CN103870665A - 空间机械臂辅助对接过程三维动态仿真方法 - Google Patents

Abstract

空间机械臂辅助对接过程三维动态仿真方法，它涉及一种三维动态仿真方法，具体涉及一种空间机械臂辅助对接过程三维动态仿真方法。本发明为了解决地面指挥控制人员和航天员不能直观的看到机械臂，给机械臂的运动控制带来麻烦的问题。本发明的具体步骤为：搭建实现环境；空间机械臂三维虚拟建模与显示；建立运动模型；基于摇杆控制器的机械臂运动仿真；机械臂柔性臂杆受力及变形实时渲染；机械臂末端运行轨迹的动态显示；辅助对接过程中的多视角交互式漫游；空间机械臂辅助对接过程的工程值及曲线显示。本发明用于计算机仿真模拟技术领域。

Description

空间机械臂辅助对接过程三维动态仿真方法

技术领域

本发明涉及一种三维动态仿真方法，具体涉及一种空间机械臂辅助对接过程三维动态仿真方法，属于计算机仿真模拟技术领域。

背景技术

三维计算机仿真的应用涉及游戏、产品展示、虚拟制造及装配、航空航天模拟等各个方面，仿真可视化已经成为科研人员开发仿真系统、开展仿真实验的重要辅助手段。空间机械臂是深入开展载人航天活动必不可少的工具，它在空间站系统中承担着舱段捕获与转移、仪器设备转移与安装、辅助航天员出舱作业等功能。空间机械臂系统属于大型空间设备，具备承载能力大、定位精度高、柔性特性明显等特点，技术纵深大，交叉学科和关联环节多，涉及机、电、热、控等多个学科领域，是一个多学科集成化、一体化的典型系统。大型空间柔性机械臂共有七个自由度（肩部三个自由度，肘部一个自由度，腕部三个自由度），与简单机构相比较，其运动过程十分复杂，工作人员凭想象力难以直观的预测出机械臂的运行状态。在实际使用过程中，地面指挥控制人员和航天员均不能直观的看到机械臂，而且由于空间机械臂柔性振动显著，对本体冲击较大，这都给运动控制带来不便。

发明内容

本发明为解决地面指挥控制人员和航天员不能直观的看到机械臂，给机械臂的运动控制带来麻烦的问题，进而提出空间机械臂辅助对接过程三维动态仿真方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的具体步骤如下：

步骤一、搭建实现环境：采用VC++构建系统平台和人机交互界面，利用OSG三维渲染引擎实现空间机械臂辅助对接过程的三维虚拟仿真；

步骤二、空间机械臂三维虚拟建模与显示：利用3DSMAX和Multigen Creator建立和装配空间站与机械臂的三维模型，并建立地、月、日等邻近空间场景；

步骤三、建立运动模型：基于轨道动力学模型及姿态动力学模型搭建空间站的运动模型，并导入轨道参数及姿态数据仿真空间的运行状态；

步骤四、基于摇杆控制器的机械臂运动仿真：通过摇杆操作机械臂实现抓取、辅助对接、转移舱段等过程，模拟真实对接任务；

步骤五、机械臂柔性臂杆受力及变形实时渲染：在机械臂执行舱段抓取、转移、对接与分离任务过程中，能够以颜色及矢量箭头的形式描述柔性臂杆的受力状态，以云图的形式描述柔性臂杆的变形状态；

步骤六、机械臂末端运行轨迹的动态显示：在辅助对接过程中实时绘制机械臂末端运动轨迹，通过观察机械臂末端运动轨迹，验证仿真数据、预判机械臂和舱体是否干涉；

步骤七、辅助对接过程中的多视角交互式漫游：通过安装在机械臂上的全局和局部相机，实现不同位置、不同视角的相机现场显示，模拟实际的观察效果；

步骤八、空间机械臂辅助对接过程的工程值及曲线显示：通过接收遥测遥控数据，直观的显示空间站及机械臂的轨道、姿态、机械臂的关节及臂杆各工程值的状态变化和取值情况，并绘制时域曲线。

