一種空間機器人動力學仿真系統及方法
2023-06-08 21:42:01 1
一種空間機器人動力學仿真系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種空間機器人動力學仿真系統及方法，包括：空間機器人動力學模塊在遠程導引階段根據空間機器人平臺受到的控制力、控制力矩，以及機械臂系統關節的控制力矩，輸出表示空間機器人的運動狀態的數值，並在接收到返回的控制量後，輸出下一時刻表示空間機器人的運動狀態的數值；空間機器人控制模塊在遠程導引階段，在接收到空間機器人動力學模塊輸入的表示空間機器人的運動狀態的數值後，向空間機器人動力學模塊返回控制量；STK長期軌道預報模塊在遠程導引階段根據表示目標的運動初始狀態、表示空間機器人的運動狀態的數值和空間機器人的變軌序列，輸出空間機器人和目標的運動狀態。本發明能提供完整的空間機器人全任務階段的仿真。
【專利說明】一種空間機器人動力學仿真系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及仿真學，特別涉及一種空間機器人動力學仿真系統及方法。
【背景技術】
[0002]空間機器人是用於在軌服務的特殊太空飛行器，能對在軌運行的太空飛行器加注燃料和更換模塊以延長太空飛行器的使用壽命、還能對有故障的太空飛行器進行修復，空間機器人一般由機器人平臺和機械臂系統組成。
[0003]空間機器人動力學仿真是指對空間機器人整個任務階段的動力學過程進行仿真，空間機器人任務包括正常軌道運行、接近目標、操作目標等任務，動力學仿真除動力學方程解算外，還包括與之相關的對機器人的導航、制導與控制算法層的仿真，以及對空間環境的仿真。
[0004]通過空間機器人動力學仿真平臺能對機器人設計方案和飛行任務設計方案進行驗證，對導航、制導與控制算法的控制性能進行初步確認。
[0005]目前的空間機器人動力學仿真系統不足在於:作為空間機器人全任務階段的仿真工具功能不完整，缺少空間機器人遠程導引階段的仿真。
【發明內容】
[0006]本發明提供了一種空間機器人動力學仿真系統及方法，用以提供完整的空間機器人全任務階段的仿真。
[0007]本發明實施例提供了一種空間機器人動力學仿真系統，包括:
空間機器人動力學模塊，用於在遠程導引階段，根據空間機器人平臺受到的控制力、控制力矩，以及機械臂系統關節的控制力矩，向空間機器人控制模塊輸出表示空間機器人的運動狀態的數值，並在接收到空間機器人控制模塊返回的控制量後，向空間機器人控制模塊輸出下一時刻表示空間機器人的運動狀態的數值；
空間機器人控制模塊，用於在遠程導引階段，在接收到空間機器人動力學模塊輸入的表示空間機器人的運動狀態的數值後，向空間機器人動力學模塊返回控制量；
STK長期軌道預報模塊，用於在遠程導引階段，根據表示目標的運動初始狀態、表示空間機器人的運動狀態的數值和空間機器人的變軌序列，輸出空間機器人和目標的運動狀態。
[0008]較佳地，STK長期軌道預報模塊進一步用於採用STK衛星工具包軟體來根據表示目標的運動初始狀態、表示空間機器人的運動狀態的數值和空間機器人的變軌序列，輸出空間機器人和目標的運動狀態。
[0009]較佳地，進一步包括:
STK三維顯示模塊，用於顯示STK長期軌道預報模塊輸出的空間機器人和目標的運動狀態。
[0010]較佳地，STK三維顯示模塊進一步用於採用C++程序調用STK提供的ActiveX組件來實現STK長期軌道預報模塊輸出的空間機器人和目標的運動狀態的顯示。
[0011]較佳地，進一步包括:
目標動力學模塊，用於在自主導航目標接近階段，根據初始的運動狀態、目標動力學參數和仿真時間，向空間機器人控制模塊輸出表示目標運動狀態的數值；
空間機器人控制模塊進一步用於在自主導航目標接近階段，在接收到空間機器人動力學模塊輸入的表示空間機器人的運動狀態的數值與目標動力學模塊輸入的表示目標運動狀態的數值後，向空間機器人動力學模塊返回控制量。
