空間機(jī)械臂輔助對(duì)接過(guò)程三維動(dòng)態(tài)仿真方法
【專利摘要】空間機(jī)械臂輔助對(duì)接過(guò)程三維動(dòng)態(tài)仿真方法，它涉及一種三維動(dòng)態(tài)仿真方法，具體涉及一種空間機(jī)械臂輔助對(duì)接過(guò)程三維動(dòng)態(tài)仿真方法。本發(fā)明為了解決地面指揮控制人員和航天員不能直觀的看到機(jī)械臂，給機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制帶來(lái)麻煩的問(wèn)題。本發(fā)明的具體步驟為：搭建實(shí)現(xiàn)環(huán)境；空間機(jī)械臂三維虛擬建模與顯示；建立運(yùn)動(dòng)模型；基于搖桿控制器的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)仿真；機(jī)械臂柔性臂桿受力及變形實(shí)時(shí)渲染；機(jī)械臂末端運(yùn)行軌跡的動(dòng)態(tài)顯示；輔助對(duì)接過(guò)程中的多視角交互式漫游；空間機(jī)械臂輔助對(duì)接過(guò)程的工程值及曲線顯示。本發(fā)明用于計(jì)算機(jī)仿真模擬【技術(shù)領(lǐng)域】。
【專利說(shuō)明】空間機(jī)械臂輔助對(duì)接過(guò)程三維動(dòng)態(tài)仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種三維動(dòng)態(tài)仿真方法，具體涉及一種空間機(jī)械臂輔助對(duì)接過(guò)程三維動(dòng)態(tài)仿真方法，屬于計(jì)算機(jī)仿真模擬【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]三維計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用涉及游戲、產(chǎn)品展示、虛擬制造及裝配、航空航天模擬等各個(gè)方面，仿真可視化已經(jīng)成為科研人員開發(fā)仿真系統(tǒng)、開展仿真實(shí)驗(yàn)的重要輔助手段。空間機(jī)械臂是深入開展載人航天活動(dòng)必不可少的工具，它在空間站系統(tǒng)中承擔(dān)著艙段捕獲與轉(zhuǎn)移、儀器設(shè)備轉(zhuǎn)移與安裝、輔助航天員出艙作業(yè)等功能?？臻g機(jī)械臂系統(tǒng)屬于大型空間設(shè)備，具備承載能力大、定位精度高、柔性特性明顯等特點(diǎn)，技術(shù)縱深大，交叉學(xué)科和關(guān)聯(lián)環(huán)節(jié)多，涉及機(jī)、電、熱、控等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，是一個(gè)多學(xué)科集成化、一體化的典型系統(tǒng)。大型空間柔性機(jī)械臂共有七個(gè)自由度(肩部三個(gè)自由度，肘部一個(gè)自由度，腕部三個(gè)自由度)，與簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)相比較，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程十分復(fù)雜，工作人員憑想象力難以直觀的預(yù)測(cè)出機(jī)械臂的運(yùn)行狀態(tài)。在實(shí)際使用過(guò)程中，地面指揮控制人員和航天員均不能直觀的看到機(jī)械臂，而且由于空間機(jī)械臂柔性振動(dòng)顯著，對(duì)本體沖擊較大，這都給運(yùn)動(dòng)控制帶來(lái)不便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為解決地面指揮控制人員和航天員不能直觀的看到機(jī)械臂，給機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制帶來(lái)麻煩的問(wèn)題，進(jìn)而提出空間機(jī)械臂輔助對(duì)接過(guò)程三維動(dòng)態(tài)仿真方法。
[0004]本發(fā)明為解決上述問(wèn)題采取的技術(shù)方案是:本發(fā)明的具體步驟如下:
[0005]步驟一、搭建實(shí)現(xiàn)環(huán)境:采用VC++構(gòu)建系統(tǒng)平臺(tái)和人機(jī)交互界面，利用OSG三維渲染引擎實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂輔助對(duì)接過(guò)程的三維虛擬仿真；
[0006]步驟二、空間機(jī)械臂三維虛擬建模與顯示:利用3DSMAX和Multigen Creator建立和裝配空間站與機(jī)械臂的三維模型，并建立地、月、日等鄰近空間場(chǎng)景；
