可视范围优先的在轨操作规划方法与流程

本发明涉及一种可视范围优先的在轨操作规划方法。

背景技术：

近年来，为了让传统航天器具有更长的在轨寿命，或利用空间组装技术突破运载上行的规模限制，达到更好的空间应用效益，在轨服务类空间飞行器构想和研制需求层出不穷。具备多自由度运动机构是这类飞行器的显著特征。另一方面，由于载人航天技术不断推进，航天员已从单纯的空间生存、实施飞行器操作任务，逐渐转向进行更为复杂的空间应用设备操作，在轨机械臂遥操作任务，出舱进行舱外设备维修维护等任务。这些趋势使未来空间任务中的在轨操作项目进一步增加。

长久以来，空间飞行器概念设计阶段及研制初期，飞行器总体设计任务大多集中关注飞行器轨道设计、主要有效载荷作用范围及效果、飞行器构型及规模设计等，该阶段空间飞行器上在轨操作任务的可行性、优化设计尚没有出现有效手段。由于在轨操作任务场景中涉及障碍物的分布，对于在轨操作任务的可行性起决定性作用，缺乏在轨操作任务设计手段使得总体设计需为操作任务预留更多的空间资源，可能造成不必要的构型成本，同时对飞行器操作任务场景范围内设备布局安全性带来风险。

另一方面，考虑到空间机械臂等多自由度操作机构的可靠性、航天员出舱活动和舱外操作的高风险，飞行器总体设计往往需要将在轨操作的动作控制在地面测控人员或舱内外辅助航天员的视场范围之内，可在操作进程提供有效的指令和辅助判断支持。为飞行器总体设计提供具有可见视场偏好的在轨操作任务规划，符合总体设计需求。目前，还未出现一种可在概念设计阶段考虑可见视场的在轨操作任务设计方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可视范围优先的在轨操作规划方法，能够解决空间飞行器总体概念及研制初期对在轨操作任务设计无法有效评判的难题。

为解决上述问题，本发明提供一种可视范围优先的在轨操作规划方法，包括：

1）定义轨操作任务场景，建立障碍物、操作执行者的规划用数字模型；

2）获取可见视场的规划用数字模型，在任务场景中设置可见视场的光心位置和视轴指向；

3)建立操作障碍物的干涉检测列表和选择视场区域的偏好列表；

4)调整操作动作起始构型、目标构型、操作过程中的里程点构型，选择基于随机采样的规划算法；

5)根据上述步骤1）～4）确定的输入，完成项操作任务的轨迹规划。

进一步的，在上述方法中，所述规划用数字模型是指对空间飞行器本体所有实体设备、操作执行者的的pro/e设计模型进行三角化处理，储存和记录各三角元顶点的坐标信息，便于后期进行模型干涉检测的数字模型。

进一步的，在上述方法中，所述可见视场是指空间飞行器设计中空间近景相机视场、航天员人眼视场、舱外人服系统视场、其他观测类设备的观测范围，可见视场的产生设备在空间飞行器上所处位置和姿态、在轨参与任务的航天员操作位置选择，由飞行器总体设计初步确定。