[0012]較佳地，STK三維顯示模塊進一步用於顯示在自主導航目標接近階段，STK長期軌道預報模塊輸出的空間機器人和目標的運動狀態。
[0013]較佳地，進一步包括:
OSG三維顯示模塊，用於顯示在目標服務階段，空間機器人動力學模塊輸出的空間機器人的運動狀態和目標動力學模塊輸出的目標的運動狀態。
[0014]較佳地，OSG三維顯示模塊進一步用於採用C++編寫，利用OSG提供的庫函數來實現空間機器人和目標的運動狀態的顯示。
[0015]較佳地，進一步包括:
仿真數據存儲模塊，用於根據需要存儲仿真過程中產生的數據。
[0016]較佳地，各模塊通過UDP或者通過CAN協議進行通訊。
[0017]本發明有益效果如下:
由於在遠程導引階段，便開始根據表示目標的運動初始狀態、表示空間機器人的運動狀態的數值和空間機器人的變軌序列，對空間機器人和目標的運動狀態進行仿真，因此，本發明可以提供完整的空間機器人全任務階段的仿真。
[0018]由於將任務區分為遠程導引階段、自主導航目標接近階段、目標服務階段，並在進行相應的仿真後採用不同的顯示方式，因此具有空間機器人總體設計方案與任務方案的仿真驗證和三維演示的功能，具有驗證空間機器人導航、制導與控制算法的功能。
[0019]由於各模塊之間通過UDP或者通過CAN協議進行通訊，因此既能在一臺計算機上運行仿真，也能在多臺計算機上運行仿真。
[0020]由於新增了根據需要存儲仿真過程中產生的數據，因此可以對仿真結果進行分類存儲，以便進行後續的評估或分析等處理。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明實施例中空間機器人動力學仿真系統結構示意圖；
圖2為本發明實施例中空間機器人動力學仿真方法流程示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行說明。
[0023]本發明實施例提供的系統及方法是為了提供完整的空間機器人全任務階段的仿真工具，具有空間機器人總體設計方案與任務方案的仿真驗證和三維演示的功能，具有驗證空間機器人導航、制導與控制算法的功能。
[0024]具體實施中，空間機器人動力學仿真與三維演示平臺可以採用模塊化的方式進行搭建，主要模塊採用Matlab的Simulink仿真工具實現，長期軌道預報利用衛星工具箱STK實現，三維顯示部分利用STK和OSG技術，採用C++語言編程實現，仿真數據存儲在Oracle資料庫裡。Simulink中的模塊之間數據交換採用輸入輸出和goto單元模塊進行,Simulink與其它模塊的數據交換通過UDP網絡協議進行。
[0025]其中，MATLAB是矩陣實驗室(Matrix Laboratory)的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業數學軟體，用於算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。
[0026]美國Analytical Graphics公司開發的STK衛星工具包軟體,是航天工業領先的商品化分析軟體。STK可以快速方便地分析複雜的陸、海、空、天任務，並提供易於理解的圖表和文本形式的分析結果，確定最佳解決方案。它支持航天任務周期的全過程，包括政策、概念、需求、設計、製造、測試、發射、運行和應用。
[0027]OpenSceneGraph (簡稱0SG)使用OpenGL技術開發,是一套基於C++平臺的應用程式接口(API, Application Programming Interface),它讓程式設計師能夠更加快速、便捷地創建高性能、跨平臺的交互式圖形程序。它作為中間件(middleware)為應用軟體提供了各種高級渲染特性，10，以及空間結構組織函數；而更低層次的OpenGL硬體抽象層(HAL，Hardware Abstraction Layer)實現了底層硬體顯示的驅動。