本发明的有益效果是：本发明能够实现空间站、空间机械臂、舱段及其附属设备的精细建模和高精度装配；本发明能够实现地、月、日及星系等邻近空间环境的建模及渲染；本发明能够实现空间机械臂的臂杆柔性振动、臂杆受力状态及变形状态等力学特性的可视化仿真；本发明能够以颜色和箭头的形式表示臂杆受力情况，以云图的形式表示臂杆变形情况；本发明能够完成空间机械臂辅助对接过程中舱段抓取、转移、对接及分离过程的三维可视化仿真；本发明能够实现辅助对接过程中各种工程值显示和曲线绘制；本发明能够实现全局相机、局部相机等各相机视场的显示；本发明能够支持本地离线运行模式及地面试验平台、仿真验证系统联机协同运行模式。本发明是在由VC++和OSG三维渲染引擎共同搭建的环境中完成的，VC++用于构建系统平台和相关界面，OSG三维渲染引擎提供虚拟现实技术来用于实现空间机械臂辅助对接过程三维动态虚拟仿真，相比于传统的三维渲染技术，OSG虚拟现实技术使仿真结构更加直观化、现场化，并具备良好的可视化交互性能。本发明中星体建模仿真主要基于开源星体仿真方案osgEarth进行二次开发，可实现的功能有高精度地图纹理生成、地球云层、地球光晕、太阳光晕及其光斑效果等。

附图说明

图1是本发明的流程框图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述空间机械臂辅助对接过程三维仿真方法是通过如下步骤实现的：

步骤一、搭建实现环境：采用VC++构建系统平台和人机交互界面，利用OSG三维渲染引擎实现空间机械臂辅助对接过程的三维虚拟仿真；

步骤二、空间机械臂三维虚拟建模与显示：利用3DSMAX和Multigen Creator建立和装配空间站与机械臂的三维模型，并建立地、月、日等邻近空间场景；

步骤三、建立运动模型：基于轨道动力学模型及姿态动力学模型搭建空间站的运动模型，并导入轨道参数及姿态数据仿真空间的运行状态；

步骤四、基于摇杆控制器的机械臂运动仿真：通过摇杆操作机械臂实现抓取、辅助对接、转移舱段等过程，模拟真实对接任务；

步骤五、机械臂柔性臂杆受力及变形实时渲染：在机械臂执行舱段抓取、转移、对接与分离任务过程中，能够以颜色及矢量箭头的形式描述柔性臂杆的受力状态，以云图的形式描述柔性臂杆的变形状态；

步骤六、机械臂末端运行轨迹的动态显示：在辅助对接过程中实时绘制机械臂末端运动轨迹，通过观察机械臂末端运动轨迹，验证仿真数据、预判机械臂和舱体是否干涉；

步骤七、辅助对接过程中的多视角交互式漫游：通过安装在机械臂上的全局和局部相机，实现不同位置、不同视角的相机现场显示，模拟实际的观察效果；

步骤八、空间机械臂辅助对接过程的工程值及曲线显示：通过接收遥测遥控数据，直观的显示空间站及机械臂的轨道、姿态、机械臂的关节及臂杆各工程值的状态变化和取值情况，并绘制时域曲线。

本实施方式的步骤一中VC++用于构建系统平台和相关界面，充分利用MFC平台的技术特点，采用包括单文档多视图技术、Fluent UI技术、GDI技术等设计了人性化的人机交互界面，界面美观简洁、操作简单易懂；OSG三维渲染引擎提供虚拟现实技术来用于实现空间机械臂辅助对接过程三维动态虚拟仿真，相比于传统的三维渲染技术，OSG虚拟现实技术使仿真结果更加直观化、现场化，并具备良好的可视化交互性能。

步骤二中三维虚拟场景模拟是对空间站、机械臂、地、月、日等临近空间场景进行三维模拟，通过对模型的精细建模和渲染可以更加真实的描述目标模型，提高模型真实度。在装配的过程中对模型中的零件进行碰撞检测，以验证装配结果，该模块主要包括模型建模与场景建模，模型建模包括空间站、空间机械臂、转运舱段及其附属设备建模；场景建模包括地、月、日、星系、光晕、云层及耀斑等临近空间星体及星体效果的建模；所有模型都以IVE格式的二进制文件方式存储，该模块属于可扩展模块，任何IVE格式的模型均可以添加到此模型库模块中，具体建模方法如下：

步骤一、根据真实的空间站和机械臂尺寸，利用三维动画渲染制作软件3DS MAX重构出相应的虚拟三维对象实体，运用材质贴图、布尔运算等方法进行处理和构型，并以FLT格式文件导出；

步骤二、利用三维虚拟仿真建模软件Multigen Creator对机械臂关节处添加DOF节点，使用OSG访问上述节点并调用，以实现机械臂关节运动。绘制空间站和转运舱段模型时，采用LOD技术，使用多组由简到繁的绘制方案来实现同一个模型的渲染，并设置由远及近时的LOD切换动作，达到减轻渲染负担和保证渲染质量的多重目的；

