[發(fā)明專(zhuān)利]近距離在軌操作航天器的敏捷運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610361310.5
• 申請(qǐng)日: 2016-05-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107436599A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-12-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王平
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京空間技術(shù)研制試驗(yàn)中心
• 主分類(lèi)號(hào): G05D1/02
• 分類(lèi)號(hào): G05D1/02
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于航天器總體設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，涉及在軌操作航天器近距離在軌操作任務(wù)，具體涉及一種近距離在軌操作航天器的敏捷運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。

背景技術(shù)

由于航天技術(shù)的飛速發(fā)展，空間任務(wù)、不論是結(jié)構(gòu)、規(guī)模，還是性能、成本都與最初用于簡(jiǎn)單空間任務(wù)的航天器不可同日而語(yǔ)。因此，保證現(xiàn)今或未來(lái)航天器能夠在復(fù)雜的空間環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，用以完成復(fù)雜的空間任務(wù)，已成為目前航天技術(shù)領(lǐng)域所亟待解決的重要問(wèn)題。

在軌操作任務(wù)包含在軌裝配、在軌維修、在軌升級(jí)、在軌補(bǔ)給等多種任務(wù)。航天員實(shí)現(xiàn)在軌操作成本高昂和執(zhí)行危險(xiǎn)，使這種操作方式不能適應(yīng)未來(lái)工業(yè)化太空繁雜的服務(wù)任務(wù)。大量的在軌操作工作應(yīng)由空間自主在軌操作航天器完成，眾多能夠自由飛行的自主航天器形成空間在軌操作體系，以滿足工業(yè)化太空的需求。

在航天器近距離操作過(guò)程中，很多復(fù)雜的空間操作任務(wù)對(duì)航天器的運(yùn)動(dòng)能力都提出了較高的要求，如對(duì)空間飛行器的日常維護(hù)、修理或空間大型結(jié)構(gòu)的在軌裝配等等，都需要操作航天器具備敏捷、靈活和精確、準(zhǔn)時(shí)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)能力。具體要求航天器能夠快速反應(yīng)得到運(yùn)動(dòng)的可行航跡，再者則是以較快的速度完成既定機(jī)動(dòng)任務(wù)。復(fù)雜多變的空間服務(wù)環(huán)境也對(duì)規(guī)劃算法提出了更高的要求，即可以在不斷變化或相對(duì)狹小的服務(wù)環(huán)境中獲得規(guī)劃航跡，同時(shí)還要具備處理突發(fā)事件的在線規(guī)劃能力。因此，對(duì)在軌操作航天器的敏捷運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的研究是很有必要的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種面向空間近距離在軌操作航天器的敏捷運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)較高的搜索效率。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下：

一種近距離在軌操作航天器的敏捷運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，包括以下步驟：(10)對(duì)搜索樹(shù)A和搜索樹(shù)B進(jìn)行初始化；(20)主循環(huán)進(jìn)行K次迭代，其中，K為自然數(shù)，且不小于1；(30)判斷何時(shí)執(zhí)行兩搜索樹(shù)互換；執(zhí)行互換后，將所述兩搜索樹(shù)新節(jié)點(diǎn)計(jì)算順序顛倒，即如果之前先計(jì)算所述搜索樹(shù)A的新節(jié)點(diǎn)，則執(zhí)行互換后，將先計(jì)算所述搜索樹(shù)B的新節(jié)點(diǎn)。其中，所述主循環(huán)包括以下步驟：(21)在空間中以均勻分布采樣，獲得隨機(jī)節(jié)點(diǎn)；(22)求取所述搜索樹(shù)A中到所述隨機(jī)節(jié)點(diǎn)的最近點(diǎn)一，求取時(shí)只對(duì)最新生成的點(diǎn)進(jìn)行搜索；(23)求取所述隨機(jī)節(jié)點(diǎn)與所述最近點(diǎn)一間的新節(jié)點(diǎn)一，且所述新節(jié)點(diǎn)一滿足約束條件，所述新節(jié)點(diǎn)一的計(jì)算方法由用于確定兩節(jié)點(diǎn)之間運(yùn)動(dòng)的局部規(guī)劃器獲得；(24)如果所述最近點(diǎn)一與所述新節(jié)點(diǎn)一不重合，則分別將所述最近點(diǎn)一到所述新節(jié)點(diǎn)一的線段和所述新節(jié)點(diǎn)一存入所述搜索樹(shù)A；(25)求取所述搜索樹(shù)B中到所述新節(jié)點(diǎn)一的最近點(diǎn)二，求取方法如步驟22；(26)將判斷位置矢量是否在約束體內(nèi)的障礙約束判斷加入規(guī)劃方法中，在此判斷所述新節(jié)點(diǎn)一與剛求出的所述最近點(diǎn)二之間是否存在障礙，如果存在障礙則利用所述隨機(jī)節(jié)點(diǎn)重新計(jì)算所述最近點(diǎn)二；(27)求取所述隨機(jī)節(jié)點(diǎn)與所述最近點(diǎn)二間的新節(jié)點(diǎn)二，方法與步驟23相同；(28)如果所述最近點(diǎn)二與所述新節(jié)點(diǎn)二不重合，則分別將所述最近點(diǎn)二到所述新節(jié)點(diǎn)二的線段和所述新節(jié)點(diǎn)二存入所述搜索樹(shù)B；(29)如果所述新節(jié)點(diǎn)一與所述新節(jié)點(diǎn)二重合，則返回規(guī)劃結(jié)果。

作為本發(fā)明上述近距離在軌操作航天器的敏捷運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法的改進(jìn)，所述局部規(guī)劃器同時(shí)采用前向搜索方式和后向搜索方式進(jìn)行雙向平衡搜索。

作為本發(fā)明上述近距離在軌操作航天器的敏捷運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法的改進(jìn)，所述前向搜索方式為：已知兩節(jié)點(diǎn)i、j的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)p_i和p_j，求取從i節(jié)點(diǎn)出發(fā)經(jīng)過(guò)時(shí)間Δt的新節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)p_i+1，要求兩節(jié)點(diǎn)的時(shí)間狀態(tài)滿足t_i＜t_j，且t_j-t_i≥Δt，新節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)p_i+1表示為

式中——四元數(shù)矩陣，

q₁ q₂ q₃ q₄——分別為姿態(tài)四元數(shù)q的第一項(xiàng)至第四項(xiàng)；