[0007]步驟三、建立運(yùn)動(dòng)模型:基于軌道動(dòng)力學(xué)模型及姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型搭建空間站的運(yùn)動(dòng)模型，并導(dǎo)入軌道參數(shù)及姿態(tài)數(shù)據(jù)仿真空間的運(yùn)行狀態(tài)；
[0008]步驟四、基于搖桿控制器的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)仿真:通過(guò)搖桿操作機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)抓取、輔助對(duì)接、轉(zhuǎn)移艙段等過(guò)程，模擬真實(shí)對(duì)接任務(wù)；
[0009]步驟五、機(jī)械臂柔性臂桿受力及變形實(shí)時(shí)渲染:在機(jī)械臂執(zhí)行艙段抓取、轉(zhuǎn)移、對(duì)接與分離任務(wù)過(guò)程中，能夠以顏色及矢量箭頭的形式描述柔性臂桿的受力狀態(tài)，以云圖的形式描述柔性臂桿的變形狀態(tài)；
[0010]步驟六、機(jī)械臂末端運(yùn)行軌跡的動(dòng)態(tài)顯示:在輔助對(duì)接過(guò)程中實(shí)時(shí)繪制機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)觀察機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)軌跡，驗(yàn)證仿真數(shù)據(jù)、預(yù)判機(jī)械臂和艙體是否干涉；
[0011]步驟七、輔助對(duì)接過(guò)程中的多視角交互式漫游:通過(guò)安裝在機(jī)械臂上的全局和局部相機(jī)，實(shí)現(xiàn)不同位置、不同視角的相機(jī)現(xiàn)場(chǎng)顯示，模擬實(shí)際的觀察效果；
[0012]步驟八、空間機(jī)械臂輔助對(duì)接過(guò)程的工程值及曲線顯示:通過(guò)接收遙測(cè)遙控?cái)?shù)據(jù)，直觀的顯示空間站及機(jī)械臂的軌道、姿態(tài)、機(jī)械臂的關(guān)節(jié)及臂桿各工程值的狀態(tài)變化和取值情況，并繪制時(shí)域曲線。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)空間站、空間機(jī)械臂、艙段及其附屬設(shè)備的精細(xì)建模和高精度裝配；本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)地、月、日及星系等鄰近空間環(huán)境的建模及渲染；本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)空間機(jī)械臂的臂桿柔性振動(dòng)、臂桿受力狀態(tài)及變形狀態(tài)等力學(xué)特性的可視化仿真；本發(fā)明能夠以顏色和箭頭的形式表示臂桿受力情況，以云圖的形式表示臂桿變形情況；本發(fā)明能夠完成空間機(jī)械臂輔助對(duì)接過(guò)程中艙段抓取、轉(zhuǎn)移、對(duì)接及分離過(guò)程的三維可視化仿真；本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)輔助對(duì)接過(guò)程中各種工程值顯示和曲線繪制；本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)全局相機(jī)、局部相機(jī)等各相機(jī)視場(chǎng)的顯示；本發(fā)明能夠支持本地離線運(yùn)行模式及地面試驗(yàn)平臺(tái)、仿真驗(yàn)證系統(tǒng)聯(lián)機(jī)協(xié)同運(yùn)行模式。本發(fā)明是在由VC++和OSG三維渲染引擎共同搭建的環(huán)境中完成的，VC++用于構(gòu)建系統(tǒng)平臺(tái)和相關(guān)界面，OSG三維渲染引擎提供虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)用于實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂輔助對(duì)接過(guò)程三維動(dòng)態(tài)虛擬仿真，相比于傳統(tǒng)的三維渲染技術(shù)，OSG虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使仿真結(jié)構(gòu)更加直觀化、現(xiàn)場(chǎng)化，并具備良好的可視化交互性能。本發(fā)明中星體建模仿真主要基于開源星體仿真方案osgEarth進(jìn)行二次開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)的功能有高精度地圖紋理生成、地球云層、地球光暈、太陽(yáng)光暈及其光斑效果等。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本發(fā)明的流程框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]【具體實(shí)施方式】一:結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述空間機(jī)械臂輔助對(duì)接過(guò)程三維仿真方法是通過(guò)如下步驟實(shí)現(xiàn)的:
[0016]步驟一、搭建實(shí)現(xiàn)環(huán)境:采用VC++構(gòu)建系統(tǒng)平臺(tái)和人機(jī)交互界面，利用OSG三維渲染引擎實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂輔助對(duì)接過(guò)程的三維虛擬仿真；
[0017]步驟二、空間機(jī)械臂三維虛擬建模與顯示:利用3DSMAX和Multigen Creator建立和裝配空間站與機(jī)械臂的三維模型，并建立地、月、日等鄰近空間場(chǎng)景；
[0018]步驟三、建立運(yùn)動(dòng)模型:基于軌道動(dòng)力學(xué)模型及姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型搭建空間站的運(yùn)動(dòng)模型，并導(dǎo)入軌道參數(shù)及姿態(tài)數(shù)據(jù)仿真空間的運(yùn)行狀態(tài)；
[0019]步驟四、基于搖桿控制器的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)仿真:通過(guò)搖桿操作機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)抓取、輔助對(duì)接、轉(zhuǎn)移艙段等過(guò)程，模擬真實(shí)對(duì)接任務(wù)；
[0020]步驟五、機(jī)械臂柔性臂桿受力及變形實(shí)時(shí)渲染:在機(jī)械臂執(zhí)行艙段抓取、轉(zhuǎn)移、對(duì)接與分離任務(wù)過(guò)程中，能夠以顏色及矢量箭頭的形式描述柔性臂桿的受力狀態(tài)，以云圖的形式描述柔性臂桿的變形狀態(tài)；
[0021]步驟六、機(jī)械臂末端運(yùn)行軌跡的動(dòng)態(tài)顯示:在輔助對(duì)接過(guò)程中實(shí)時(shí)繪制機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)觀察機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)軌跡，驗(yàn)證仿真數(shù)據(jù)、預(yù)判機(jī)械臂和艙體是否干涉；
[0022]步驟七、輔助對(duì)接過(guò)程中的多視角交互式漫游:通過(guò)安裝在機(jī)械臂上的全局和局部相機(jī)，實(shí)現(xiàn)不同位置、不同視角的相機(jī)現(xiàn)場(chǎng)顯示，模擬實(shí)際的觀察效果；
[0023]步驟八、空間機(jī)械臂輔助對(duì)接過(guò)程的工程值及曲線顯示:通過(guò)接收遙測(cè)遙控?cái)?shù)據(jù)，直觀的顯示空間站及機(jī)械臂的軌道、姿態(tài)、機(jī)械臂的關(guān)節(jié)及臂桿各工程值的狀態(tài)變化和取值情況，并繪制時(shí)域曲線。
[0024]本實(shí)施方式的步驟一中VC++用于構(gòu)建系統(tǒng)平臺(tái)和相關(guān)界面，充分利用MFC平臺(tái)的技術(shù)特點(diǎn)，采用包括單文檔多視圖技術(shù)、Fluent Π技術(shù)、GDI技術(shù)等設(shè)計(jì)了人性化的人機(jī)交互界面，界面美觀簡(jiǎn)潔、操作簡(jiǎn)單易懂；OSG三維渲染引擎提供虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)用于實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂輔助對(duì)接過(guò)程三維動(dòng)態(tài)虛擬仿真，相比于傳統(tǒng)的三維渲染技術(shù)，OSG虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使仿真結(jié)果更加直觀化、現(xiàn)場(chǎng)化，并具備良好的可視化交互性能。
[0025]步驟二中三維虛擬場(chǎng)景模擬是對(duì)空間站、機(jī)械臂、地、月、日等臨近空間場(chǎng)景進(jìn)行三維模擬，通過(guò)對(duì)模型的精細(xì)建模和渲染可以更加真實(shí)的描述目標(biāo)模型，提高模型真實(shí)度。在裝配的過(guò)程中對(duì)模型中的零件進(jìn)行碰撞檢測(cè)，以驗(yàn)證裝配結(jié)果，該模塊主要包括模型建模與場(chǎng)景建模，模型建模包括空間站、空間機(jī)械臂、轉(zhuǎn)運(yùn)艙段及其附屬設(shè)備建模；場(chǎng)景建模包括地、月、日、星系、光暈、云層及耀斑等臨近空間星體及星體效果的建模；所有模型都以IVE格式的二進(jìn)制文件方式存儲(chǔ)，該模塊屬于可擴(kuò)展模塊，任何IVE格式的模型均可以添加到此模型庫(kù)模塊中，具體建模方法如下:
[0026]步驟一、根據(jù)真實(shí)的空間站和機(jī)械臂尺寸，利用三維動(dòng)畫渲染制作軟件3DS MAX重構(gòu)出相應(yīng)的虛擬三維對(duì)象實(shí)體，運(yùn)用材質(zhì)貼圖、布爾運(yùn)算等方法進(jìn)行處理和構(gòu)型，并以FLT格式文件導(dǎo)出；
[0027]步驟二、利用三維虛擬仿真建模軟件Multigen Creator對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)處添加DOF節(jié)點(diǎn)，使用OSG訪問(wèn)上述節(jié)點(diǎn)并調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。繪制空間站和轉(zhuǎn)運(yùn)艙段模型時(shí)，采用LOD技術(shù)，使用多組由簡(jiǎn)到繁的繪制方案來(lái)實(shí)現(xiàn)同一個(gè)模型的渲染，并設(shè)置由遠(yuǎn)及近時(shí)的LOD切換動(dòng)作，達(dá)到減輕渲染負(fù)擔(dān)和保證渲染質(zhì)量的多重目的；
[0028]步驟三、最后將FLT格式文件轉(zhuǎn)換為調(diào)用效率更高的IVE格式文件。
[0029]在程序中構(gòu)建的三維虛擬模型與真實(shí)結(jié)構(gòu)相比，需要經(jīng)過(guò)必要的簡(jiǎn)化。如果完全重構(gòu)與實(shí)際機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)可比擬的虛擬模型，幾何數(shù)據(jù)十分龐大，這將增加計(jì)算機(jī)在渲染過(guò)程中模型數(shù)據(jù)處理量，因此在構(gòu)建虛擬模型時(shí)，凡是不可見的零部件均被去除。經(jīng)過(guò)這樣處理后，3D模型的幾何節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量大大減小，有利于3D模型動(dòng)態(tài)更新和處理。其中DOF表示自由度，LOD表示多細(xì)節(jié)層次。
[0030]地球光暈的渲染主要依據(jù)大氣散射構(gòu)建出大氣層的散射紋理，然后在構(gòu)建出的紋理的基礎(chǔ)上計(jì)算渲染大氣層的散射模型。大氣層光譜渲染時(shí)，先計(jì)算大氣層光譜，而后計(jì)算地球光譜和地球背影處的光譜，最后計(jì)算光學(xué)厚度，從而完成地球光暈的渲染。
[0031]太陽(yáng)光暈采用告示牌技術(shù)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)逆向觀察太陽(yáng)時(shí)，太陽(yáng)光將出現(xiàn)光斑，為了真實(shí)直觀的顯示光斑，可以通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算視場(chǎng)位置及投向太陽(yáng)的視線方向，當(dāng)視線在閾值范圍內(nèi)時(shí)，則渲染光斑；視線在閾值范圍外時(shí)，貝1J不渲染。其中光斑為若干圓環(huán)及圓球的透明體，能夠較為真實(shí)的反應(yīng)逆光時(shí)太陽(yáng)光線的特點(diǎn)。
[0032]步驟三中由軌道計(jì)算程序預(yù)先或?qū)崟r(shí)給出不同時(shí)刻空間站軌道參數(shù)，其中軌道參數(shù)主要包括軌道長(zhǎng)半軸α、軌道偏心率e、軌道傾角1、升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω、近心點(diǎn)角距co、t(l時(shí)刻的平近點(diǎn)角Mtl或真近點(diǎn)角Θ。通過(guò)上述參數(shù)的配合可以計(jì)算得到某時(shí)刻的星體的軌道信息；在MFC工作線程里的每一仿真步長(zhǎng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)空間站軌道參數(shù)的更新，利用更新后的數(shù)據(jù)通過(guò)OSG線程來(lái)對(duì)場(chǎng)景中的目標(biāo)進(jìn)行渲染更新，在每一幀中遍歷更新星體的軌道參數(shù)值，有時(shí)需要將參數(shù)值由全局坐標(biāo)系變換到相對(duì)坐標(biāo)系中對(duì)模型的位置進(jìn)行賦值，繪制新位置處的視景環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)視景中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
