CN106918434A - 一种在线避障的六自由度捕获轨迹试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在线避障的六自由度捕获轨迹试验方法，在捕获轨迹试验中，分离体模型受气动力作用，从当前位姿点运动到目标位恣点，在该连续运动曲线上取n个离散的位姿点，用碰撞检测方法检测出将发生碰撞的位姿点，然后用专家避障方法重新规划运动曲线，成功完成试验。本发明的在线避障的六自由度捕获轨迹试验方法将碰撞检测与避障方法运用于捕获轨迹试验中，能够实时进行碰撞检测，并在碰撞检测后重新进行路径规划，避免了分离体模型及其测力天平支杆与主体模型相碰的“假碰撞”现象，提高了捕获轨迹试验的安全性，同时降低试验失败的次数，节约试验成本。

Description

一种在线避障的六自由度捕获轨迹试验方法
技术领域
本发明属于高超声速风洞试验技术领域，具体涉及一种在线避障的六自由度捕获轨迹试验方法。
背景技术
捕获轨迹（Captive Trajectory Simulation, CTS）技术是一种在风洞中对分离体模型与主体模型分离后的运动轨迹进行模拟的试验技术，该技术集风洞运行、分离体模型测量和姿态控制、CTS六自由度机构运动控制、天平信号测量、轨迹计算等众多环节于一体。
CTS系统是用来支撑分离体模型，在风洞中模拟分离体模型分离过程的试验系统。目前，国内多数六自由度捕获轨迹试验系统所采用的方法是闭环形式的位置控制，分离体模型处于定速间歇式运动模式，主要存在以下不足：
分离体模型运动为非连续性，轨迹点的下一点位置是预测产生，并不一定和分离体模型六自由度动力学方程规定位置始终重合，只要求满足目标位置点的精度，重心也不能连续保持在真实的运动轨迹上，即分离体模型的运动轨迹不能做到实时在轨，容易导致分离体模型及测力天平支杆与主体模型相碰，形成“假碰撞”现象，迫使轨迹的生成半途终止，成为实验的安全隐患。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在线避障的六自由度捕获轨迹试验方法。
本发明的在线避障的六自由度捕获轨迹试验方法，其特点是：所述的试验方法使用的试验设备包括上位计算机、下位计算机、电机驱动器、电机、CTS六自由度机构、位置传感器和测力天平；所述的电机驱动器包括X1轴电机驱动器、X2轴电机驱动器、Y轴电机驱动器、Z1轴电机驱动器、Z2轴电机驱动器、α轴电机驱动器、β轴电机驱动器和γ轴电机驱动器；所述的电机包括与电机驱动器对应的X1轴电机、X2轴电机、Y轴电机、Z1轴电机、Z2轴电机、α轴电机、β轴电机和γ轴电机；
其连接关系是，所述的上位计算机、下位计算机和电机驱动器通过网线连接，电机驱动器和电机通过信号线和动力线连接，位置传感器和下位计算机通过信号线连接、测力天平和下位计算机通过信号线连接；分离体模型内部安装有测力天平，测力天平的支杆与CTS六自由度机构固定连接，六自由度机构内安装有位置传感器；所述的电机驱动器驱动电机控制六自由度机构通过测力天平的支杆带动分离体模型运动；
所述的上位计算机安装有人机互动程序，人机互动程序用于读取和写入数据、执行试验、显示当前速度和位置、显示天平信号；
所述的下位计算机安装有软件PLC，软件PLC用于控制分离体模型运动、碰撞检测、调用分离体模型避障方法；
所述的位置传感器检测分离体模型的运行位置信号，并将其传送到下位计算机；
所述的测力天平测量分离体模型的气动力，并将其传送至下位计算机；
所述的具有在线避障功能的六自由度捕获轨迹试验方法包括以下步骤：
1a.上位计算机读取测力天平的气动力系数、气动解算参数，并将其写入下位计算机；
1b.上位计算机读取试验位姿点个数m、碰撞检测上限次数C、运动时间t1、目标位姿点停留时间t2，并将其写入下位计算机；位姿序列为W0、W1、……、Wi、……、Wm，初始位姿为W0，当前位姿为Wi，目标位姿为Wi+1；碰撞检测序列为1、2、……、j、……、C；
