CN110188494B - 一种针对柔性捕获中期望包络点的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种针对柔性捕获中期望包络点的确定方法，建立智能飞网动力学模型，以飞网飞行过程中的四个机动单元构成一个四边形的柔性网，根据机动单元位置，估计碰撞中心；根据估计出的碰撞中心，得到期望的包络点的坐标。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)可以实时估计出柔性捕获时目标质心碰撞在柔性网的位置，即碰撞中心；(2)针对智能飞网捕获目标后收口控制中期望包络点难以确定的问题，本专利根据估计出的碰撞中心可以得到期望的包络点，为智能飞网的控制奠定基础。

Description

一种针对柔性捕获中期望包络点的确定方法
技术领域
本发明属于飞行器控制技术研究领域，涉及一种针对柔性捕获中期望包络点的确定方法。
背景技术
智能飞网是柔性捕获中常见的方式之一，由“柔性网+机动单元”组成。其中“机动单元”位于柔性网的各个角落，使得柔性网具有机动能力。根据应用场景不同，“机动单元”可以是微小卫星，用于空间垃圾清理；也可以是无人机，用于空中物品搬运；也可以是水下机器人，用于水下捕捞等。智能飞网的在抓捕目标后，为使目标被柔性网完全包裹住，机动单元将向同一位置靠拢(将这一位置称为包络点)，完成收口，以防止目标逃出飞网。
智能飞网在抓捕时，当目标撞在网中心时，飞网网型保持对称，期望的包络点即为目标下方对应的网中心位置。然而，由于测量误差及目标具有机动性等因素，目标往往不能按照预期撞在网中心。当抓捕时目标没有撞在网中心，碰撞后飞网网型不再对称，此时机动单元的包络点很难确定。若能实时估计出目标碰撞在网的位置(将这一位置称为碰撞中心)，则包络点即为碰撞中心所对应的位置，确定了包络点后飞网可顺利完成收口将目标完全包裹住。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种针对柔性捕获中期望包络点的确定方法，利用四个机动单元的位置信息，实时估计出飞网抓捕目标时的碰撞中心，为后续飞网控制提供期望包络点，为成功抓捕提供保障。
技术方案
一种针对柔性捕获中期望包络点的确定方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、建立智能飞网动力学模型：将飞网离散化为一系列质点，相邻质点间的绳段视为无质量的弹簧杆；忽略可机动单元的大小及姿态，将其视为与飞网角落质点重合的质点，提供控制力或控制力矩；
智能飞网每个质点的动力学方程，即智能飞网动力学模型为：
Figure BDA0002083831340000021
其中：mi表示每个质点的质量，Ri表示惯性坐标系坐标原点到质点的位置矢量，FGi表示重力，Ti表示相邻质点间的系绳拉力，Fext表示其他外力，U表示控制力或控制力矩，仅与机动单元重合的质点U有值，其余质点的U＝0；
步骤2、根据机动单元位置，估计碰撞中心：以飞网飞行过程中的四个机动单元构成一个四边形的柔性网，根据智能飞网动力学模型实时得到四个机动单元的三轴位置RA,RB,RC,RD，其中RA＝[xA yA zA]T m，RB＝[xB yB zB]T m，RC＝[xC yC zC]T m，RD＝[xD yD zD]T m，xi,yi,zi分别表示机动单元i的x,y,z轴的坐标值，其中i＝A,B,C,D；
根据四个机动单元的三轴位置，求出这个四边形两条对角线在与运动方向垂直平面上投影的交点，交点为估计得碰撞中心，交点E坐标[X Z]的坐标值为：
Figure BDA0002083831340000022
其中：k1,b1,k2,b2由下列方程求出：
Figure BDA0002083831340000023
步骤3、确定期望包络点：期望包络点的x,z轴坐标值为估计出的碰撞中心的坐标值，四边形的对角线AD和BC是异面直线，期望包络点的y轴坐标值为步骤2中所求出的交点在对角线AD和BC上y轴坐标值的中值；
根据空间直线方程的两点式：
Figure BDA0002083831340000031
交点E在对角线AD上的y轴坐标YAD为：
Figure BDA0002083831340000032
Figure BDA0002083831340000033
交点E在对角线BC上的y轴坐标YBC为：
Figure BDA0002083831340000034
Figure BDA0002083831340000035
期望包络点的y轴坐标值Y为YAD和YBC的中值：
Figure BDA0002083831340000036
得到期望的包络点的坐标为[X Y Z]T，其中X,Z由步骤2得到。
有益效果
本发明提出的一种针对柔性捕获中期望包络点的确定方法，建立智能飞网动力学模型，以飞网飞行过程中的四个机动单元构成一个四边形的柔性网，根据机动单元位置，估计碰撞中心；根据估计出的碰撞中心，得到期望的包络点的坐标。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)可以实时估计出柔性捕获时目标质心碰撞在柔性网的位置，即碰撞中心；(2)针对智能飞网捕获目标后收口控制中期望包络点难以确定的问题，本专利根据估计出的碰撞中心可以得到期望的包络点，为智能飞网的控制奠定基础。
附图说明
图1为智能飞网(四边形网)示意图；其中1为机动单元，2为飞网质点。
图2为估计出的碰撞中心示意图；其中1为飞网，2为机动单元，3为机动单元构成的四边形，4为估计出的碰撞中心，5为机动单元构成四边形的对角线。
图3为智能飞网抓捕目标示意图；其中1为机动单元，2为飞网。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括以下步骤：
1)建立智能飞网动力学模型；
2)根据机动单元位置，估计碰撞中心；
3)确定期望包络点。
所述的步骤1)中，智能飞网动力学模型推导如下：
本专利中智能飞网的动力学模型推导基于以下几个假设：
(1)将飞网离散化为一系列质点，相邻质点间的绳段视为无质量的弹簧杆；
(2)忽略可机动单元的大小及姿态，将其视为与飞网角落质点重合的质点，可提供控制力或控制力矩；
根据牛顿第二定律得到飞网每个质点的动力学方程为：
Figure BDA0002083831340000041
其中，mi表示每个质点的质量，Ri表示惯性坐标系坐标原点到质点的位置矢量，FGi表示重力，Ti表示相邻质点间的系绳拉力，Fext表示其他外力(如环境中的干扰力)，U表示控制力或控制力矩(仅与机动单元重合的质点U有值，其余质点的U＝0)。
所述的步骤2)中，由于智能飞网中仅机动单元的位置可知，并且当目标撞在飞网不同位置时对飞网运动的影响不同，因此可根据机动单元的位置对碰撞中心进行估计。
考虑一个正方形柔性网，网角落为四个机动单元A,B,C,D，如图1所示。在飞网飞行过程中，四个机动单元构成一个四边形，如图2所示。在抓捕过程中，由于目标与飞网接触碰撞，机动单元的运动会发生变化。随着运动，机动单元构成的四边形两条对角线在与运动方向垂直平面上投影的交点将慢慢逼近碰撞中心。因此，求出这个四边形两条对角线在与运动方向垂直平面上投影的交点，就可估计出碰撞中心。
如图3所示的坐标系，假设飞网沿-Y轴飞向目标。根据方程(1)可实时得到四个机动单元的三轴位置RA,RB,RC,RD，其中RA＝[xA yA zA]T m，RB＝[xB yB zB]T m，RC＝[xC yC zC]Tm，RD＝[xD yD zD]T m，xi,yi,zi分别表示机动单元i(其中i＝A,B,C,D)x,y,z轴的坐标值。机动单元构成的四边形ABCD的两条对角线分别为AD和BC。设对角线AD投影在y＝0平面的方程为z＝k1x+b1，对角线BC投影在y＝0平面的方程为z＝k2x+b2。其中，对角线AD投影在y＝0平面方程中的x,z由机动单元A,D的位置中x,z轴的坐标值实时给出，对角线BC投影在y＝0平面的方程中的x,z的值由机动单元B,C的位置中x,z轴的坐标值实时给出。因此，k1,b1,k2,b2可由下列方程求出
Figure BDA0002083831340000051
联立上述两条交线投影在y＝0平面的方程可求得交点E坐标[X Z]为
Figure BDA0002083831340000052
此交点E即为估计出的碰撞中心位置。
所述的步骤3)中，期望包络点的x,z轴坐标值为估计出的碰撞中心的坐标值，即根据方程(3)得出。由于机动单元的运动不对称，四边形的对角线AD和BC是异面直线。因此期望包络点的y轴坐标值为步骤2)中所求出的交点在对角线AD和BC上y轴坐标值的中值。根据空间直线方程的两点式
Figure BDA0002083831340000053
交点E在对角线AD上的y轴坐标YAD为
Figure BDA0002083831340000061
交点E在对角线BC上的y轴坐标YBC为
Figure BDA0002083831340000062
因此，期望包络点的y轴坐标值Y为YAD和YBC的中值
Figure BDA0002083831340000063
我们可以根据估计出的碰撞中心，得到期望的包络点的坐标为[X Y Z]T，其中X,Z由式(3)得到，Y由式(7)得到。