进一步的，在上述方法中，所述步骤4）包括以下步骤：

4-1)对操作执行者各自由度的表征参数进行调整，在预定的范围内选择参数选，以获取操作执行者需要实现的动作状态，所述动作状态所有自由度参数的组合称为构型；

4-2)根据需要确定操作执行者多个动作状态，以初始状态设置初始构型、最终状态设置目标构型，其他指定状态按顺序设定为里程点构型；

4-3)选择基于采样的规划算法，将障碍物的干涉检测列表和选择视场区域的偏好列表传递至所述规划算法的采样点状态检测函数内。

与现有技术相比，本发明主要包括以下步骤：建立在轨操作任务场景、操作执行者的规划用数字模型；建立可见视场的规划用数字模型，在任务场景中设置可见视场的光心位置和视轴指向；建立障碍物干涉检测表和视场偏好表；调整操作动作初始构型、目标构型、操作过程中的里程点构型，选择基于随机采样的规划算法，将干涉检测表和视场偏好约束增加至规划算法内；完成该项操作任务的轨迹规划，形成操作轨迹展示。本发明提出了可视范围优先的在轨操作规划方法，该方法通过建立数字化多自由度机构仿真模型、任务场景模型、视场模型，并基于采用的规划技术，为空间飞行器概念设计和研制初期提供了在轨操作任务的总体设计手段。本发明解决了空间飞行器总体概念及研制初期对在轨操作任务设计无法有效评判的难题，可在概念设计阶段解决在轨操作动作运动轨迹可行性确认，并考虑在轨操作需纳入可视范围这一重要任务执行原则，提高了空间飞行器总体操作任务设计的效率。

附图说明

图1是本发明的可视范围优先的在轨操作规划方法的流程图；

图2是本发明较佳实施例所提供的空间站舱外场景规划用模型三角化实例图；

图3是本发明较佳实施例所提供的空间站操作机械臂构型调整方式实例图；

图4是本发明较佳实施例所提供的在轨操作规划的构型输入列表实例图；

图5是本发明较佳实施例所提供的可见视场规划输入列表实例图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种可视范围优先的在轨操作规划方法，包括：

1）定义轨操作任务场景，建立障碍物、操作执行者的规划用数字模型；

2）获取可见视场的规划用数字模型，在任务场景中设置可见视场的光心位置和视轴指向；

3)建立操作障碍物的干涉检测列表和选择视场区域的偏好列表；

4)调整操作动作起始构型、目标构型、操作过程中的里程点构型，选择基于随机采样的规划算法；

5)根据上述步骤1）～4）确定的输入，完成该项操作任务的轨迹规划。

本发明的可视范围优先的在轨操作规划方法一实施例中，所述规划用数字模型是指对空间飞行器本体所有实体设备、操作执行者的的pro/e设计模型进行三角化处理，储存和记录各三角元顶点的坐标信息，便于后期进行模型干涉检测的数字模型。

本发明的可视范围优先的在轨操作规划方法一实施例中，所述可见视场是指空间飞行器设计中空间近景相机视场、航天员人眼视场、舱外人服系统视场、其他观测类设备的观测范围，可见视场的产生设备在空间飞行器上所处位置和姿态、在轨参与任务的航天员操作位置选择，由飞行器总体设计初步确定。

本发明的可视范围优先的在轨操作规划方法一实施例中，所述步骤4）包括以下步骤：

4-1)对操作执行者各自由度的表征参数进行调整，在预定的范围内选择参数选，以获取操作执行者需要实现的动作状态，所述动作状态所有自由度参数的组合称为构型；

4-2)根据需要确定操作执行者多个动作状态，以初始状态设置初始构型、最终状态设置目标构型，其他指定状态按顺序设定为里程点构型；

4-3)选择基于采样的规划算法，将障碍物的干涉检测列表和选择视场区域的偏好列表传递至所述规划算法的采样点状态检测函数内。

以下将结合图1～图5对本发明的可视范围优先的在轨操作规划方法作进一步的详细描述。

基于本发明的可视范围优先的在轨操作规划方法，本发明实例给出了空间站总体设计中实现具有可见视场偏好的舱外操作任务规划。参见图1，并结合本实施例说明，该方法包括以下步骤：

1)定义在轨操作任务场景，获取规划用数字模型：

具体的，当空间飞行器基本构型设计确定，舱体各部组件及单机布局设计完成，在轨操作所处的实际场景的3d模型初步建立，3d模型可采用pro/engineer软件模型格式。本方法所需的规划用数字模型，可在实际场景的proe模型上进行细节简化，并采用包络收缩模型。随后，3d场景模型进行三角化处理，即模型被划分为三角元组成的实体，规划用数字模型需要保留这些三角元各顶点的坐标信息。如图2所示为本发明的一个在轨操作任务场景的规划用数字模型实例。

操作执行者的规划用数字模型的建立，需分别对各关节的pro/e模型进行三角化处理外，并定义初始状态下各关节模型坐标系之间的转换关系，以转换矩阵形式保存，最后确定后一个关节相对于前一个关节的自由度实现参数，如绕某一定轴旋转或沿某一方向平移。