1c.分离体模型运动到初始位姿W0；
1d.上位计算机设置初始位姿W0为测力天平测量的第一个当前位姿Wi，并将当前位姿Wi的位姿写入下位计算机，下位计算机控制测力天平在时间t2内完成当前位姿Wi的气动力测量；
1e.根据当前位姿Wi的测力结果，下位计算机气动解算出目标位姿Wi+1；
1f.下位计算机通过分离体模型的碰撞检测方法判断目标位姿Wi+1是否发生碰撞，若发生碰撞，则试验结束；若未发生碰撞，则下位计算机规划当前位姿Wi和目标位姿Wi+1之间的连续运动曲线；
1g.下位计算机从连续运动曲线上取n个离散的位姿点；
1h.在下位计算机中，对这n个离散的位姿点通过分离体模型的碰撞检测方法进行碰撞检测；
若发生碰撞且碰撞检测次数没有达到上限次数C，则调用下位计算机的专家避障方法重新规划当前位姿到目标位姿的运动轨迹，得新的连续运动曲线，并用计数器记录碰撞检测次数；设碰撞检测次数为j，初始值为0，每碰撞检测一次，则j=j+1，转入步骤1g；
若发生碰撞且碰撞检测次数达到上限次数C，则试验结束；
若没有发生碰撞，则分离体模型开始运动，在时间t1内到达目标位姿Wi+1；
1i.位姿序列递增，若i<m，则测力天平在时间t2内完成目标位姿Wi+1的分离体模型气动力测量后，i=i+1，转入步骤1e；若i=m，则试验结束。
分离体模型包围盒为一个虚拟的包裹分离体模型的最小圆柱体，圆柱体的轴线为分离体模型的对称线，圆柱体的长度为分离体模型的长度，圆柱体的半径为分离体模型的最大径向长度；喷管包围盒为一个虚拟的带有凹槽的圆柱体，圆柱体的轴线为风洞喷管的中心线，圆柱体的圆柱面包裹风洞喷管等直段，圆柱体的长度大于风洞喷管等直段的长度，圆柱体的两端伸出风洞喷管等直段，圆柱体靠近风洞喷管出口端的端面有圆柱形的凹槽，凹槽的深度小于风洞喷管等直段的长度，凹槽的直径略小于风洞喷管等直段的内径；
所述的分离体模型的碰撞检测方法包括以下步骤：
2a.根据分离体模型包围盒在风洞空间直角坐标系中的坐标得到分离体模型包围盒的初始位姿W0的空间位置矩阵A；
2b.根据喷管包围盒在风洞空间直角坐标系中的坐标得到喷管包围盒的空间位置矩阵B；
2c.根据下位计算机的指示信号，分别计算分离体模型包围盒在当前位姿Wi、目标位姿Wi+1和连续运动曲线上的n个离散的位姿点的位置矩阵A1；
2d.计算判断分离体模型包围盒的位置矩阵A1与喷管包围盒的空间位置矩阵B是否有交集，若没有交集则分离体模型运动到目标位姿后未与风洞喷管不发生碰撞，若有交集则发生碰撞。
分离体模型包围盒在当前位姿Wi的位置坐标为P0(X0,Y0,Z0)，在目标位姿Wi+1的位置坐标为P2(X2,Y2,Z2)，分离体模型包围盒以当前路径P0~P2进行运动时会在途中与障碍物发生碰撞，所述的专家避障方法重新设计运动路径以避开障碍物，具体包括以下步骤：
3a.确定障碍物的碰撞边界，以障碍物中心为圆心绘制半径为r的圆形Ⅰ；
3b. 确定障碍物的安全边界，以障碍物中心为圆心绘制半径为R的圆形Ⅱ，R＞r；
3c.确定障碍物的安全距离为P0(X0,Y0,Z0)到圆形Ⅰ的距离D；
3d.以P0(X0,Y0,Z0) 、P2(X2,Y2,Z2)为圆弧的两端拟合曲线，曲线与圆形Ⅱ相切，切点为P1(X1,Y1,Z1)；
3e.得到障碍物的安全距离为D的分离体模型包围盒的最短安全运行曲线P0~P1~P2。
本发明一种在线避障的六自由度捕获轨迹试验方法，该方法通过判断所规划的分离体模型运动轨迹是否发生碰撞，若碰撞，则调用专家避障方法重新规划，来得到一条无碰撞的运动轨迹。该方法用于轨迹捕获试验中，模拟分离体模型和主体模型分离过程，所述的主体模型是固定在风洞内某一点不动的模型，所述的分离体模型是受气动力运动的模型。
