间目标抓捕试验系统的运动模拟器运动分配方法。


背景技术：

2.空间在轨服务与维护技术已为当前航天技术研究的热点与重点，针对故障卫星的维修、空间碎片的移除、在轨卫星的延寿等任务，都涉及到对空间目标的逼近与抓捕技术。要想完成此类高难度的在轨任务，除了提出可行完善的技术方案外，鉴于地面环境与空间环境的巨大差异，还需要提出合理的具备验证能力的地面试验方法。针对空间目标抓捕的试验验证系统因此而生。
3.目前国内外的空间目标交会对接试验系统主要是针对合作稳定目标，主动端和被动端飞行器都具有稳定的对地姿态，运动模拟器的输入为相对位置与各自的对地姿态。而空间碎片或者失效卫星一般都具有自旋加章动的复杂姿态运动，在空间目标抓捕试验系统中，作为运动模拟器的工业机械臂由于软硬件的限制无法一直维持自旋运动，以及出于对试验安全性的考虑，因此要将需要模拟的运动信息更改为完全的两物体的位置与姿态相对运动，同时在技术方案上要求主动端飞行器保持与被动端飞行器的同步自旋，保留目标章动带来的相对姿态运动。
4.此时如何分配主动端和被动端的运动模拟器所需模拟的运动成为了重要问题。运动模拟器末端安装的负载越重，运动模拟器对输入信号的动态响应的时延也就越大，运动模拟也就越失真；运动模拟器运动速度越快，对其末端安装的单机设备的安全风险也就越大；运动模拟器末端安装的单机设备一般为工业产品或者航天产品电性件，无法忍受量级较大的力学环境条件，因此反过来对运动模拟器的运动速度有限制。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提出一种空间目标抓捕试验系统的运动模拟器运动分配方法，在已知两空间中运动物体的相对位姿的情况下，通过适当的运动分配策略，将相对运动合理地分配到空间目标抓捕试验系统的每个运动模拟器中，既保证相对运动模拟效果，又满足实物系统的可实现性。
6.本发明的技术方案是：一种空间目标抓捕试验系统的运动模拟器运动分配方法予以实现，包括以下步骤：
7.1.首先定义试验系统中求解运动分配时所需要的各个坐标系：
8.i.ckcm系为主动端物体名义质心坐标系，原点在其动力学模型的名义质心处，三轴方向依实际情况而定；
9.ii.mbcm系为被动端物体名义质心坐标系，原点在其动力学模型的名义质心处，三轴方向依实际情况而定；
10.iii.ckbase系为主动端基座坐标系，原点在机器人基座安装法兰面几何中心，垂
直法兰面为 z方向，沿着导轨指向被动端为 x方向， y方向由右手系决定；
11.iv.mbbase系为被动端基座坐标系，原点在机器人基座安装法兰面几何中心，垂直法兰面为 z方向，沿着导轨指向主动端为 x方向， y方向由右手系决定；
12.v.ckdh0系、ckdh6系分别为主动端运动模拟器在其基座、末端的dh坐标系；mbdh0系、mbdh6系分别为被动端运动模拟器在其基座、末端的dh坐标系。
13.同时，约定为坐标系a和坐标系b之间的齐次变换矩阵。
14.2.实时读取由动力学仿真机生成的空间中两物体名义质心坐标系的相对位姿
15.3.给定两运动模拟器的基座运动规律，并实时读取基座位置x
ckbase
、x
mbbase
；
16.4.计算两基座坐标系的相对位姿
17.两基座坐标系之间的相对距离为
18.δ
base
＝(x
ckbase
‑
x
mbbase
) rastererr
19.式中x
ckbase
和x
mbbase
为通过高精度测量工具(如光栅尺)实时测量出来的基座在导轨上的位置，rastererr为事先已标定好的系统常值误差量。因此两基座坐标系的相对位姿为
[0020][0021]
式中为两基座坐标系的相对姿态矩阵，由坐标系定义决定。
[0022]
5.给定主动端物体名义质心相对其运动模拟器基座的位姿运动规律
[0023]
考虑到主动端模拟器末端安装有较多的有效载荷及其信息处理器，则给定主动端物体名义质心相对其运动模拟器基座的位姿运动规律为不运动，令其维持试验开始时的初值
[0024]
6.根据两物体的相对位姿，在扣除掉两基座的相对运动、主动端物体的位姿运动之后，计算被动端物体名义质心相对其运动模拟器基座的位姿运动规律
[0025]
在按照前述步骤得到之后，根据公式
[0026][0027]
求得被动端物体名义质心相对其运动模拟器基座的位姿运动规律。
[0028]
7.根据两物体的名义质心坐标系与各自运动模拟器末端坐标系的相对位姿关系，计算两运动模拟器末端相对于基座的位姿运动规律
[0029]
在按照前述步骤得到之后，根据公式
[0030][0031][0032]
求得两物体相对位姿在经过运动分配后，两运动模拟器对应的每一时刻的和
[0033]
8.对进行机械臂逆运动学求解实时计算出两运动模拟器各关节相对应的关节角指令数值θ
ckcmd
、θ
mbcmd
，发送给运动模拟器。
[0034]