步骤三、最后将FLT格式文件转换为调用效率更高的IVE格式文件。

在程序中构建的三维虚拟模型与真实结构相比，需要经过必要的简化。如果完全重构与实际机构、结构可比拟的虚拟模型，几何数据十分庞大，这将增加计算机在渲染过程中模型数据处理量，因此在构建虚拟模型时，凡是不可见的零部件均被去除。经过这样处理后，3D模型的几何节点数据量大大减小，有利于3D模型动态更新和处理。其中DOF表示自由度，LOD表示多细节层次。

地球光晕的渲染主要依据大气散射构建出大气层的散射纹理，然后在构建出的纹理的基础上计算渲染大气层的散射模型。大气层光谱渲染时，先计算大气层光谱，而后计算地球光谱和地球背影处的光谱，最后计算光学厚度，从而完成地球光晕的渲染。

太阳光晕采用告示牌技术实现。当逆向观察太阳时，太阳光将出现光斑，为了真实直观的显示光斑，可以通过实时计算视场位置及投向太阳的视线方向，当视线在阈值范围内时，则渲染光斑；视线在阈值范围外时，则不渲染。其中光斑为若干圆环及圆球的透明体，能够较为真实的反应逆光时太阳光线的特点。

步骤三中由轨道计算程序预先或实时给出不同时刻空间站轨道参数，其中轨道参数主要包括轨道长半轴α、轨道偏心率e、轨道倾角i、升交点赤经Ω、近心点角距ω、t₀时刻的平近点角M₀或真近点角θ。通过上述参数的配合可以计算得到某时刻的星体的轨道信息；在MFC工作线程里的每一仿真步长中实现对空间站轨道参数的更新，利用更新后的数据通过OSG线程来对场景中的目标进行渲染更新，在每一帧中遍历更新星体的轨道参数值，有时需要将参数值由全局坐标系变换到相对坐标系中对模型的位置进行赋值，绘制新位置处的视景环境，以实现视景中的相对运动。

步骤四中空间机械臂执行辅助对接任务主要包含以下几个阶段：对接开始前空间站及附属舱段在目标轨道的姿态保持阶段、准备执行对接任务时机械臂展开及爬行阶段、执行对接任务中机械臂抓取目标舱段阶段、机械臂转移目标舱段阶段、目标舱段对接阶段以及对接任务完成后机械臂调整姿态待机阶段；以上各阶段机械臂运动数据以及转运舱段的运动数据由机械臂动力学与控制程序提供；机械臂动力学与控制程序在输出上述数据时，需要输入路径规划数据作为计算依据；对于路径规划数据可以通过路径规划程序提供或由摇杆控制器提供。

机械臂的路径规划是在运动学和动力学的基础上，研究在关节空间和笛卡儿空间机械臂运动的轨迹规划和轨迹生成方法；本发明采用面向关节空间的规划方法。

在已知机械臂的动作路径后，动力学与控制程序将对机械臂的每一个关节节点和臂杆节点建立D-H(Denavit-Hartenberg)坐标，获得D-H参数表，建立变换矩阵。对抓取、辅助对接、转移舱段的过程规划路径点，路径点用工具坐标系{T}相对于工作坐标系{S}的位姿来表示，用运动学反解将路径点转换成关节矢量角度值，然后对每个关节拟合成一个光滑函数，使之从起始点开始，依次通过所有路径点，最后到达目标点。对于每一段路径，各个关节运动时间均相同，这样保证所有关节同时到达路径点和终止点，从而得到工具坐标系{T}应有的位置和姿态。将得到的关节和臂杆的位置和姿态数据传给OSG以实现数据驱动，从而实现机械臂沿规划路径的运动或摇杆操作机械臂的运动，从而实现舱段抓取、转位、对接等过程。

本发明中采用DirectX SDK中提供的DirectInput库文件来实现对摇杆操作的支持，这样就可以在OSG中实现对摇杆动作的响应及事件回调，完成机械臂的驱动。

为了进一步提高真实度和显示效果，本发明中添加了机械臂在空间站的阴影效果及舱段的虚影效果。在实现阴影效果时，将太阳光源作为投影源，空间站作为投影区域，机械臂作为投影节点，在辅助对接过程中实时计算机械臂阴影的投射位置来模拟阴影效果；舱段虚影显示是为了便于观察机械臂操作是否达到预期结果，对转运舱段原位置和目标位置进行透明处理，实现虚影显示效果，当转移舱段与虚影重合时，说明舱段到达目标位置，转位任务成功。