分离体模型和主体模型会产生“假碰撞”现象，所述的“假碰撞”现象是由于分离体模型运动为非连续性，轨迹点的下一点位置是预测产生，并不一定和分离体模型六自由度动力学方程规定位置始终重合，分离体模型重心也不能连续保持在真实的运动轨迹上，容易导致分离体模型及其测力天平支杆与主体模型相碰。
本发明提出的在线避障的六自由度捕获轨迹试验方法将碰撞检测与避障方法运用于捕获轨迹试验中，能够实时进行碰撞检测，并在碰撞检测后立即进行避障的路径规划，避免了分离体模型及其测力天平支杆与主体模型相碰的“假碰撞”现象，提高了捕获轨迹试验的安全性，同时降低试验失败的次数，节约试验成本。
附图说明
图1为本发明中的分离体模型CTS六自由度机构控制系统原理图；
图2为本发明中的捕获轨迹试验流程图；
图3为本发明中的分离体模型包围盒、喷管包围盒位置示意图；
图4为本发明中的专家避障方法原理图；
图中，1.分离体模型，2.分离体模型包围盒，3.喷管，4.喷管包围盒。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明。
本发明的在线避障的六自由度捕获轨迹试验方法使用的试验设备包括上位计算机、下位计算机、电机驱动器、电机、CTS六自由度机构、位置传感器和测力天平；所述的电机驱动器包括X1轴电机驱动器、X2轴电机驱动器、Y轴电机驱动器、Z1轴电机驱动器、Z2轴电机驱动器、α轴电机驱动器、β轴电机驱动器和γ轴电机驱动器；所述的电机包括与电机驱动器对应的X1轴电机、X2轴电机、Y轴电机、Z1轴电机、Z2轴电机、α轴电机、β轴电机和γ轴电机；
其连接关系如图1所示，所述的上位计算机、下位计算机和电机驱动器通过网线连接，电机驱动器和电机通过信号线和动力线连接，位置传感器和下位计算机通过信号线连接、测力天平和下位计算机通过信号线连接；分离体模型内部安装有测力天平，测力天平的支杆与CTS六自由度机构固定连接，六自由度机构内安装有位置传感器；所述的电机驱动器驱动电机控制CTS六自由度机构通过测力天平的支杆带动分离体模型运动；
所述的上位计算机安装有人机互动程序，人机互动程序用于读取和写入数据、执行试验、显示当前速度和位置、显示天平信号；
所述的下位计算机安装有软件PLC，软件PLC用于控制分离体模型运动、碰撞检测、调用分离体模型避障方法；
所述的位置传感器检测分离体模型的运行位置信号，并将其传送到下位计算机；
所述的测力天平测量分离体模型的气动力，并将其传送至下位计算机；
如图2所示，所述的具有在线避障功能的六自由度捕获轨迹试验方法包括以下步骤：
1a.上位计算机读取测力天平的气动力系数、气动解算参数，并将其写入下位计算机；
1b.上位计算机读取试验位姿点个数m、碰撞检测上限次数C、运动时间t1、目标位姿点停留时间t2，并将其写入下位计算机；位姿序列为W0、W1、……、Wi、……、Wm，初始位姿为W0，当前位姿为Wi，目标位姿为Wi+1；碰撞检测序列为1、2、……、j、……、C；
1c.分离体模型运动到初始位姿W0；
1d.上位计算机设置初始位姿W0为测力天平测量的第一个当前位姿Wi，并将当前位姿Wi的位姿写入下位计算机，下位计算机控制测力天平在时间t2内完成当前位姿Wi的气动力测量；
1e.根据当前位姿Wi的测力结果，下位计算机气动解算出目标位姿Wi+1；
1f.下位计算机通过分离体模型的碰撞检测方法判断目标位姿Wi+1是否发生碰撞，若发生碰撞，则试验结束；若未发生碰撞，则下位计算机规划当前位姿Wi和目标位姿Wi+1之间的连续运动曲线；
1g.下位计算机从连续运动曲线上取n个离散的位姿点；
1h.在下位计算机中，对这n个离散的位姿点通过分离体模型的碰撞检测方法进行碰撞检测；
若发生碰撞且碰撞检测次数没有达到上限次数C的运动轨迹，得新的连续运动曲线，并用计数器记录碰撞检测次数；设碰撞检测次数为j，初始值为0，每碰撞检测一次，则j=j+1，转入步骤1g；
若发生碰撞且碰撞检测次数达到上限次数C，则试验结束；