[0028]UDP是User Datagram Protocol的簡稱，中文名是用戶數據報協議，是OSI(Open System Interconnect,開放式系統互聯)參考模型中一種無連接的傳輸層協議,提供面向事務的簡單不可靠信息傳送服務，IETF RFC 768是UDP的正式規範。
[0029]空間機器人一體化三維仿真平臺可以由以下模塊組成:空間機器人動力學模塊、空間機器人控制模塊、目標動力學模塊、STK長期軌道預報模塊、STK三維顯示模塊、OSG三維顯示模塊和仿真數據存儲模塊。下面進行說明。
[0030]圖1為空間機器人動力學仿真系統結構示意圖，如圖所示，可以包括:
空間機器人動力學模塊101，用於在遠程導引階段，根據空間機器人平臺受到的控制力、控制力矩，以及機械臂系統關節的控制力矩，向空間機器人控制模塊輸出表示空間機器人的運動狀態的數值，並在接收到空間機器人控制模塊返回的控制量後，向空間機器人控制模塊輸出下一時刻表示空間機器人的運動狀態的數值；
空間機器人控制模塊102，用於在遠程導引階段，在接收到空間機器人動力學模塊輸入的表示空間機器人的運動狀態的數值後，向空間機器人動力學模塊返回控制量；
STK長期軌道預報模塊103，用於在遠程導引階段，根據表示目標的運動初始狀態、表示空間機器人的運動狀態的數值和空間機器人的變軌序列，輸出空間機器人和目標的運動狀態。
[0031]具體實施中，空間機器人動力學模塊用來計算空間機器人及其機械臂的運動狀態，可以採用Simulink仿真工具箱搭建和實現。實施中，將空間機器人平臺受到的控制力、控制力矩；機械臂系統關節的控制力矩輸入空間機器人動力學模塊後，空間機器人動力學模塊可以採用求解空間機器人動力學和運動學微分方程的方式得到運動狀態，然後輸出空間機器人的運動狀態，運動狀態包括平臺的位置和速度，姿態和姿態變化率，機械臂系統關節角和關節角速度等。得到的涉及運動狀態的值交由輸出給空間機器人控制模塊，驅動控制模塊；還可以輸出給下面實施例中提到的OSG三維顯示模塊進行三維顯示；還可以輸出給仿真數據存儲模塊，存儲在資料庫。
[0032]空間機器人控制模塊用來輸出空間機器人平臺的控制力和控制力矩，以及機械臂關節控制力矩，可以採用Simulink仿真工具箱搭建和實現。實施中，輸入空間機器人控制模塊的是空間機器人運動狀態和空間目標的運動狀態。在計算出空間機器人平臺的控制力和控制力矩，以及機械臂關節控制力矩後，輸入空間機器人動力學模塊。
[0033]實施中，對於空間機器人控制模塊輸出的控制力和力矩，與空間機器人動力學模塊輸出的運動狀態，在仿真初始時刻，由空間機器人動力學模塊首先輸出運動狀態，空間機器人控制模塊接收運動狀態，輸出控制量，空間機器人動力學模塊接收控制量，完成下一時刻運動狀態的計算和輸出，如此遞推，完成仿真過程。
[0034]STK長期軌道預報模塊，用來對空間機器人和目標的長期軌道運動進行快速、精確的預報，完成空間機器人入軌和遠程導引段的仿真。可以採用C++程序調用STK提供的函數接口實現。它與其它模塊之間可以採用UDP方式進行通訊。
[0035]STK長期軌道預報模塊沒有實時的輸入量，它根據空間機器人和目標運動初始狀態、空間機器人變軌序列，實時輸出空間機器人和目標的運動狀態。輸出的結果可以是空間機器人和目標的位置和速度等。完成仿真後，輸出的運動狀態數據可以發送給下面實施例中的STK三維顯示模塊進行顯示，還可以發送給仿真數據存儲模塊進行存儲。實施中，STK長期軌道預報模塊調用STK提供的函數接口即可實時獲得運動狀態數據。
[0036]實施中，STK長期軌道預報模塊還可以進一步用於採用STK衛星工具包軟體來根據表示目標的運動初始狀態、表示空間機器人的運動狀態的數值和空間機器人的變軌序列，輸出空間機器人和目標的運動狀態。實施中引入衛星工具包軟體STK，是為了補充空間機器人遠程導弓I階段的仿真。
