一种基于绳索操控的两体动力学建模方法技术

本发明专利技术实施例公开一种基于绳索操纵的两体动力学建模方法，包括：S1、计算绳索长度及绳长变化率；S3、求取绳索姿态及绳索姿态角速度；S5、约束分离广义坐标，得到缆绳收放的速度；S7、根据加速度约束方程建立动力学方程；S9、在所述加速度约束方程中加入修正项，用绳长的变化量和绳长的导数进行反馈，得到修正后的动力学方程。

【技术实现步骤摘要】
一种基于绳索操控的两体动力学建模方法
本专利技术涉及力学领域。更具体地，涉及一种基于绳索操控的两体动力学建模方法。
技术介绍
近二十年，基于柔性绳索的多刚体动力学研究受到广泛关注，典型项目有空间绳索、水下电缆、伞舱回收系统、动力翼伞等。研究内容涉及多体动力学建模以及绳索动力学，一般从矢量力学和分析力学两个方向建模。矢量力学的理论基础是牛顿力学，通过分析对象的平衡力系以及速度、加速度之间关系进行分析，此方法需要考虑系统内部的约束力；而分析力学的理论基础是虚功原理，利用分析对象所受外力做的功和对象的能与速度、加速度之间关系进行分析，此方法着眼于整个系统，避免了约束反力。传统研究都是根据被控对象特点采取一些假设处理，如吊点方式的简化、两体自由度的简化等，而且没有考虑绳索长度变化影响。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术第一个实施例提供一种基于绳索操纵的两体动力学建模方法，包括：S1、计算绳索长度及绳长变化率；S3、求取绳索姿态及绳索姿态角速度；S5、约束分离广义坐标，得到缆绳收放的速度；S7、根据加速度约束方程建立动力学方程；S9、在所述加速度约束方程中加入修正项，用绳长的变化量和绳长的导数进行反馈，得到修正后的动力学方程。在一个具体实施例中，所述S1包括：S11、获取初始时气囊体系和吊舱体系下的吊点坐标；S13、求解发射系下气囊和吊舱上的吊点坐标；S15、根据发射系下的吊点坐标求解得到绳索长度，利用相邻两个时刻的绳索长度差分，从而计算得到绳长变化率：式中，lc_p(k)为当前时刻的绳长，lc_p(k-1)为上一时刻的绳长，ΔT为操作时长。在一个具体实施例中，所述S3包括：S31、根据绳索在气囊体系下的坐标，求解得到绳索体系相对气囊的方位角和仰角：θT＝arctan(-lc_p_x/lc_p_y)γT＝arctan(lc_p_z/(lc_p_ycos(θT)-lc_p_xsin(θT)))式中，lc_p_x，lc_p_y，lc_p_z为绳索矢量在气囊体系下的坐标分量，θT，γT为绳索相对气囊的方位角和仰角；S33、根据所述方位角和仰角得到绳索体系相对气囊体系的坐标转换矩阵AT_c：S35、并利用相邻两个时刻的方位角和仰角差分，计算得到方位角和仰角的角速度：S37、进一步得到绳索体系相对气囊体系的角速度在一个具体实施例中，所述S5包括：缆绳收放的速度为约束引入的广义坐标，增广后的广义坐标如下：式中，为气囊质心相对发射系原点在气囊体系下的速度，为气囊在气囊体系下的角速度，为吊舱质心相对发射系原点在吊舱体系下的速度，为吊舱在吊舱体系下的角速度，ΔvT1,ΔvT2,ΔvT3,ΔvT4为连接气囊吊舱的四根绳索收放的速度,记为：计算缆绳收放的速度如下式中，为气囊上吊点相对发射系原点在气囊体系下的速度，为气囊吊点相对吊舱吊点的位置矢径，S()为反对称算子，对有：式中AT_p表示绳索体系到吊舱体系的姿态转换矩阵：表示为矩阵形式如下：在一个具体实施例中，所述S7包括：利用速度约束方程，求导得到加速度约束方程；同时得到作用在两体系统上的约束反力；根据加速度约束方程和两体动力学方程联立，得到系统的动力学方程。在一个具体实施例中，所述S9包括：在加速度约束方程中加入修正量，用绳长的变化量和绳长的导数进行反馈对约束方程进行修正，得到修正后的动力学方程。在一个具体实施例中，其特征在于，所述气囊体坐标系定义为以气囊质心为原点，x轴在囊体纵对称面内指向前进方向为正，y轴在囊体纵对称面内竖直向上为正，z轴定义符合右手定则；所述吊舱体坐标系定义为以吊舱质心为原点，x轴在吊舱纵对称面内指向前进方向为正，y轴在吊舱纵对称面内竖直向上为正，z轴定义符合右手定则；发射系到气囊体系的坐标转换矩阵为：发射系到吊舱体系的坐标转换矩阵：式中，分别为气囊的俯仰角，偏航角，滚转角；分别为吊舱的俯仰角，偏航角，滚转角。本专利技术的第三个实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如第一个实施例所述的方法。本专利技术的第四个实施例提供一种计算设备，包括处理器，其特征在于，所述处理器执行程序时实现如第一个实施例所述的方法。本专利技术的有益效果如下：本专利技术实施例提供的一种基于绳索操控的两体动力学建模方法，该方法充分考虑了两体六自由度模型、吊点模型、绳索受力模型，能够表明气囊和吊舱两体运动过程中的位置变化、姿态变化和绳索受力变化，有利于指导两体控制。