若没有发生碰撞，则分离体模型开始运动，在时间t1内到达目标位姿Wi+1；
1i.位姿序列递增，若i<m，则测力天平在时间t2内完成目标位姿Wi+1的分离体模型气动力测量后，i=i+1，转入步骤1e；若i=m，则试验结束。
如图3所示，分离体模型包围盒为一个虚拟的包裹分离体模型的最小圆柱体，圆柱体的轴线为分离体模型的对称线，圆柱体的长度为分离体模型的长度，圆柱体的半径为分离体模型的最大径向长度；喷管包围盒为一个虚拟的带有凹槽的圆柱体，圆柱体的轴线为风洞喷管的中心线，圆柱体的圆柱面包裹风洞喷管等直段，圆柱体的长度大于风洞喷管等直段的长度，圆柱体的两端伸出风洞喷管等直段，圆柱体靠近风洞喷管出口端的端面有圆柱形的凹槽，凹槽的深度小于风洞喷管等直段的长度，凹槽的直径略小于风洞喷管等直段的内径；
所述的分离体模型的碰撞检测方法包括以下步骤：
2a.根据分离体模型包围盒在风洞空间直角坐标系中的坐标得到分离体模型包围盒的初始位姿W0的空间位置矩阵A；
2b.根据喷管包围盒在风洞空间直角坐标系中的坐标得到喷管包围盒的空间位置矩阵B；
2c.根据下位计算机的指示信号，分别计算分离体模型包围盒在当前位姿Wi、目标位姿Wi+1和连续运动曲线上的n个离散的位姿点的位置矩阵A1；
2d.计算判断分离体模型包围盒的位置矩阵A1与喷管包围盒的空间位置矩阵B是否有交集，若没有交集则分离体模型运动到目标位姿后未与风洞喷管不发生碰撞，若有交集则发生碰撞。
如图4所示，分离体模型包围盒在当前位姿Wi的位置坐标为P0(X0,Y0,Z0)，在目标位姿Wi+1的位置坐标为P2(X2,Y2,Z2)，分离体模型包围盒以当前路径P0~P2进行运动时会在途中与障碍物发生碰撞，所述的专家避障方法重新设计运动路径以避开障碍物，具体包括以下步骤：
3a.确定障碍物的碰撞边界，以障碍物中心为圆心绘制半径为r的圆形Ⅰ；
3b. 确定障碍物的安全边界，以障碍物中心为圆心绘制半径为R的圆形Ⅱ，R＞r；
3c.确定障碍物的安全距离为P0(X0,Y0,Z0)到圆形Ⅰ的距离D；
3d.以P0(X0,Y0,Z0) 、P2(X2,Y2,Z2)为圆弧的两端拟合曲线，曲线与圆形Ⅱ相切，切点为P1(X1,Y1,Z1)；
3e.得到障碍物的安全距离为D的分离体模型包围盒的最短安全运行曲线P0~P1~P2。

Claims (3)

1.一种在线避障的六自由度捕获轨迹试验方法，其特征在于：所述的试验方法使用的试验设备包括上位计算机、下位计算机、电机驱动器、电机、CTS六自由度机构、位置传感器和测力天平；所述的电机驱动器包括X1轴电机驱动器、X2轴电机驱动器、Y轴电机驱动器、Z1轴电机驱动器、Z2轴电机驱动器、α轴电机驱动器、β轴电机驱动器和γ轴电机驱动器；所述的电机包括与电机驱动器对应的X1轴电机、X2轴电机、Y轴电机、Z1轴电机、Z2轴电机、α轴电机、β轴电机和γ轴电机；
其连接关系是，所述的上位计算机、下位计算机和电机驱动器通过网线连接，电机驱动器和电机通过信号线和动力线连接，位置传感器和下位计算机通过信号线连接、测力天平和下位计算机通过信号线连接；分离体模型内部安装有测力天平，测力天平的支杆与CTS六自由度机构固定连接，六自由度机构内安装有位置传感器；所述的电机驱动器驱动电机控制六自由度机构通过测力天平的支杆带动分离体模型运动；
所述的上位计算机安装有人机互动程序，人机互动程序用于读取和写入数据、执行试验、显示当前速度和位置、显示天平信号；
所述的下位计算机安装有软件PLC，软件PLC用于控制分离体模型运动、碰撞检测、调用分离体模型避障方法；
所述的位置传感器检测分离体模型的运行位置信号，并将其传送到下位计算机；
所述的测力天平测量分离体模型的气动力，并将其传送至下位计算机；
所述的具有在线避障功能的六自由度捕获轨迹试验方法包括以下步骤：
1a.上位计算机读取测力天平的气动力系数、气动解算参数，并将其写入下位计算机；
