一种基于差分进化算法的筒状零件对接位姿优化方法技术

一种基于差分进化算法的筒状零件对接位姿优化方法，目的是保证大尺寸、重负载的筒状零件装配对接安全，减少运动振动，兼顾对接效率与平稳性。其特征是它包括以下步骤：1.基于五次NURBS曲线生成筒状零件对接位姿轨迹；2.以调姿时间、对接平稳度为目标函数建立位姿轨迹多目标优化模型；3.使用差分进化算法实现位姿轨迹的多目标优化。由于大尺寸、重负载的筒状零件在装配对接运动中具有较大的惯性和动能，位姿轨迹规划需要保障其运动平稳性，本发明专利技术通过设置位姿调节时间以及对接平稳度作为优化目标函数，接着利用差分进化算法在高维非线性空间中对筒状零件位姿轨迹进行寻优，获取最优位姿运行轨迹，兼顾了效率与平稳性实现筒状零件对接。状零件对接。状零件对接。

【技术实现步骤摘要】
一种基于差分进化算法的筒状零件对接位姿优化方法


[0001]本专利技术涉及一种筒状零件对接位姿优化技术，尤其是一种为兼顾筒状零件对接效率与平稳性的方法，具体说是一种基于差分进化算法的筒状零件对接位姿优化方法。

技术介绍

[0002]在我国现役的许多火箭等航天航空产品中，其结构主体通常是由多段不同结构特征的筒状零件构成。其具有尺寸大、载重大等特点，在执行筒状零件装配任务时，因其具有较大的惯性和动能，如果对接运动过程中不平稳，可能会导致零件产生振动、降低对接精度甚至产生安全风险，而通过将运动平稳性作为优化目标的对接位姿轨迹优化可以保证筒状零件对接过程的安全与平稳性。
[0003]由于目前针对尺寸大、载重大的筒状零件的装配对接主要采用并联调姿机构，而针对其位姿轨迹规划研究中，对于单一优化目标如时间最优、能量最优、冲击最优的研究较多，而在实际大尺寸、易形变、重负载的筒状零件装配对接应用场景中不仅仅需要考虑对接时间效率，对接平稳性、产品安全性也是重要考虑因素。本专利技术基于六维NURBS曲线生成对接位姿轨迹，接着以总调姿时间、急动度作为目标函数建立多目标优化模型，最后利用多目标差分进化算法在高维非线性空间中求解最优轨迹，沿着该位姿轨迹进行筒状零件的对接运动可以兼顾效率与平稳性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对现有的尺寸大、载重大的筒状零件在装配对接中对于对接平稳性、产品安全性考虑不足而片面强调对接时间效率造成对接存在安全隐患的问题，专利技术一种基于差分进化算法的筒状零件对接位姿优化方法，它利用六维NURBS曲线生成精度较高的对接位姿轨迹，并采用多目标差分进化算法求解出能够兼顾对接效率以及对接平稳性的筒状零件对接位姿轨迹。
[0005]本专利技术的技术方案是：
[0006]一种基于差分进化算法的筒状零件对接位姿优化方法，其特征是：首先基于五次NURBS曲线生成对接位姿轨迹，接着选取调姿时间、急动度为目标函数建立位姿轨迹多目标优化模型，最后采用多目标差分进化算法(MODE)获取最优位姿轨迹。具体包括以下步骤：
[0007]步骤1：根据筒状零件装配对接调姿机构运动学约束，在六维NURBS曲线上的控制点上定义筒状零件的位置和姿态，使用5次NURBS曲线方程对筒状零件装配对接姿态和位置的参数化表达；
[0008]步骤2：通过对参数化位姿轨迹的进行求导，获得动平台也即筒状零件运动过程中位姿信息的关键物理参数，即位姿变化的速度、加速度、急动度；
[0009]步骤3：以调姿机构运动时间、调姿运动平稳性作为调姿机构对接位姿优化的评价指标建立筒状零件对接过程调姿机构多目标优化模型；
[0010]步骤4：以步骤1中控制节点和时间节点序列为未知量，初始化位姿控制参数，并设
置差分进化算法参数；
[0011]步骤5：进行变异、交叉操作生成子代种群；
[0012]步骤6：根据位姿轨迹评价目标函数计算由步骤5生成的种群的适应度，采用非支配排序选择优的个体作为下一代种群，若达到最大迭代次则执行步骤7，否则执行步骤5；
[0013]步骤7：在非劣解集中获取一个使得两个子目标被均衡考虑的解，生成筒状零件位姿调整过程的运行位姿轨迹。
