一種空間柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種空間柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法，針對(duì)空間柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出一種能夠一定程度上反映空間柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的動(dòng)力學(xué)建模方法。該方法的特點(diǎn)是將自主機(jī)動(dòng)單元看作質(zhì)點(diǎn)，將柔性網(wǎng)離散化為無(wú)質(zhì)量彈性桿和質(zhì)點(diǎn)的集合，并考慮了自主機(jī)動(dòng)控制力的作用。該方法的主要步驟包括：建立建模參考坐標(biāo)系和提出建模假設(shè)，空間柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)離散化為無(wú)質(zhì)量彈性桿質(zhì)點(diǎn)的集合，推導(dǎo)代表自主機(jī)動(dòng)單元的質(zhì)點(diǎn)和離散化的柔性網(wǎng)質(zhì)點(diǎn)所受到的自主機(jī)動(dòng)控制力和外部彈性力作用，將代表自主機(jī)動(dòng)單元的質(zhì)點(diǎn)和離散化的柔性網(wǎng)質(zhì)點(diǎn)受到的外力公式代入?yún)⒖甲鴺?biāo)系下的希爾方程中，獲得空間柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)在參考系下的動(dòng)力學(xué)模型。
【專利說(shuō)明】一種空間柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新型航天器動(dòng)力學(xué)建模研究的領(lǐng)域，具體涉及一種空間柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模的方法，為空間柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)提供了一種切實(shí)可行的動(dòng)力學(xué)建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002]空間柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)是一種新型的“自主機(jī)動(dòng)單元+柔性網(wǎng)”結(jié)構(gòu)的空間機(jī)器人系統(tǒng)系統(tǒng)，主要應(yīng)用于空間垃圾清理任務(wù)?？臻g柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)的基本思想是多個(gè)自主機(jī)動(dòng)單元在空間展開(kāi)一張具有一定覆蓋面積和強(qiáng)度的柔性網(wǎng)，進(jìn)而多個(gè)自主機(jī)動(dòng)單元牽引柔性網(wǎng)在空間中沿一定的軌道機(jī)動(dòng)飛行，通過(guò)柔性網(wǎng)清掃途經(jīng)空間范圍內(nèi)的空間垃圾。當(dāng)柔性網(wǎng)內(nèi)空間垃圾達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，自主機(jī)動(dòng)單元將柔性網(wǎng)連同其內(nèi)部的空間垃圾拖離軌道，或者降低軌道墜入大氣層銷毀，或者將空間垃圾拖入墳?zāi)管壍??？臻g柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和任務(wù)過(guò)程如附圖1所示。
[0003]空間柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)在任務(wù)距離、范圍和功能方面具有顯著的優(yōu)勢(shì):柔性網(wǎng)在捕獲任務(wù)中具有較大的容差能力，對(duì)空間平臺(tái)的影響較??；自主機(jī)動(dòng)單元牽引柔性網(wǎng)機(jī)動(dòng)飛行，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)中長(zhǎng)距離目標(biāo)的捕獲和清理；柔性網(wǎng)的面積可根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)一步增大，使得大空間范圍內(nèi)多目標(biāo)的捕獲任務(wù)成為可能。基于以上特點(diǎn)，空間柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)在空間垃圾清理、失效衛(wèi)星捕獲等任務(wù)中具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0004]“自主機(jī)動(dòng)單元+柔性網(wǎng)”的組成結(jié)構(gòu)使得空間柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)具備了較遠(yuǎn)的任務(wù)距離和靈活的機(jī)動(dòng)能力，在空間垃圾清理任務(wù)中具有諸多優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，柔性網(wǎng)結(jié)構(gòu)使得空間柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)在空間中的動(dòng)力學(xué)過(guò)程變得非常復(fù)雜，很難建立其精確的動(dòng)力學(xué)模型。關(guān)于柔性網(wǎng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型的研究對(duì)空間柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模具有一定的參考價(jià)值。文獻(xiàn)(于洋，寶音賀西，李俊鋒.空間柔性網(wǎng)拋射展開(kāi)過(guò)程動(dòng)力學(xué)建模與仿真[J].宇航學(xué)報(bào)，2010，31 (5):1289-1296)和文獻(xiàn)(敬忠良，袁建平等.航天器自主操作的測(cè)量與控制[M].北京:中國(guó)宇航出版社，2011:493-518)將柔性網(wǎng)離散化為質(zhì)點(diǎn)和彈性桿單元的結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上建立了柔性網(wǎng)的動(dòng)力學(xué)模型；文獻(xiàn)(Provot X.Deformationconstraints in a mass-spring model to describe rigid cloth behavior[C].Proceedings of Graphics Interface,Quebec,Canada, 1995)米用質(zhì)子彈簧模型建立了網(wǎng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型。