本發(fā)明屬于航天器領(lǐng)域，涉及一種可重構(gòu)航天器的自重構(gòu)方法。

背景技術(shù)：

與傳統(tǒng)空間衛(wèi)星相比，可重構(gòu)航天器具有許多優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)性，經(jīng)濟(jì)性，可靠性和擴(kuò)展性?？芍貥?gòu)航天器的重構(gòu)模塊稱為細(xì)胞，通過(guò)各個(gè)細(xì)胞不斷分離、位移、對(duì)接來(lái)實(shí)現(xiàn)整體形狀和功能的改變，改變自身的空間結(jié)構(gòu)，從而使得系統(tǒng)逐步逼近理想構(gòu)型，完成不同的任務(wù)。

對(duì)于可重構(gòu)航天器的重構(gòu)，其關(guān)鍵問(wèn)題是設(shè)計(jì)針從初始構(gòu)型到目標(biāo)構(gòu)型的一種運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，策劃者輸入可重構(gòu)航天器的初始構(gòu)型，并給出用于特定任務(wù)的目標(biāo)構(gòu)型，快速找到任意構(gòu)型之間的重構(gòu)路徑，確定重構(gòu)過(guò)程中需要連接或斷開(kāi)的細(xì)胞及其連接斷開(kāi)的順序了，通過(guò)自重構(gòu)策略得出各個(gè)細(xì)胞從初始構(gòu)型到目標(biāo)構(gòu)型的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。

現(xiàn)有的自重構(gòu)算法普遍針對(duì)基本單元形狀一致，功能一致的同構(gòu)模塊機(jī)器人。自重構(gòu)算法多是基于模塊機(jī)器人同構(gòu)模塊之間的可互換性，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為容易。但基于同構(gòu)模塊的模塊化機(jī)器人整體功能較為單一，無(wú)法滿足實(shí)際需要。

對(duì)于空間可重構(gòu)航天器，其主要特點(diǎn)是可重構(gòu)航天器各個(gè)細(xì)胞的功能、形狀不同。這樣設(shè)計(jì)的目的是使得每個(gè)細(xì)胞的作用都有針對(duì)性，可重構(gòu)航天器針對(duì)不同的任務(wù)進(jìn)行特定細(xì)胞的組裝。將多個(gè)功能、形狀不同的細(xì)胞組合，通過(guò)不同功能的細(xì)胞相互連接，以構(gòu)建具有不同功能和形狀的可重構(gòu)航天器，這種可重構(gòu)航天器的自重構(gòu)操作可以適應(yīng)多種環(huán)境和在軌任務(wù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

要解決的技術(shù)問(wèn)題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種可重構(gòu)航天器的自重構(gòu)方法，針對(duì)基于異構(gòu)空間可重構(gòu)航天器的自我構(gòu)建，提出一種新的自重構(gòu)規(guī)劃方法。

技術(shù)方案

一種可重構(gòu)航天器的自重構(gòu)方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：以期望目標(biāo)構(gòu)型的一個(gè)邊緣細(xì)胞作為起始搜索點(diǎn)和生長(zhǎng)點(diǎn)，自起始搜索點(diǎn)通過(guò)廣度優(yōu)先搜索bfs方法遍歷目標(biāo)構(gòu)型，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行編號(hào)并分級(jí)，并記錄每個(gè)細(xì)胞對(duì)生長(zhǎng)點(diǎn)的搜索路徑，同時(shí)記錄目標(biāo)構(gòu)型中所有細(xì)胞的連接關(guān)系和細(xì)胞的姿態(tài)信息；最后，將所得的連接關(guān)系形成廣度優(yōu)先樹(shù)，成為參考中間構(gòu)型；所述細(xì)胞的分級(jí)是：依據(jù)搜索到細(xì)胞的時(shí)間順序，細(xì)胞的裝配順序由高到低；

步驟2：將待重構(gòu)航天器的構(gòu)型分解成中間構(gòu)型，以待重構(gòu)航天器的構(gòu)型表面邊緣的一個(gè)非關(guān)節(jié)細(xì)胞作為起始搜索點(diǎn)，同時(shí)作為根細(xì)胞root；