2)定义视场在场景中位置和指向，获取规划用数字模型：

空间近景相机和航天员人眼是空间飞行器上在轨提供可见视场的基本形式。获取规划用数字模型前必须建立3d实体模型。在轨可观测视场的空间形状受到相机敏感芯片尺寸、相机镜头光学设计、人眼生物视场范围、舱外人服系统视场范围等因素影响，视场的最终覆盖范围需根据与操作执行者的距离进行估算。3d实体模型可采用代码或proe软件详细设计生成，并对该模型进行三角化处理。

空间飞行器总体任务设计初步确定飞行器上空间近景相机的位姿和数量，航天员可在位置和朝向。所确定的相关可见视场位置和指向需转化为可达到任务场景内指定位姿的转换矩阵，并在数字模型内保留相应信息。

3)建立障碍物干涉检测表和视场区域的偏好表：

对于1)、2)步骤中已获取的任务场景数字模型和可见视场数字模型，由空间飞行器任务设计方确定后续规划过程中不允许发生干涉和偏好选择的数字模型，特别对任务场景内的操作执行者模型需指定各关节间不可干涉对。如图5所示为本发明的可见视场纳入偏好列表的形式实例。

4)设置操作初始构型、目标构型、里程点构型，选择基于采样的规划算法：

飞行器总体任务设计过程中，通过控制任务场景内的改变执行者表征各关节自由度的参数，调整操作执行者的各关节的空间位姿，并实时显示操作执行者在任务场景内的状态。如图3所示为本发明的一个构型调整方式实例。操作执行者每个状态下各自由度的参数值组成该状态下的构型值。操作任务设计中，确定操作执行者的操作开始时的构型值、操作结束后的构型值、操作过程中必须执行的构型值。如图4所示为本发明的初始构型、目标构型、里程点构型的列表实例。

本发明的可视范围优先的在轨操作规划方法在实施中采用基于采样的规划算法，并将步骤3）中确定的障碍物干涉检测对象和任务偏好的约束增加至规划算法的采样状态检测函数中。

规划算法的采样状态检测函数采用建立模型的边界体层次结构干涉检测技术，通过规划用数字模型内三角元顶点坐标统计计算，形成定向包络立方体用于覆盖原模型。该层次结构采用递归算法进行构造，其根节点可以是最大的包络体，包含检测对象中所有的位置的点；通过定义两个较小、大小近似且可以覆盖上层包络内所有点的次级包络体作为子节点。根据以上原则进行不断分割，直至表示检测对象的基本组成形式(三角元)。

5)完成在轨操作任务规划，获取操作执行者指定关节的运动轨迹。

根据步骤4)中设定的初始构型、目标构型、里程点构型序列，规划算法逐个针对相邻两个构型进行运动规划，完成序列中所有规划算法后，形成本次在轨操作任务完整操作执行轨迹，并以连续动画的形式显示。

综上所述，本发明主要包括以下步骤：建立在轨操作任务场景、操作执行者的规划用数字模型；建立可见视场的规划用数字模型，在任务场景中设置可见视场的光心位置和视轴指向；建立障碍物干涉检测表和视场偏好表；调整操作动作初始构型、目标构型、操作过程中的里程点构型，选择基于随机采样的规划算法，将干涉检测表和视场偏好约束增加至规划算法内；完成该项操作任务的轨迹规划，形成操作轨迹展示。本发明提出了可视范围优先的在轨操作规划方法，该方法通过建立数字化多自由度机构仿真模型、任务场景模型、视场模型，并基于采用的规划技术，为空间飞行器概念设计和研制初期提供了在轨操作任务的总体设计手段。本发明解决了空间飞行器总体概念及研制初期对在轨操作任务设计无法有效评判的难题，可在概念设计阶段解决在轨操作动作运动轨迹可行性确认，并考虑在轨操作需纳入可视范围这一重要任务执行原则，提高了空间飞行器总体操作任务设计的效率，满足目前空间飞行器概念设计及研制初期总体设计对在轨操作任务规划的需求。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。