[0033]步驟四中空間機(jī)械臂執(zhí)行輔助對(duì)接任務(wù)主要包含以下幾個(gè)階段:對(duì)接開始前空間站及附屬艙段在目標(biāo)軌道的姿態(tài)保持階段、準(zhǔn)備執(zhí)行對(duì)接任務(wù)時(shí)機(jī)械臂展開及爬行階段、執(zhí)行對(duì)接任務(wù)中機(jī)械臂抓取目標(biāo)艙段階段、機(jī)械臂轉(zhuǎn)移目標(biāo)艙段階段、目標(biāo)艙段對(duì)接階段以及對(duì)接任務(wù)完成后機(jī)械臂調(diào)整姿態(tài)待機(jī)階段；以上各階段機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)以及轉(zhuǎn)運(yùn)艙段的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)由機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)與控制程序提供；機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)與控制程序在輸出上述數(shù)據(jù)時(shí)，需要輸入路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)作為計(jì)算依據(jù)；對(duì)于路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)可以通過(guò)路徑規(guī)劃程序提供或由搖桿控制器提供。
[0034]機(jī)械臂的路徑規(guī)劃是在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上，研究在關(guān)節(jié)空間和笛卡兒空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃和軌跡生成方法；本發(fā)明采用面向關(guān)節(jié)空間的規(guī)劃方法。
[0035]在已知機(jī)械臂的動(dòng)作路徑后，動(dòng)力學(xué)與控制程序?qū)?duì)機(jī)械臂的每一個(gè)關(guān)節(jié)節(jié)點(diǎn)和臂桿節(jié)點(diǎn)建立D-H (Denavit-Hartenberg)坐標(biāo)，獲得D-H參數(shù)表，建立變換矩陣。對(duì)抓取、輔助對(duì)接、轉(zhuǎn)移艙段的過(guò)程規(guī)劃路徑點(diǎn)，路徑點(diǎn)用工具坐標(biāo)系IT}相對(duì)于工作坐標(biāo)系{S}的位姿來(lái)表示，用運(yùn)動(dòng)學(xué)反解將路徑點(diǎn)轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)矢量角度值，然后對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)擬合成一個(gè)光滑函數(shù)，使之從起始點(diǎn)開始，依次通過(guò)所有路徑點(diǎn)，最后到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。對(duì)于每一段路徑，各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)間均相同，這樣保證所有關(guān)節(jié)同時(shí)到達(dá)路徑點(diǎn)和終止點(diǎn)，從而得到工具坐標(biāo)系{T}應(yīng)有的位置和姿態(tài)。將得到的關(guān)節(jié)和臂桿的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)傳給OSG以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂沿規(guī)劃路徑的運(yùn)動(dòng)或搖桿操作機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)艙段抓取、轉(zhuǎn)位、對(duì)接等過(guò)程。
[0036]本發(fā)明中采用DirectX SDK中提供的DirectInput庫(kù)文件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)搖桿操作的支持，這樣就可以在OSG中實(shí)現(xiàn)對(duì)搖桿動(dòng)作的響應(yīng)及事件回調(diào)，完成機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)。