搜索過(guò)程：自起始搜索點(diǎn)通過(guò)廣度優(yōu)先搜索bfs方法遍歷待重構(gòu)航天器的構(gòu)型，搜索到與根細(xì)胞距離最遠(yuǎn)的非關(guān)節(jié)細(xì)胞，將搜索到的細(xì)胞移動(dòng)到根細(xì)胞的一端；重復(fù)本過(guò)程，并將裝配等級(jí)相同的細(xì)胞組裝形成一條“鏈條”形狀；

然后，將多條“鏈條”按照裝配等級(jí)順序從高到低進(jìn)行排序，排序后得到中間構(gòu)型；

步驟3：以中間構(gòu)型中的最高裝配等級(jí)的細(xì)胞作為構(gòu)型重構(gòu)操作的生長(zhǎng)點(diǎn)，然后對(duì)中間構(gòu)型進(jìn)行搜索；

搜索過(guò)程：搜索到中間構(gòu)型中次高裝配等級(jí)的“鏈條”，將“鏈條”內(nèi)的細(xì)胞按照步驟1記錄的連接路徑和細(xì)胞的位姿信息，把待裝配細(xì)胞連接到由生長(zhǎng)點(diǎn)構(gòu)成的目標(biāo)構(gòu)型中；重復(fù)本過(guò)程，直至中間構(gòu)型里的細(xì)胞全部都移入目標(biāo)構(gòu)型，重構(gòu)過(guò)程完成。

有益效果

本發(fā)明提出的一種可重構(gòu)航天器的自重構(gòu)方法，以明確目標(biāo)構(gòu)型，可重構(gòu)航天器各單元細(xì)胞進(jìn)行分級(jí)；初始構(gòu)型自身“融化”,形成中間構(gòu)型；中間構(gòu)型重構(gòu)，得到目標(biāo)構(gòu)型，完成自重構(gòu)操作。將多個(gè)功能、形狀不同的細(xì)胞組合，通過(guò)不同功能的細(xì)胞相互連接，以構(gòu)建具有不同功能和形狀的可重構(gòu)航天器，這種可重構(gòu)航天器的自重構(gòu)操作可以適應(yīng)多種環(huán)境和在軌任務(wù)。

附圖說(shuō)明

圖1表示自重構(gòu)示意圖

圖2表示目標(biāo)構(gòu)型

圖3表示廣度搜索樹(shù)

圖4表示參考中間構(gòu)型

圖5表示初始構(gòu)型

圖6表示初始構(gòu)型形成中間構(gòu)型

圖7表示中間構(gòu)型

圖8表示初始構(gòu)型形成中間構(gòu)型

圖9表示可重構(gòu)航天器3d重構(gòu)效果圖

具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

為實(shí)現(xiàn)上述目的，具體包括步驟如下：

1、明確目標(biāo)構(gòu)型，可重構(gòu)航天器各單元細(xì)胞進(jìn)行分級(jí)；

2、初始構(gòu)型自身“融化”,形成中間構(gòu)型；

3、中間構(gòu)型重構(gòu)，得到目標(biāo)構(gòu)型，完成自重構(gòu)操作。

第一步：明確目標(biāo)構(gòu)型，為可重構(gòu)航天器各細(xì)胞分級(jí)

為了得到中間構(gòu)型，首先要對(duì)期望得到的目標(biāo)構(gòu)型進(jìn)行分析，依據(jù)細(xì)胞的裝配順序?qū)⒚總€(gè)細(xì)胞進(jìn)行分級(jí)。這一步的目的是計(jì)算各個(gè)細(xì)胞在目標(biāo)構(gòu)型中的裝配順序，得到參考中間構(gòu)型，為第二步可重構(gòu)航天器從初始構(gòu)型融化成中間構(gòu)型做準(zhǔn)備。