[0037]在實施中空間機器人遠程導引段的軌道預報可以用STK實現，但是，也能自行開發快速準確的長期軌道預報軟體。STK僅用於教導本領域技術人員具體如何實施本發明，但不意味僅能使用STK —種方式，實施過程中可以結合實踐需要來確定相應的方式。
[0038]實施中，空間機器人動力學模塊可以包括:
輸入機器人軌道動力學模塊，用於根據輸入的空間機器人平臺受到的控制力輸出表不空間機器人平臺位置和速度的數值；
輸入姿態動力學模塊，用於根據輸入的空間機器人平臺受到的控制力矩輸出表不空間機器人平臺姿態和姿態變化率的數值；
輸入機械臂動力學模塊，用於根據輸入的機械臂系統關節的控制力矩輸出表不空間機器人機械臂關節角和角速度的數值。
[0039]具體實施中，輸入機器人軌道動力學模塊的是機器人平臺控制力，輸出是機器人平臺位置和速度，輸出給空間機器人控制模塊，驅動控制模塊；還可以輸出給下面實施例中的OSG三維顯示模塊，進行三維顯示；輸出給仿真數據存儲模塊，存儲在資料庫。
[0040]輸入姿態動力學模塊的是機器人平臺控制力矩，輸出的是機器人平臺姿態和姿態變化率，輸出給空間機器人控制模塊，驅動控制模塊；還可以輸出給下面實施例中的OSG三維顯示模塊，進行三維顯示；輸出給仿真數據存儲模塊，存儲在資料庫。
[0041]輸入機械臂動力學模塊的是機械臂關節控制力矩，輸出的是機械臂關節角和角速度。輸出給空間機器人控制模塊，驅動控制模塊；還可以輸出給下面實施例中的OSG三維顯示模塊，進行三維顯示；輸出給仿真數據存儲模塊，存儲在資料庫。
[0042]實施中，空間機器人控制模塊可以包括:
敏感器模塊，用於根據表示空間機器人的運動狀態的數值得到敏感器輸出量；
制導、導航與控制模塊，用於根據敏感器輸出量輸出執行機構的控制量；
執行機構模塊，用於根據控制量輸出空間機器人平臺受到的控制力、控制力矩，以及機械臂系統關節的控制力矩。
[0043]具體實施中，輸入空間機器人控制模塊的運動狀態，首先進入敏感器模塊，敏感器模塊根據數學模型進行計算，得到敏感器輸出量，仿真中表示為數字量。制導、導航與控制模塊接收敏感器輸出，根據既定的制導、導航與控制算法，輸出執行機構的控制量，例如推力器開關信號，動量輪控制電壓等，執行機構模塊接收控制量，輸出控制力和控制力矩，以及機械臂關節控制力矩。
[0044]實施中，在系統中還可以進一步包括:
STK三維顯示模塊104，用於顯示STK長期軌道預報模塊輸出的空間機器人和目標的運動狀態。
[0045]實施中，STK三維顯示模塊還可以進一步用於採用C++程序調用STK提供的ActiveX組件來實現STK長期軌道預報模塊輸出的空間機器人和目標的運動狀態的顯示。
[0046]具體實施中，STK三維顯示模塊可以採用C++程序調用STK提供的ActiveX組件實現空間機器人與目標遠距離階段的三維顯示，採用STK長期軌道預報模塊和空間機器人動力學模塊提供的運動狀態數據進行驅動，它可以與其它模塊採用UDP方式進行通訊。
[0047]輸入STK三維顯示模塊的數值是空間機器人和目標的運動狀態，可以由STK長期軌道預報模塊和空間機器人動力學模塊輸入。STK三維顯示模塊輸出三維顯示的內容可以是運動場景，例如包括地球、月球、太陽、星空；可以顯示空間機器人和目標與地球的位置關係，以及兩者之間相對位置關係等。STK三維顯示模塊可以通過調用STK提供的函數接口實時設定空間機器人和目標的運動狀態，設置仿真場景。
[0048]實施中，在系統中還可以進一步包括:
目標動力學模塊105，用於在自主導航目標接近階段，根據初始的運動狀態、目標動力學參數和仿真時間，向空間機器人控制模塊輸出表示目標運動狀態的數值；
空間機器人控制模塊進一步用於在自主導航目標接近階段，在接收到空間機器人動力學模塊輸入的表示空間機器人的運動狀態的數值與目標動力學模塊輸入的表示目標運動狀態的數值後，向空間機器人動力學模塊返回控制量。