1b.上位计算机读取试验位姿点个数m、碰撞检测上限次数C、运动时间t1、目标位姿点停留时间t2，并将其写入下位计算机；位姿序列为W0、W1、……、Wi、……、Wm，初始位姿为W0，当前位姿为Wi，目标位姿为Wi+1；碰撞检测序列为1、2、……、j、……、C；
1c.分离体模型运动到初始位姿W0；
1d.上位计算机设置初始位姿W0为测力天平测量的第一个当前位姿Wi，并将当前位姿Wi的位姿写入下位计算机，下位计算机控制测力天平在时间t2内完成当前位姿Wi的气动力测量；
1e.根据当前位姿Wi的测力结果，下位计算机气动解算出目标位姿Wi+1；
1f.下位计算机通过分离体模型的碰撞检测方法判断目标位姿Wi+1是否发生碰撞，若发生碰撞，则试验结束；若未发生碰撞，则下位计算机规划当前位姿Wi和目标位姿Wi+1之间的连续运动曲线；
1g.下位计算机从连续运动曲线上取n个离散的位姿点；
1h.在下位计算机中，对这n个离散的位姿点通过分离体模型的碰撞检测方法进行碰撞检测；
若发生碰撞且碰撞检测次数没有达到上限次数C，则调用下位计算机的专家避障方法重新规划当前位姿到目标位姿的运动轨迹，得新的连续运动曲线，并用计数器记录碰撞检测次数；设碰撞检测次数为j，初始值为0，每碰撞检测一次，则j=j+1，转入步骤1g；
若发生碰撞且碰撞检测次数达到上限次数C，则试验结束；
若没有发生碰撞，则分离体模型开始运动，在时间t1内到达目标位姿Wi+1；
1i.位姿序列递增，若i<m，则测力天平在时间t2内完成目标位姿Wi+1的分离体模型气动力测量后，i=i+1，转入步骤1e；若i=m，则试验结束。
2.根据权利要求1所述的在线避障的六自由度捕获轨迹试验方法，其特征在于：分离体模型包围盒为一个虚拟的包裹分离体模型的最小圆柱体，圆柱体的轴线为分离体模型的对称线，圆柱体的长度为分离体模型的长度，圆柱体的半径为分离体模型的最大径向长度；喷管包围盒为一个虚拟的带有凹槽的圆柱体，圆柱体的轴线为风洞喷管的中心线，圆柱体的圆柱面包裹风洞喷管等直段，圆柱体的长度大于风洞喷管等直段的长度，圆柱体的两端伸出风洞喷管等直段，圆柱体靠近风洞喷管出口端的端面有圆柱形的凹槽，凹槽的深度小于风洞喷管等直段的长度，凹槽的直径略小于风洞喷管等直段的内径；
所述的分离体模型的碰撞检测方法包括以下步骤：
2a.根据分离体模型包围盒在风洞空间直角坐标系中的坐标得到分离体模型包围盒的初始位姿W0的空间位置矩阵A；
2b.根据喷管包围盒在风洞空间直角坐标系中的坐标得到喷管包围盒的空间位置矩阵B；
2c.根据下位计算机的指示信号，分别计算分离体模型包围盒在当前位姿Wi、目标位姿Wi+1和连续运动曲线上的n个离散的位姿点的位置矩阵A1；
2d.计算判断分离体模型包围盒的位置矩阵A1与喷管包围盒的空间位置矩阵B是否有交集，若没有交集则分离体模型运动到目标位姿后未与风洞喷管不发生碰撞，若有交集则发生碰撞。
3.根据权利要求1所述的在线避障的六自由度捕获轨迹试验方法，其特征在于：分离体模型包围盒在当前位姿Wi的位置坐标为P0(X0,Y0,Z0)，在目标位姿Wi+1的位置坐标为P2(X2,Y2,Z2)，分离体模型包围盒以当前路径P0~P2进行运动时会在途中与障碍物发生碰撞，所述的专家避障方法重新设计运动路径以避开障碍物，具体包括以下步骤：
3a.确定障碍物的碰撞边界，以障碍物中心为圆心绘制半径为r的圆形Ⅰ；
3b. 确定障碍物的安全边界，以障碍物中心为圆心绘制半径为R的圆形Ⅱ，R＞r；
3c.确定障碍物的安全距离为P0(X0,Y0,Z0)到圆形Ⅰ的距离D；
3d.以P0(X0,Y0,Z0) 、P2(X2,Y2,Z2)为圆弧的两端拟合曲线，曲线与圆形Ⅱ相切，切点为P1(X1,Y1,Z1)；
3e.得到障碍物的安全距离为D的分离体模型包围盒的最短安全运行曲线P0~P1~P2。
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