步骤五中采用GLSL着色语言来实现对臂杆受力及变形的渲染。着色语言可以对图形处理管线的大多数重要阶段实施完全的控制，实现需要的图形渲染效果。本发明中，将机械臂的臂杆划分成多段圆柱单元，对每一段单元使用GLSL着色语言修改顶点着色器和片元着色器以改变单元的光照、颜色和透明度，按柔性变形大小计算单元颜色，建立变形量与颜色的对应函数关系，并根据上述对应关系以云图的形式绘制颜色标尺，以直观的显示上述对应关系。本发明中以箭头的长短和方向表征单元受力的大小和方向，以颜色的深浅表征单元变形量的大小。

臂杆受力和变形数据由机械臂动力学与控制程序提供或通用多体动力学分析软件MSC.ADAMS仿真得到，在MFC工作者线程里的每一仿真步长中实现对受力和变形参数的更新，利用这些数据通过OSG线程实时驱动场景中作用力箭头的大小和方向以及单元颜色的变化，从而直观的显示出在辅助对接任务中机械臂臂杆的力学状态。

步骤六中在空间机械臂机运动过程中，通过实时获取机械臂末端某位置的顶点坐标及法线数据，以回调函数的形式添加绘制函数，将该位置不断变化的顶点坐标及法线数据以曲线的形式绘制出来，从而形成机械臂末端的运动轨迹。通过观察机械臂末端运动轨迹，验证仿真数据、预判机械臂和舱体是否干涉。

步骤七中相机分为安装于星体上的全局相机及安装于机械臂上的局部相机，全局相机的位置及视角根据安装初始值能够确定，而局部相机的位置及视角由于运动机构的动作而实时变化，因此需要根据运动数据实时的对相机位置及视线方向进行动态更新。为了模拟相机视场变化及相机焦距的变化，还需要根据相机的光学参数对视景体投射矩阵进行调整。通过对相机节点的矩阵变化实现视点的变换，视点变换矩阵负责将世界坐标系下的物体变换到相机局部坐标系下，变换公式为：

V_vcs=V_wcs·M_view

其中，V_vcs为相机局部坐标系，V_wcs为全局/世界坐标系，M_view为视点变换矩阵。

本发明中根据任务需求，将局部相机分别安装于机械臂的肩部、肘部和腕部，观察者可以根据需求查看机械臂不同关节的运行情况，实现不同视角、不同缩放比例的相机视场显示，模拟真实的观察效。

步骤八中通过接收遥测遥控数据，直观的显示对接过程中空间站及机械臂的轨道、姿态、机械臂的关节及臂杆的受力、变形等各工程值的状态变化和取值情况，并绘制时域曲线或对比曲线，以准确提供关键状态参数的曲线分析。本发明在表示工程值状态、取值以及绘制目标曲线时，需要根据所需显示的参数和通讯协议，指定需要接收的遥测数据，并对接收到的遥测数据进行解析和处理，从数据包中解算出所选参数的时标及工程值，而后根据步长的变化，绘制参数随时间变化的曲线，从而完成对工程数据的曲线显示。

Claims (1)

1.空间机械臂辅助对接过程三维仿真方法，其特征在于：所述空间机械臂辅助对接过程三维仿真方法的具体步骤如下：

步骤一、搭建实现环境：采用VC++构建系统平台和人机交互界面，利用OSG三维渲染引擎实现空间机械臂辅助对接过程的三维虚拟仿真；

步骤二、空间机械臂三维虚拟建模与显示：利用3DSMAX和Multigen Creator建立和装配空间站与机械臂的三维模型，并建立地、月、日等邻近空间场景；

步骤三、建立运动模型：基于轨道动力学模型及姿态动力学模型搭建空间站的运动模型，并导入轨道参数及姿态数据仿真空间的运行状态；

步骤四、基于摇杆控制器的机械臂运动仿真：通过摇杆操作机械臂实现抓取、辅助对接、转移舱段等过程，模拟真实对接任务；

步骤五、机械臂柔性臂杆受力及变形实时渲染：在机械臂执行舱段抓取、转移、对接与分离任务过程中，能够以颜色及矢量箭头的形式描述柔性臂杆的受力状态，以云图的形式描述柔性臂杆的变形状态；

步骤六、机械臂末端运行轨迹的动态显示：在辅助对接过程中实时绘制机械臂末端运动轨迹，通过观察机械臂末端运动轨迹，验证仿真数据、预判机械臂和舱体是否干涉；

步骤七、辅助对接过程中的多视角交互式漫游：通过安装在机械臂上的全局和局部相机，实现不同位置、不同视角的相机现场显示，模拟实际的观察效果；

步骤八、空间机械臂辅助对接过程的工程值及曲线显示：通过接收遥测遥控数据，直观的显示空间站及机械臂的轨道、姿态、机械臂的关节及臂杆各工程值的状态变化和取值情况，并绘制时域曲线。

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