[0049]具體實施中，目標動力學模塊輸出目標的位置和姿態等運動狀態，可以採用Simulink仿真工具箱搭建和實現。
[0050]目標動力學模塊沒有輸入值，根據初始的運動狀態、目標動力學參數和仿真時間，計算目標受到的幹擾力矩和幹擾力，然後求解動力學微分方程，得到運動狀態。在計算出目標的位置和姿態等運動狀態後，輸入空間機器人控制模塊。
[0051]實施中，STK三維顯示模塊進一步用於顯示在自主導航目標接近階段，STK長期軌道預報模塊輸出的空間機器人和目標的運動狀態。
[0052]實施中，在系統中還可以進一步包括:
OSG三維顯示模塊106，用於顯示在目標服務階段，空間機器人動力學模塊輸出的空間機器人的運動狀態和目標動力學模塊輸出的目標的運動狀態。
[0053]實施中，OSG三維顯示模塊還可以進一步用於採用C++編寫，利用OSG提供的庫函數來實現空間機器人和目標的運動狀態的顯示。
[0054]具體實施中，OSG三維顯示模塊可以採用C++編寫，利用了 OSG提供的庫函數，它用來實現空間機器人對目標近距離服務階段的三維顯示，採用空間機器人動力學模塊提供的運動狀態數據進行驅動，它可以與其它模塊採用UDP方式進行通訊。
[0055]由空間機器人動力學模塊輸入OSG三維顯示模塊的數據是空間機器人運動狀態和目標運動狀態。
[0056]OSG三維顯示模塊三維顯示的內容是空間機器人與目標的相對位置和相對姿態，例如顯示太陽光照方向和光照下的空間機器人和目標的三維模型等。OSG三維顯示模塊可以通過調用OSG庫函數，實時設定空間機器人和目標的位置和姿態，光照方向。
[0057]實施中，在系統中還可以進一步包括:
仿真數據存儲模塊107，用於根據需要存儲仿真過程中產生的數據。
[0058]實施中，仿真數據存儲模塊還可以進一步用於採用C++編寫，用ODBC (OpenDatabase Connectivity,開放資料庫互連)資料庫連接技術利用Oracle資料庫對存儲的數據進行讀寫。
[0059]具體實施中，仿真數據存儲模塊可以採用C++編寫，用ODBC資料庫連接技術對Oracle資料庫進行讀寫，完成仿真數據的存檔，它與其它模塊採用UDP方式進行通訊。
[0060]輸入仿真數據存儲模塊的數據可以是空間機器人與目標的運動狀態，由空間機器人動力學模塊和目標動力學模塊輸入。空間機器人控制系統的狀態可以由空間機器人控制模塊輸入。存儲後，便可以對存檔數據進行分析，對控制性能、燃料消耗等方面對空間機器人總體設計和任務方案進行評估。仿真運行過程中，各模塊可以通過UDP將需要存檔的數據發送到仿真數據存儲模塊，仿真數據存儲模塊接收仿真存檔數據，存入資料庫。實施中，對評估有用的數據都可以被存儲，存儲的數據主要包括空間機器人和目標的運動狀態，控制系統狀態、控制指令、敏感器測量值等。
[0061]實施中，各模塊可以通過UDP或者通過CAN (Controller Area Network,控制器區域網)協議進行通訊。各模塊之間通過UDP網絡協議通訊後，既能在一臺計算機上運行仿真，也能在多臺計算機上運行仿真了。
[0062]下面再對空間機器人動力學仿真的實施方式進行說明。
[0063]具體實施中，仿真運行的模式分為三種:空間機器人遠程導引模式、自主導航目標接近模式和對目標服務模式。仿真運行的步驟可以是:
1、初始化仿真，設置仿真初始條件，包括:仿真時間、仿真步長、初始運動狀態、仿真模式設定等。其中，仿真模式指的是空間機器人遠程導引模式、自主導航目標接近模式和對目標服務模式，仿真模式指仿真的某一個任務階段。仿真時間、仿真步長、初始運動狀態、仿真模式設定可以根據任務要求進行設定，例如遠程導引需要幾天的時間，仿真時間設為幾天，自主導航目標接近只需要幾小時，仿真時間設為幾小時等。可以採用改寫配置文件的方法進行參數設置。
[0064]2、仿真開始，
2.1、如果是遠程導引模式，STK長期軌道預報模塊根據初始條件和變軌脈衝序列，對空間機器人和目標的位置和速度進行預報，通過STK三維顯示模塊進行顯示；