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。图1示出根据本专利技术的一个实施例的一种基于绳索操控的两体动力学建模方法流程图。图2示出根据本专利技术的一个实施例的计算机设备的结构示意图。具体实施方式为了更清楚地说明本专利技术，下面结合优选实施例和附图对本专利技术做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本专利技术的保护范围。实施例1一种基于绳索操控的两体动力学建模方法：坐标系及转换矩阵的定义：两体系统坐标系的定义，包括：发射坐标系、气囊体坐标系、吊舱体坐标系、绳索体坐标系。发射系到气囊体系的坐标转换矩阵的功能为：描述囊体在发射系中的姿态，实现发射系到气囊体系的坐标转换。发射系到吊舱体系的坐标转换矩阵的功能为：描述吊舱在发射系中的姿态，实现发射系到吊舱体系的坐标转换。绳索体系到气囊体系的坐标转换矩阵的功能为：描述绳索体系相对气囊体系的相对姿态，实现绳索体系到气囊体系的坐标转换。发射坐标系定义：发射点为发射坐标系原点，x轴沿当地水平面指向正东方向，y轴在包含x轴的铅垂面内垂直于x轴向上，z轴定义符合右手定则。气囊体坐标系定义：以气囊质心为原点，x轴在囊体纵对称面内指向前进方向为正。y轴在囊体纵对称面内竖直向上为正，z轴定义符合右手定则。吊舱体坐标系定义：以吊舱质心为原点，x轴在吊舱纵对称面内指向前进方向为正。y轴在吊舱纵对称面内竖直向上为正，z轴定义符合右手定则。绳索体坐标系：以绳索和气囊的连接点为坐标原点，y轴方向沿绳索向上，z轴在发射坐标系的yoz平面内，x轴定义符合右手定则。转换矩阵定义如下，发射系到气囊体系的坐标转换矩阵：发射系到吊舱体系的坐标转换矩阵：式中，分别为气囊的俯仰角，偏航角，滚转角。分别为吊舱的俯仰角，偏航角，滚转角。发射系到气囊体系的坐标转换矩阵的功能为：描述囊体在发射系中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于绳索操纵的两体动力学建模方法，其特征在于，包括：/nS1、计算绳索长度及绳长变化率；/nS3、求取绳索姿态及绳索姿态角速度；/nS5、约束分离广义坐标，得到缆绳收放的速度；/nS7、根据加速度约束方程建立动力学方程；/nS9、在所述加速度约束方程中加入修正项，用绳长的变化量和绳长的导数进行反馈，得到修正后的动力学方程。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于绳索操纵的两体动力学建模方法，其特征在于，包括：
S1、计算绳索长度及绳长变化率；
S3、求取绳索姿态及绳索姿态角速度；
S5、约束分离广义坐标，得到缆绳收放的速度；
S7、根据加速度约束方程建立动力学方程；
S9、在所述加速度约束方程中加入修正项，用绳长的变化量和绳长的导数进行反馈，得到修正后的动力学方程。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1包括：
S11、获取初始时气囊体系和吊舱体系下的吊点坐标；
S13、求解发射系下气囊和吊舱上的吊点坐标；
S15、根据发射系下的吊点坐标求解得到绳索长度，利用相邻两个时刻的绳索长度差分，从而计算得到绳长变化率：



式中，lc_p(k)为当前时刻的绳长，lc_p(k-1)为上一时刻的绳长，ΔT为操作时长。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3包括：
S31、根据绳索在气囊体系下的坐标，求解得到绳索体系相对气囊的方位角和仰角：






式中，lc_p_x，lc_p_y，lc_p_z为绳索矢量在气囊体系下的坐标分量，θT，γT为绳索相对气囊的方位角和仰角；
S33、根据所述方位角和仰角得到绳索体系相对气囊体系的坐标转换矩阵AT_c：



S35、并利用相邻两个时刻的方位角和仰角差分，计算得到方位角和仰角的角速度：






S37、进一步得到绳索体系相对气囊体系的角速度





4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S5包括：
缆绳收放的速度为约束引入的广义坐标，增广后的广义坐标如下：



式中，V1(1)为气囊质心相对发射系原点在气囊体系下的速度，为气囊在气囊体系下的角速度，为吊舱质心相对发射系原点在吊舱体系下的速度，为吊舱在吊舱...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕杰，姚焱熠，郑勇斌，吴天泽，姚雨晗，王蒙一，孟中杰，张庆兵，
申请(专利权)人：北京电子工程总体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11