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：现有相近的运动模拟器运动分配方法通常是将主动端和被动端各自的运动投影于绝对参考系中，而本发明可以结合试验需求可以任意分配到任意参考系中进行运动模拟；运动分配策略可以按照试验需求人为定制，可以将所装载单机的力学环境承受能力与试验系统的安全性都考虑进去，而不需要以往严格的遵循实际运动情况，只需保证相对运动等效即可；同时策略的可定制性考虑了运动模拟的保真度以及运动模拟器的软硬件能力，使得试验系统具有更大的使用弹性。
附图说明
[0035]
图1为工业用六自由度机械臂示例图。
[0036]
图2为运动模拟器dh坐标系的示例图。
[0037]
图3为空间目标抓捕试验系统示例图。
[0038]
图4为运动分配方法计算流程图。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但下述实施例并不能限制本发明的保护范围。
[0040]
如图4所示，本发明提供了一种空间目标抓捕试验系统的运动模拟器运动分配方法，该方法包括以下步骤：
[0041]
给出实施例为：一种空间目标抓捕试验系统如图3所示，采用两个如图1所示的六自由度工业机械臂作为运动模拟器，用于模拟空间中物体的六自由度运动，各自基座均安装在一维运动导轨上。
[0042]
试验系统中各坐标系如图2所示。
[0043]
i.ckcm系为主动端物体名义质心坐标系，原点在其动力学模型的名义质心处，三轴方向依实际情况而定；
[0044]
ii.mbcm系为被动端物体名义质心坐标系，原点在其动力学模型的名义质心处，三轴方向依实际情况而定；
[0045]
iii.ckbase系为主动端基座坐标系，原点在机器人基座安装法兰面几何中心，垂直法兰面为 z方向，沿着导轨指向被动端为 x方向， y方向由右手系决定；
[0046]
iv.mbbase系为被动端基座坐标系，原点在机器人基座安装法兰面几何中心，垂直
法兰面为 z方向，沿着导轨指向主动端为 x方向， y方向由右手系决定；
[0047]
v.ckdh0系、ckdh6系分别为主动端运动模拟器在其基座、末端的dh坐标系；mbdh0系、mbdh6系分别为被动端运动模拟器在其基座、末端的dh坐标系。运动模拟器的dh坐标系如图2所示。
[0048]
步骤1，两物体的空间运动数据由试验系统的动力学仿真机计算得到，并直接生成两物体名义质心坐标系的相对位姿送给试验系统的数据管控计算机。
[0049]
步骤2，给定两运动模拟器的基座运动规律，在本实施例中，为降低试验复杂性和风险，令被动端基座保持原位，在考虑基座的最大运动能力后，数据管控计算机规划出主动端基座进行匀加速
‑
匀速
‑
匀减速逼近运动的轨迹指令，并发送给基座电机控制器，同时读取两运动模拟器基座的实时位置x
ckbase
、x
mbbase
。
[0050]
步骤3，数据管控计算机根据采集到的数据以及公式
[0051]
δ
base
＝(x
ckbase
‑
x
mbbase
) rastererr
[0052][0053]
计算两基座坐标系的相对位姿式中x
ckbase
和x
mbbase
为通过导轨上安装的光栅尺实时测量出来的基座在导轨上的位置，rastererr为事先已标定好的系统常值误差。
[0054]
步骤4，给定主动端物体名义质心相对其运动模拟器基座的位姿运动规律在本实施例中，由于主动端携带较多参试设备，为降低试验风险，令主动端物体名义质心相对其运动模拟器基座的位姿运动规律为不运动，维持试验开始时的初值剩余的相对位姿运动将由被动端运动模拟器六个关节运动承担
[0055]
步骤5，根据前述步骤得到的数据，数据管控计算机根据公式
[0056][0057]
计算被动端物体名义质心相对其运动模拟器基座的位姿运动规律
[0058]
步骤6，由前述步骤得到的数据管控计算机根据公式
[0059][0060][0061]
实时计算出该时刻的两运动模拟器末端相对于基座的位姿运动规律
[0062]
步骤7，根据机械臂的dh参数表与逆运动学求解公式数据管控计算机实时计算出两运动模拟器各关节相对应的关节角指令数值θ
ckcmd
、θ
mbcmd
，并发送给运动模拟器。
[0063]
综上所示，采用一种空间目标抓捕试验系统的运动模拟器运动分配方法，在于已知两空间中运动物体的相对位姿的情况下，通过合理的运动分配策略，将相对运动合理地分配到空间目标抓捕试验系统的每个运动模拟器中，在保证运动模拟的保真度同时，还考虑了运动模拟器的软硬件能力、所装载单机的力学环境承受能力与试验系统的安全性，使得实物系统具有可实现性。
[0064]
以上实施例仅用于举例说明本发明的内容，而非对本发明的限定，任何采用等同变换或等效变形方式形成的技术方案均落在本发明的保护范围之内。