為了第三步重構(gòu)過(guò)程的順利進(jìn)行，首先，找到目標(biāo)構(gòu)型的一個(gè)邊緣細(xì)胞作為起始搜索點(diǎn)，同時(shí)作為生長(zhǎng)點(diǎn)。從起始搜索點(diǎn)通過(guò)廣度優(yōu)先搜索(bfs)遍歷目標(biāo)構(gòu)型，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行編號(hào)，并記錄每個(gè)細(xì)胞對(duì)生長(zhǎng)點(diǎn)的搜索路徑，同時(shí)記錄目標(biāo)構(gòu)型中所有細(xì)胞的連接關(guān)系和細(xì)胞的姿態(tài)信息。最后，將所得的連接關(guān)系形成廣度優(yōu)先樹(shù)，成為參考中間構(gòu)型。

對(duì)目標(biāo)構(gòu)型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)圖形搜索，搜索的過(guò)程也可以看成是對(duì)目標(biāo)構(gòu)型裝配的過(guò)程，由搜索結(jié)果產(chǎn)生搜索樹(shù)狀圖決定不同的裝配級(jí)別。對(duì)于參考中間構(gòu)型，同一裝配等級(jí)細(xì)胞之間的連接關(guān)系先不考慮，僅考慮細(xì)胞與上一裝配等級(jí)和下一裝配等級(jí)的連接關(guān)系，因此在重構(gòu)部分，同一裝配等級(jí)細(xì)胞的裝配順序無(wú)需重新排列，只要按照裝配等級(jí)的順序由高到低依次將每一裝配等級(jí)里的細(xì)胞移動(dòng)到目標(biāo)構(gòu)型中相應(yīng)位置即可，這種分級(jí)重構(gòu)的思想有效的減少了細(xì)胞在中間構(gòu)型緩慢的排序操作，提高了重構(gòu)效率。

第二步：初始構(gòu)型自身“融化”,形成中間構(gòu)型

目的是調(diào)整初始構(gòu)型，使其形成中間構(gòu)型，為第三步重構(gòu)操作做準(zhǔn)備。中間構(gòu)型是由第一步得到的參考中間構(gòu)型為基準(zhǔn)形成的。具體操作如下。

找到初始構(gòu)型表面邊緣的任意一個(gè)非關(guān)節(jié)細(xì)胞作為起始搜索點(diǎn)，同時(shí)作為根細(xì)胞(root)。對(duì)初始構(gòu)型進(jìn)行廣度優(yōu)先搜索，找到與根細(xì)胞距離最遠(yuǎn)的非關(guān)節(jié)細(xì)胞，將找到的細(xì)胞移動(dòng)到根細(xì)胞的一端。重復(fù)上述操作，并根據(jù)在第一步得到的細(xì)胞的裝配等級(jí)，把相同等級(jí)細(xì)胞進(jìn)行組裝形成一條“鏈條”形狀。參考中間構(gòu)型中包含幾個(gè)等級(jí)，中間構(gòu)型中要形成對(duì)應(yīng)的多條“鏈條”。初始構(gòu)型中所有細(xì)胞全部移動(dòng)到根細(xì)胞一側(cè)后，會(huì)形成多條“鏈條”。將多條“鏈條”按照裝配等級(jí)順序從高到低進(jìn)行排序，排序后得到中間構(gòu)型。

在融化部分得到的中間構(gòu)型與分級(jí)部分得到的參考中間構(gòu)型是不完全相同的。兩個(gè)構(gòu)型的裝配等級(jí)是相同的，只是每層中細(xì)胞的排列順序不同，但這并不影響重構(gòu)策略的操作，由步驟1知，一個(gè)“鏈條”中的細(xì)胞等級(jí)相同，而等級(jí)相同的細(xì)胞在目標(biāo)構(gòu)型里裝配等級(jí)相同。因此細(xì)胞依據(jù)自身的等級(jí)向中間構(gòu)型對(duì)應(yīng)裝配等級(jí)移動(dòng)，無(wú)需考慮相同等級(jí)細(xì)胞的排列順序，只需將他們依次連接成“鏈條”形狀即可。

第三步：中間構(gòu)型重構(gòu)，得到目標(biāo)構(gòu)型，完成自重構(gòu)