Claims (1)

1.一种针对柔性捕获中期望包络点的确定方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、建立智能飞网动力学模型：将飞网离散化为一系列质点，相邻质点间的绳段视为无质量的弹簧杆；忽略可机动单元的大小及姿态，将其视为与飞网角落质点重合的质点，提供控制力或控制力矩；
智能飞网每个质点的动力学方程，即智能飞网动力学模型为：
Figure FDA0002083831330000011
其中：mi表示每个质点的质量，Ri表示惯性坐标系坐标原点到质点的位置矢量，FGi表示重力，Ti表示相邻质点间的系绳拉力，Fext表示其他外力，U表示控制力或控制力矩，仅与机动单元重合的质点U有值，其余质点的U＝0；
步骤2、根据机动单元位置，估计碰撞中心：以飞网飞行过程中的四个机动单元构成一个四边形的柔性网，根据智能飞网动力学模型实时得到四个机动单元的三轴位置RA,RB,RC,RD，其中RA＝[xA yA zA]Tm，RB＝[xB yB zB]Tm，RC＝[xC yC zC]Tm，RD＝[xD yD zD]Tm，xi,yi,zi分别表示机动单元i的x,y,z轴的坐标值，其中i＝A,B,C,D；
根据四个机动单元的三轴位置，求出这个四边形两条对角线在与运动方向垂直平面上投影的交点，交点为估计得碰撞中心，交点E坐标[X Z]的坐标值为：
Figure FDA0002083831330000012
其中：k1,b1,k2,b2由下列方程求出：
Figure FDA0002083831330000013
步骤3、确定期望包络点：期望包络点的x,z轴坐标值为估计出的碰撞中心的坐标值，四边形的对角线AD和BC是异面直线，期望包络点的y轴坐标值为步骤2中所求出的交点在对角线AD和BC上y轴坐标值的中值；
根据空间直线方程的两点式：
Figure FDA0002083831330000021
交点E在对角线AD上的y轴坐标YAD为：
Figure FDA0002083831330000022
Figure FDA0002083831330000023
交点E在对角线BC上的y轴坐标YBC为：
Figure FDA0002083831330000024
Figure FDA0002083831330000025
期望包络点的y轴坐标值Y为YAD和YBC的中值：
Figure FDA0002083831330000026
得到期望的包络点的坐标为[X Y Z]T，其中X,Z由步骤2得到。
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