實施中，變軌脈衝序列是一組不同時間的空間機器人運動控制指令，它在仿真開始已經設置在配置文件裡了。STK長期軌道預報模塊計算運動狀態後，便可傳給STK三維顯示模塊進行顯示。
[0065]2.2、如果是自主導航目標接近模式，空間機器人動力學模塊根據初始條件輸出當前機器人的位置、速度、姿態、姿態角速度等運動狀態，目標動力學模塊根據初始化結果輸出目標運動狀態，敏感器模塊接收機器人運動狀態、目標運動狀態，輸出敏感器信號，制導、導航與控制模塊接收敏感器信號，輸出控制量，執行機構模塊接收控制量，輸出機器人平臺的控制力和控制力矩，輸出下一個時刻的機器人運動狀態，仿真向前推進一步。STK三維顯示模塊接收機器人和目標的運動狀態，顯示機器人與目標的相對位置關係、與地球的位置關係和陽光照射方向等信息。
[0066]2.3、如果是對目標服務模式，空間機器人動力學模塊根據初始化結果輸出當前機器人的位置、速度、姿態、姿態角速度、機械臂關節角等運動狀態，目標動力學模塊根據初始化結果輸出目標運動狀態，敏感器模塊接收機器人運動狀態、目標運動狀態，輸出敏感器信號，制導、導航與控制模塊接收敏感器信號，輸出控制量，執行機構模塊接收控制量，輸出機器人平臺的控制力和控制力矩、機械臂關節控制力矩，輸出下一個時刻的機器人運動狀態，仿真向前推進一步。OSG三維顯示模塊接收機器人和目標的運動狀態，顯示機器人與目標的相對位置和相對姿態。
[0067]實施中，仿真運行過程中，各模塊將需要存檔的數據通過UDP發送到仿真數據存儲模塊，該模塊接收仿真存檔數據，存入資料庫。對評估有用的數據都可以被存儲，存儲的數據主要包括空間機器人和目標的運動狀態，控制系統狀態、控制指令、敏感器測量值等。
[0068]3、仿真結束後，對存檔數據進行分析，對控制性能、燃料消耗等方面對空間機器人總體設計和任務方案進行評估。
[0069]基於同一發明構思，本發明實施例中還提供了一種空間機器人動力學仿真方法，由於該方法解決問題的原理與一種空間機器人動力學仿真系統相似，因此方法的實施可以參見系統的實施，重複之處不再贅述。
[0070]圖2為空間機器人動力學仿真方法實施流程示意圖，如圖所示，可以包括如下步驟:
步驟201、在遠程導引階段，根據空間機器人平臺受到的控制力、控制力矩，以及機械臂系統關節的控制力矩，輸出表示空間機器人的運動狀態的數值，並在接收到返回的控制量後，輸出下一時刻表示空間機器人的運動狀態的數值；
步驟202、在遠程導引階段，在接收到輸入的表示空間機器人的運動狀態的數值後，返回控制量；
步驟203、在遠程導引階段，根據表示目標的運動初始狀態、表示空間機器人的運動狀態的數值和空間機器人的變軌序列，輸出空間機器人和目標的運動狀態。
[0071]實施中，可以採用STK衛星工具包軟體來根據表示目標的運動初始狀態、表示空間機器人的運動狀態的數值和空間機器人的變軌序列，輸出空間機器人和目標的運動狀態。
[0072]實施中，所述根據空間機器人平臺受到的控制力、控制力矩，以及機械臂系統關節的控制力矩，輸出表示空間機器人的運動狀態的數值，可以包括:
根據輸入的空間機器人平臺受到的控制力輸出表示空間機器人平臺位置和速度的數
值；
根據輸入的空間機器人平臺受到的控制力矩輸出表示空間機器人平臺姿態和姿態變化率的數值；
根據輸入的機械臂系統關節的控制力矩輸出表示空間機器人機械臂關節角和角速度的數值。
[0073]實施中，所述在接收到輸入的表示空間機器人的運動狀態的數值後，返回控制量，可以包括:
根據表示空間機器人的運動狀態的數值得到敏感器輸出量；
根據敏感器輸出量輸出執行機構的控制量；
根據控制量輸出空間機器人平臺受到的控制力、控制力矩，以及機械臂系統關節的控制力矩。
[0074]實施中，可以進一步包括:
顯示輸出的空間機器人和目標的運動狀態。
[0075]實施中，可以採用C++程序調用STK提供的ActiveX組件來實現空間機器人和目標的運動狀態的顯示。