這一步的目的是將中間構(gòu)型重構(gòu)成最終的目標(biāo)構(gòu)型，首先，由第二步“融化部分”得到的中間構(gòu)型找到里面的最高裝配等級(jí)(即第一裝配等級(jí))將其用在構(gòu)型重構(gòu)操作的生長(zhǎng)點(diǎn)。然后對(duì)中間構(gòu)型進(jìn)行搜索，找到中間構(gòu)型中次高裝配等級(jí)的鏈條，把鏈條內(nèi)的細(xì)胞按照第一步記錄的連接路徑和細(xì)胞的位姿信息，把待裝配細(xì)胞連接到由生長(zhǎng)點(diǎn)構(gòu)成的目標(biāo)構(gòu)型中，直到該裝配等級(jí)里的全部細(xì)胞完成上述操作。最后，根據(jù)目標(biāo)構(gòu)型中原來(lái)的連接關(guān)系對(duì)所有細(xì)胞進(jìn)行連接，并調(diào)整姿態(tài)。反復(fù)重復(fù)上述操作，直至中間構(gòu)型里的細(xì)胞全部都移入目標(biāo)構(gòu)型，重構(gòu)過(guò)程完成。

具體實(shí)施方案

第一步：設(shè)置初始構(gòu)型，為可重構(gòu)航天器各細(xì)胞編號(hào)

為了簡(jiǎn)明的說(shuō)明本專利的自重構(gòu)算法，使用簡(jiǎn)化的2d例子進(jìn)行自重構(gòu)策略說(shuō)明，假設(shè)每個(gè)方塊均代表不同種類的細(xì)胞，且至少四個(gè)方向設(shè)置接口，彼此不能替換，其中(a)為初始構(gòu)型，(b)為目標(biāo)構(gòu)型，需要通過(guò)自重構(gòu)策略將初始構(gòu)型(a)重構(gòu)成目標(biāo)構(gòu)型(b)。

為了得到中間構(gòu)型，首先要對(duì)期望得到的目標(biāo)構(gòu)型進(jìn)行分析，依據(jù)細(xì)胞的裝配順序?qū)⒚總€(gè)細(xì)胞進(jìn)行分級(jí)。這一步的目的是計(jì)算各個(gè)細(xì)胞在目標(biāo)構(gòu)型中的裝配順序，得到參考中間構(gòu)型，為第二步可重構(gòu)航天器從初始構(gòu)型融化成中間構(gòu)型做準(zhǔn)備。

為了避免第三步重構(gòu)過(guò)程的順利進(jìn)行，找到目標(biāo)構(gòu)型的一個(gè)邊緣細(xì)胞作為起始搜索點(diǎn)，同時(shí)作為生長(zhǎng)點(diǎn)，從邊緣細(xì)胞1作為起始搜索點(diǎn)，1號(hào)細(xì)胞成為生長(zhǎng)點(diǎn)。通過(guò)廣度優(yōu)先搜索(bfs)，遍歷目標(biāo)構(gòu)型，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行編號(hào)，并記錄每個(gè)細(xì)胞對(duì)生長(zhǎng)點(diǎn)的搜索路徑，同時(shí)記錄目標(biāo)構(gòu)型中所有細(xì)胞的連接關(guān)系和細(xì)胞的姿態(tài)信息。最后，將所得的連接關(guān)系形成廣度優(yōu)先樹(shù)，圖中編號(hào)與目標(biāo)構(gòu)型中細(xì)胞的編號(hào)一一對(duì)應(yīng)，1號(hào)細(xì)胞作為最頂層細(xì)胞，在中間構(gòu)型里裝配等級(jí)數(shù)最高，對(duì)應(yīng)形成的參考中間構(gòu)型。

對(duì)目標(biāo)構(gòu)型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)圖形搜索，搜索的過(guò)程也可以看成是裝配的過(guò)程，由搜索結(jié)果產(chǎn)生搜索樹(shù)狀圖決定不同的裝配級(jí)別。對(duì)于參考中間構(gòu)型，同一裝配等級(jí)細(xì)胞之間的連接關(guān)系先不考慮，僅考慮細(xì)胞與上一裝配等級(jí)和下一裝配等級(jí)的連接關(guān)系，因此在重構(gòu)部分，只要按照裝配等級(jí)的順序由高到低依次將每一裝配等級(jí)里的細(xì)胞移動(dòng)到目標(biāo)構(gòu)型中相應(yīng)位置即可，這種分級(jí)重構(gòu)的思想有效的減少了細(xì)胞在中間構(gòu)型緩慢的排序操作，提高了重構(gòu)效率。