[0037]為了進(jìn)一步提高真實(shí)度和顯示效果，本發(fā)明中添加了機(jī)械臂在空間站的陰影效果及艙段的虛影效果。在實(shí)現(xiàn)陰影效果時(shí)，將太陽(yáng)光源作為投影源，空間站作為投影區(qū)域，機(jī)械臂作為投影節(jié)點(diǎn)，在輔助對(duì)接過(guò)程中實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)械臂陰影的投射位置來(lái)模擬陰影效果；艙段虛影顯示是為了便于觀察機(jī)械臂操作是否達(dá)到預(yù)期結(jié)果，對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)艙段原位置和目標(biāo)位置進(jìn)行透明處理，實(shí)現(xiàn)虛影顯示效果，當(dāng)轉(zhuǎn)移艙段與虛影重合時(shí)，說(shuō)明艙段到達(dá)目標(biāo)位置，轉(zhuǎn)位任務(wù)成功。
[0038]步驟五中采用GLSL著色語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)臂桿受力及變形的渲染。著色語(yǔ)言可以對(duì)圖形處理管線的大多數(shù)重要階段實(shí)施完全的控制，實(shí)現(xiàn)需要的圖形渲染效果。本發(fā)明中，將機(jī)械臂的臂桿劃分成多段圓柱單元，對(duì)每一段單元使用GLSL著色語(yǔ)言修改頂點(diǎn)著色器和片元著色器以改變單元的光照、顏色和透明度，按柔性變形大小計(jì)算單元顏色，建立變形量與顏色的對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系，并根據(jù)上述對(duì)應(yīng)關(guān)系以云圖的形式繪制顏色標(biāo)尺，以直觀的顯示上述對(duì)應(yīng)關(guān)系。本發(fā)明中以箭頭的長(zhǎng)短和方向表征單元受力的大小和方向，以顏色的深淺表征單元變形量的大小。
[0039]臂桿受力和變形數(shù)據(jù)由機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)與控制程序提供或通用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件MSC.ADAMS仿真得到，在MFC工作者線程里的每一仿真步長(zhǎng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)受力和變形參數(shù)的更新，利用這些數(shù)據(jù)通過(guò)OSG線程實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景中作用力箭頭的大小和方向以及單元顏色的變化，從而直觀的顯示出在輔助對(duì)接任務(wù)中機(jī)械臂臂桿的力學(xué)狀態(tài)。
[0040]步驟六中在空間機(jī)械臂機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)實(shí)時(shí)獲取機(jī)械臂末端某位置的頂點(diǎn)坐標(biāo)及法線數(shù)據(jù)，以回調(diào)函數(shù)的形式添加繪制函數(shù)，將該位置不斷變化的頂點(diǎn)坐標(biāo)及法線數(shù)據(jù)以曲線的形式繪制出來(lái)，從而形成機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)軌跡。通過(guò)觀察機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)軌跡，驗(yàn)證仿真數(shù)據(jù)、預(yù)判機(jī)械臂和艙體是否干涉。
[0041]步驟七中相機(jī)分為安裝于星體上的全局相機(jī)及安裝于機(jī)械臂上的局部相機(jī)，全局相機(jī)的位置及視角根據(jù)安裝初始值能夠確定，而局部相機(jī)的位置及視角由于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作而實(shí)時(shí)變化，因此需要根據(jù)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的對(duì)相機(jī)位置及視線方向進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新。為了模擬相機(jī)視場(chǎng)變化及相機(jī)焦距的變化，還需要根據(jù)相機(jī)的光學(xué)參數(shù)對(duì)視景體投射矩陣進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)對(duì)相機(jī)節(jié)點(diǎn)的矩陣變化實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)的變換，視點(diǎn)變換矩陣負(fù)責(zé)將世界坐標(biāo)系下的物體變換到相機(jī)局部坐標(biāo)系下，變換公式為:
[0042]Vvcs=Vwcs.Mview
[0043]其中，V_為相機(jī)局部坐標(biāo)系，Vwcs為全局/世界坐標(biāo)系，Mview為視點(diǎn)變換矩陣。