[0076]實施中，可以進一步包括:
在自主導航目標接近階段，根據初始的運動狀態、目標動力學參數和仿真時間，輸出表示目標運動狀態的數值；
在自主導航目標接近階段，在接收到輸入的表示空間機器人的運動狀態的數值與表示目標運動狀態的數值後，返回控制量。
[0077]實施中，可以顯示在自主導航目標接近階段輸出的空間機器人和目標的運動狀態。
[0078]實施中，可以進一步包括:
顯示在目標服務階段輸出的空間機器人的運動狀態和目標的運動狀態。
[0079]實施中，可以採用C++編寫，利用OSG提供的庫函數來實現空間機器人和目標的運動狀態的顯示。
[0080]實施中，可以進一步包括:
根據需要存儲仿真過程中產生的數據。
[0081 ] 實施中，在根據需要存儲仿真過程中產生的數據時，可以採用C++編寫，用ODBC資料庫連接技術利用Oracle資料庫對存儲的數據進行讀寫。
[0082]實施中，可以通過UDP或者通過CAN協議進行數據傳輸。
[0083]由上述實施可見，針對目前的空間機器人動力學仿真系統缺少空間機器人遠程導引階段的仿真和三維顯示，作為空間機器人全任務階段的仿真工具功能不完整。沒有考慮仿真結果的存儲和管理。只能在一臺計算機上進行仿真，三維顯示與仿真計算在同一臺計算機實現，仿真速度會較慢等問題。本發明實施例中將空間機器人任務仿真分成三個主要階段:遠程導引階段、自主導航目標接近階段和對目標服務階段，並引入衛星工具包軟體STK來補充空間機器人遠程導引階段的仿真，並在利用STK進行空間機器人遠程導引段的軌道預報後，實現了快速、準確的仿真。還對空間機器人遠程導引段、自主導航目標接近段的三維顯示，採用STK技術實現。對目標服務段的三維顯示，採用OSG技術實現，使用OSG技術開發三維顯示模塊，空間機器人近距離服務顯示更逼真。模塊之間通過UDP網絡協議通訊，既能在一臺計算機上運行仿真，也能在多臺計算機上運行仿真。採用資料庫技術對仿真結果分類存儲，以便於後續的評估及分析。
[0084]為了描述的方便，以上所述裝置的各部分以功能分為各種模塊或單元分別描述。當然，在實施本發明時可以把各模塊或單元的功能在同一個或多個軟體或硬體中實現。
[0085]本領域內的技術人員應明白，本發明的實施例可提供為方法、系統、或電腦程式產品。因此，本發明可採用完全硬體實施例、完全軟體實施例、或結合軟體和硬體方面的實施例的形式。而且，本發明可採用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(包括但不限於磁碟存儲器、CD-ROM、光學存儲器等)上實施的電腦程式產品的形式。
[0086]本發明是參照根據本發明實施例的方法、設備(系統)、和電腦程式產品的流程圖和/或方框圖來描述的。應理解可由電腦程式指令實現流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結合。可提供這些電腦程式指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數據處理設備的處理器以產生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數據處理設備的處理器執行的指令產生用於實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。
[0087]這些電腦程式指令也可存儲在能引導計算機或其他可編程數據處理設備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產生包括指令裝置的製造品，該指令裝置實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。