不同與普通的空間柔性網(wǎng)結(jié)構(gòu)，空間柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)除了具備柔性網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特性外，還具備空間中的自主機(jī)動(dòng)飛行的能力，其空間動(dòng)力學(xué)模型將更加復(fù)雜。因此空間柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模方法的研究是空間柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)研究的重要研究?jī)?nèi)容。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0006]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種空間柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法。
[0007]技術(shù)方案
[0008]一種空間柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法，其特征在于:將自主機(jī)動(dòng)單元看作質(zhì)量點(diǎn)，自主機(jī)動(dòng)單元在參考系三個(gè)方向的正反均安裝了推力控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，空間柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)與目標(biāo)運(yùn)行在同一圓軌道，且忽略柔性網(wǎng)材料阻尼以及自主機(jī)動(dòng)單元姿態(tài)變化對(duì)空間柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的影響；建模步驟如下:
[0009]步驟1、建立建模參考坐標(biāo)系:以目標(biāo)為原點(diǎn)建立軌道坐標(biāo)系0txyz，x軸沿目標(biāo)運(yùn)行方向，I軸垂直于軌道平面，與軌道角速度方向一致，z軸沿目標(biāo)向徑方向；
[0010]步驟2:將柔性網(wǎng)離散化為mXn個(gè)的質(zhì)點(diǎn)(i，j)的集合，各質(zhì)點(diǎn)與相鄰的質(zhì)點(diǎn)之間依靠只承受拉力不承受壓力的無(wú)質(zhì)量彈性桿連接，并且彈性桿的彈性力僅由彈性桿拉伸應(yīng)變決定；柔性網(wǎng)離散化模型四個(gè)角對(duì)角位置質(zhì)點(diǎn)(1，1)、質(zhì)點(diǎn)(l，n)、質(zhì)點(diǎn)(m，I)和質(zhì)點(diǎn)(m, η)代表自主機(jī)動(dòng)單元的質(zhì)點(diǎn)；
[0011]步驟3、推導(dǎo)各質(zhì)點(diǎn)所受合外力:質(zhì)點(diǎn)(i, j)的質(zhì)量表示為II^j,質(zhì)點(diǎn)(i, j)在參考軌道坐標(biāo)系下的位置矢量為Ru = [x,j, y,j, Zu]T，在動(dòng)力學(xué)模型的仿真與分析中忽略攝動(dòng)力的影響，則質(zhì)點(diǎn)(i，j)在軌道坐標(biāo)系下受到的外力為:
[0012]
【權(quán)利要求】
1.一種空間柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法，其特征在于:將自主機(jī)動(dòng)單元看作質(zhì)量點(diǎn)，自主機(jī)動(dòng)單元在參考系三個(gè)方向的正反均安裝了推力控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，空間柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)與目標(biāo)運(yùn)行在同一圓軌道，且忽略柔性網(wǎng)材料阻尼以及自主機(jī)動(dòng)單元姿態(tài)變化對(duì)空間柔性網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的影響；建模步驟如下: 步驟1、建立建模參考坐標(biāo)系:以目標(biāo)為原點(diǎn)建立軌道坐標(biāo)系OtXyz, X軸沿目標(biāo)運(yùn)行方向，Y軸垂直于軌道平面，與軌道角速度方向一致，z軸沿目標(biāo)向徑方向； 步驟2:將柔性網(wǎng)離散化為mXn個(gè)的質(zhì)點(diǎn)(i，j)的集合，各質(zhì)點(diǎn)與相鄰的質(zhì)點(diǎn)之間依靠只承受拉力不承受壓力的無(wú)質(zhì)量彈性桿連接，并且彈性桿的彈性力僅由彈性桿拉伸應(yīng)變決定；柔性網(wǎng)離散化模型四個(gè)角對(duì)角位置質(zhì)點(diǎn)(1，I)、質(zhì)點(diǎn)(l，n)、質(zhì)點(diǎn)(m，I)和質(zhì)點(diǎn)(m，η)代表自主機(jī)動(dòng)單元的質(zhì)點(diǎn)； 步驟3、推導(dǎo)各質(zhì)點(diǎn)所受合外力:質(zhì)點(diǎn)(i, j)的質(zhì)量表示為n^j,質(zhì)點(diǎn)(i, j)在參考軌道坐標(biāo)系下的位置矢量為Ru = [X^yi,」，Zi,」]τ，在動(dòng)力學(xué)模型的仿真與分析中忽略攝動(dòng)力的影響，則質(zhì)點(diǎn)(i，j)在軌道坐標(biāo)系下受到的外力為:
Fi, j = [Fxi； j, Fyi；J, Fzi； j]T = fi；J+Ti；J 其中:為僅存在于代表自主位姿控制單元的質(zhì)點(diǎn)上的質(zhì)點(diǎn)(i，j)的自主控制力，Ti，」為與質(zhì)點(diǎn)連接的彈性桿應(yīng)變有關(guān)的質(zhì)點(diǎn)(i, j)受到相鄰質(zhì)點(diǎn)的彈性力矢量和； 所述相鄰質(zhì)點(diǎn)間彈性力矢量T’的幅值為:

【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103729517SQ201410007037
【公開(kāi)日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2014年1月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月8日
【發(fā)明者】黃攀峰, 馬駿, 劉正雄, 孟中杰 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)