[0044]本發(fā)明中根據(jù)任務(wù)需求，將局部相機(jī)分別安裝于機(jī)械臂的肩部、肘部和腕部，觀察者可以根據(jù)需求查看機(jī)械臂不同關(guān)節(jié)的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)不同視角、不同縮放比例的相機(jī)視場(chǎng)顯示，模擬真實(shí)的觀察效。
[0045]步驟八中通過(guò)接收遙測(cè)遙控?cái)?shù)據(jù)，直觀的顯示對(duì)接過(guò)程中空間站及機(jī)械臂的軌道、姿態(tài)、機(jī)械臂的關(guān)節(jié)及臂桿的受力、變形等各工程值的狀態(tài)變化和取值情況，并繪制時(shí)域曲線或?qū)Ρ惹€，以準(zhǔn)確提供關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)的曲線分析。本發(fā)明在表示工程值狀態(tài)、取值以及繪制目標(biāo)曲線時(shí)，需要根據(jù)所需顯示的參數(shù)和通訊協(xié)議，指定需要接收的遙測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)接收到的遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理，從數(shù)據(jù)包中解算出所選參數(shù)的時(shí)標(biāo)及工程值，而后根據(jù)步長(zhǎng)的變化，繪制參數(shù)隨時(shí)間變化的曲線，從而完成對(duì)工程數(shù)據(jù)的曲線顯示。
【權(quán)利要求】
1.空間機(jī)械臂輔助對(duì)接過(guò)程三維仿真方法，其特征在于:所述空間機(jī)械臂輔助對(duì)接過(guò)程三維仿真方法的具體步驟如下: 步驟一、搭建實(shí)現(xiàn)環(huán)境:采用VC++構(gòu)建系統(tǒng)平臺(tái)和人機(jī)交互界面，利用OSG三維渲染引擎實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂輔助對(duì)接過(guò)程的三維虛擬仿真； 步驟二、空間機(jī)械臂三維虛擬建模與顯示:利用3DSMAX和Multigen Creator建立和裝配空間站與機(jī)械臂的三維模型，并建立地、月、日等鄰近空間場(chǎng)景； 步驟三、建立運(yùn)動(dòng)模型:基于軌道動(dòng)力學(xué)模型及姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型搭建空間站的運(yùn)動(dòng)模型，并導(dǎo)入軌道參數(shù)及姿態(tài)數(shù)據(jù)仿真空間的運(yùn)行狀態(tài)； 步驟四、基于搖桿控制器的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)仿真:通過(guò)搖桿操作機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)抓取、輔助對(duì)接、轉(zhuǎn)移艙段等過(guò)程，模擬真實(shí)對(duì)接任務(wù)； 步驟五、機(jī)械臂柔性臂桿受力及變形實(shí)時(shí)渲染:在機(jī)械臂執(zhí)行艙段抓取、轉(zhuǎn)移、對(duì)接與分離任務(wù)過(guò)程中，能夠以顏色及矢量箭頭的形式描述柔性臂桿的受力狀態(tài)，以云圖的形式描述柔性臂桿的變形狀態(tài)； 步驟六、機(jī)械臂末端運(yùn)行軌跡的動(dòng)態(tài)顯示:在輔助對(duì)接過(guò)程中實(shí)時(shí)繪制機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)觀察機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)軌跡，驗(yàn)證仿真數(shù)據(jù)、預(yù)判機(jī)械臂和艙體是否干涉； 步驟七、輔助對(duì)接過(guò)程中的多視角交互式漫游:通過(guò)安裝在機(jī)械臂上的全局和局部相機(jī)，實(shí)現(xiàn)不同位置、不同視角的相機(jī)現(xiàn)場(chǎng)顯示，模擬實(shí)際的觀察效果； 步驟八、空間機(jī)械臂輔助對(duì)接過(guò)程的工程值及曲線顯示:通過(guò)接收遙測(cè)遙控?cái)?shù)據(jù)，直觀的顯示空間站及機(jī)械臂的軌道、姿態(tài)、機(jī)械臂的關(guān)節(jié)及臂桿各工程值的狀態(tài)變化和取值情況，并繪制時(shí)域曲線。
【文檔編號(hào)】G06T15/00GK103870665SQ201410138489
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年4月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月8日
【發(fā)明者】魏承, 張玥, 許曉霞, 馬超, 劉昊, 趙陽(yáng) 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)