[0088]這些電腦程式指令也可裝載到計算機或其他可編程數據處理設備上，使得在計算機或其他可編程設備上執行一系列操作步驟以產生計算機實現的處理，從而在計算機或其他可編程設備上執行的指令提供用於實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。
[0089]儘管已描述了本發明的優選實施例，但本領域內的技術人員一旦得知了基本創造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權利要求意欲解釋為包括優選實施例以及落入本發明範圍的所有變更和修改。
[0090]顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
【權利要求】
1.一種空間機器人動力學仿真系統，其特徵在於，包括: 空間機器人動力學模塊，用於在遠程導引階段，根據空間機器人平臺受到的控制力、控制力矩，以及機械臂系統關節的控制力矩，向空間機器人控制模塊輸出表示空間機器人的運動狀態的數值，並在接收到空間機器人控制模塊返回的控制量後，向空間機器人控制模塊輸出下一時刻表示空間機器人的運動狀態的數值； 空間機器人控制模塊，用於在遠程導引階段，在接收到空間機器人動力學模塊輸入的表示空間機器人的運動狀態的數值後，向空間機器人動力學模塊返回控制量； STK長期軌道預報模塊，用於在遠程導引階段，根據表示目標的運動初始狀態、表示空間機器人的運動狀態的數值和空間機器人的變軌序列，輸出空間機器人和目標的運動狀態。
2.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，STK長期軌道預報模塊進一步用於採用STK衛星工具包軟體來根據表示目標的運動初始狀態、表示空間機器人的運動狀態的數值和空間機器人的變軌序列，輸出空間機器人和目標的運動狀態。
3.如權利要求1至2任一所述的系統，其特徵在於，進一步包括: STK三維顯示模塊，用於顯示STK長期軌道預報模塊輸出的空間機器人和目標的運動狀態。
4.如權利要求3所述的系統，其特徵在於，STK三維顯示模塊進一步用於採用C++程序調用STK提供的ActiveX組件來實現STK長期軌道預報模塊輸出的空間機器人和目標的運動狀態的顯示。
5.如權利要求1至4任一所述的系統，其特徵在於，進一步包括: 目標動力學模塊，用於在自主導航目標接近階段，根據初始的運動狀態、目標動力學參數和仿真時間，向空間機器人控制模塊輸出表示目標運動狀態的數值； 空間機器人控制模塊進一步用於在自主導航目標接近階段，在接收到空間機器人動力學模塊輸入的表示空間機器人的運動狀態的數值與目標動力學模塊輸入的表示目標運動狀態的數值後，向空間機器人動力學模塊返回控制量。
6.如權利要求5所述的系統，其特徵在於， STK三維顯示模塊進一步用於顯示在自主導航目標接近階段，STK長期軌道預報模塊輸出的空間機器人和目標的運動狀態。
7.如權利要求1至6任一所述的系統，其特徵在於，進一步包括: OSG三維顯示模塊，用於顯示在目標服務階段，空間機器人動力學模塊輸出的空間機器人的運動狀態和目標動力學模塊輸出的目標的運動狀態。
8.如權利要求7所述的系統，其特徵在於，OSG三維顯示模塊進一步用於採用C++編寫，利用OSG提供的庫函數來實現空間機器人和目標的運動狀態的顯示。
9.如權利要求1至8任一所述的系統，其特徵在於，進一步包括: 仿真數據存儲模塊，用於根據需要存儲仿真過程中產生的數據。
10.如權利要求1至9任一所述的系統，其特徵在於，各模塊通過用戶數據報協議UDP或者通過控制器區域網CAN協議進行通訊。
【文檔編號】G05B17/02GK103576558SQ201210265824
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年7月30日 優先權日:2012年7月30日
【發明者】王學謙, 蘇建敏, 薛力軍, 徐秋 申請人:深圳航天東方紅海特衛星有限公司