第二步：將初始構(gòu)型進(jìn)行融化,形成中間構(gòu)型

目的是調(diào)整初始構(gòu)型，其目標(biāo)是將可重構(gòu)航天器的初始構(gòu)型分解成中間構(gòu)型。中間構(gòu)型是由第一步得到的參考中間構(gòu)型形成的。具體操作如下。

找到初始構(gòu)型表面邊緣的一個(gè)非關(guān)節(jié)細(xì)胞作為起始搜索點(diǎn)，同時(shí)作為根細(xì)胞(root)。初始構(gòu)型每個(gè)細(xì)胞都由步驟1得到對(duì)應(yīng)編號(hào)，選擇8號(hào)細(xì)胞作為起始搜索點(diǎn)。對(duì)初始構(gòu)型進(jìn)行廣度優(yōu)先搜索，找到與8號(hào)根細(xì)胞距離最遠(yuǎn)的非關(guān)節(jié)細(xì)胞，將找到的細(xì)胞移動(dòng)到根細(xì)胞的一端，其中虛線表示已經(jīng)移走的細(xì)胞。重復(fù)上述操作，并根據(jù)之前得到的細(xì)胞等級(jí)，把相同等級(jí)細(xì)胞放在一起形成一條“鏈條”形狀。參考中間構(gòu)型中包含幾個(gè)等級(jí)，中間構(gòu)型中要形成對(duì)應(yīng)的多條“鏈條”。初始構(gòu)型中所有細(xì)胞全部移動(dòng)到根細(xì)胞一側(cè)后，會(huì)形成多條“鏈條”。將多條“鏈條”按照裝配等級(jí)順序從高到低進(jìn)行排序，排序后得到中間構(gòu)型。

在融化部分得到的中間構(gòu)型與分級(jí)部分得到的參考中間構(gòu)型是不完全相同的。兩個(gè)構(gòu)型的裝配等級(jí)是相同的，只是每層中細(xì)胞的排列順序不同，但這并不影響重構(gòu)策略的操作，由步驟1知，一個(gè)“鏈條”中的細(xì)胞等級(jí)相同，而等級(jí)相同的細(xì)胞在目標(biāo)構(gòu)型里裝配等級(jí)相同。因此細(xì)胞依據(jù)自身的等級(jí)向中間構(gòu)型對(duì)應(yīng)裝配等級(jí)移動(dòng)，無(wú)需考慮相同等級(jí)細(xì)胞的排列順序，只需將他們依次連接成“鏈條”形狀即可。

第三步：由中間構(gòu)型進(jìn)行構(gòu)型重構(gòu)，形成目標(biāo)構(gòu)型

這一步的目的是將中間構(gòu)型重構(gòu)成最終的目標(biāo)構(gòu)型。首先在中間構(gòu)型里找到擁有可移動(dòng)細(xì)胞的裝配等級(jí)，并在其中找到編號(hào)最高裝配等級(jí)，對(duì)該裝配等級(jí)中的細(xì)胞進(jìn)行重構(gòu)操作，根據(jù)在第一步中記錄的細(xì)胞運(yùn)動(dòng)路徑，將細(xì)胞移動(dòng)到由生長(zhǎng)點(diǎn)構(gòu)成的目標(biāo)構(gòu)型中，依據(jù)步驟1中記錄的細(xì)胞在目標(biāo)構(gòu)型中的連接關(guān)系和姿態(tài)信息，調(diào)整細(xì)胞位姿并與周?chē)B接細(xì)胞進(jìn)行連接。反復(fù)上述操作直到所有細(xì)胞移動(dòng)到目標(biāo)構(gòu)型，自重構(gòu)示意。