[0014]所述步骤1中：筒状零件装配对接姿态和位置的参数化表达如下，对于采用五次NURBS曲线拟合位姿轨迹，位姿轨迹上每个控制节点的位姿信息可以表达为一个六维向量:
[0015]C
i
＝[X(i),Y(i),Z(i),yaw(i),pitch(i),roll(i)]T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0016]式(1)中，X、Y、Z为位置坐标，yaw、pitch、roll为欧拉角。则描述位姿信息的五次NURBS曲线方程一般形式，由位姿控制节点以及权重因子ω确定，如式(2)：
[0017][0018]式(2)中，C
i
为六维度的位姿控制节点，通过修改控制节点六维度信息、曲线阶数以及权重因子，控制NURBS位姿轨迹形状。u为包含n+k+2个节点的节点向量，N
i,k
(u)是k次的规范样条基函数，满足德布尔递推公式：
[0019][0020]式(3)中k表示样条函数的次数，i表示样条函数的序列号。筒状零件的起始和目标位姿的位姿信息六自由度坐标形式如式(4),(5):
[0021][0022]基于五次NURBS曲线方程构建的筒状零件位姿轨迹的一、二、三阶导数分别为速度、加速度和急动度。同时根据边界约束条件，需要设定运动过程的两端有k+1＝6(k为NURBS曲线方程次数，k＝5)个相同的控制节点，使得NURBS曲线通过所有的关节点，即初始与目标位姿处各3个相同的控制节点，同时由于采用NURBS方程，所以至少需要选择五个控制点对初始和目标位姿点以外的位姿轨迹进行调整，因此总共需要11控制点。初始与目标位姿处各3个相同的控制节点：
[0023][0024]在调姿机构运动开始和结束阶段，各有6个相同的时间节点：
[0025][0026]其中时间节点分量的非递减约束为：
[0027][0028]所述步骤2中：由步骤1所建立六个维度位姿变换的参数化描述，通过对调姿机构平台参数化位姿轨迹的进行求导，获得动平台也即筒状零件运动过程中位姿信息的关键物理参数，即位姿变化的速度、加速度、急动度，由于直接计算NURBS曲线的导数较为复杂，本专利技术选取权重因子参数为1用于简化方程计算，提高实时效率，对曲线方程求导采用De_Boor算法进行推导，分别为速度、加速度、急动度样条方程的六个维度控制节点，那么位姿变化的速度、加速度、急动度如公式(8)所示：
[0029][0030]所述步骤3中：首先，首先需要考虑筒状零件对接效率，因此，将位姿调整过程中调姿机构的运动时间作为第一个目标评价函数：
[0031][0032]式(9)中Δt
i
为相邻两个位姿点之间运动所需的时间。
[0033]其次，筒状零件通常结构尺寸较大，质量较重，调姿机构的运动过程必须保证平稳，以避免筒状零件在位姿调整过程中发生剧烈晃动。调姿机构各个驱动支链的急动度j
i
反映了调姿过程的平稳性，当各支链急动度的最大绝对值越小时，机构运动稳定性越高，筒状零件装配对接安全性也越高，因此第二个评价函数如式(10)所示：
[0034]|J
max
|＝max|j
i
|，(i＝1，2，...，6)
ꢀꢀꢀ
(10)
[0035]所述步骤4中：种群个体为位姿控制参数也即步骤1中所述控制节点以及时间序列，由步骤1中可知共有5个未知控制节点，每个节点为六维向量，以及6个时间节点，共36个未知位姿控制参数。算法开始前设置算法参数：种群数量NP＝100，变异算子α＝0.5,交叉算子CR＝0.1,最大进化代Gen＝100。
[0036]所述步骤5中：对位姿控制参数种群进行变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于差分进化算法筒状零件对接位姿优化方法，其特征是：首先基于五次NURBS曲线生成对接位姿轨迹，接着选取调姿时间、急动度为目标函数建立筒状零件位姿轨迹多目标优化模型，最后采用多目标差分进化算法(MODE)获取最优位姿轨迹。2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：包括如下步骤：步骤1：根据筒状零件装配对接调姿机构运动学约束，在六维五次NURBS曲线上的控制点上定义筒状零件的位置和姿态，建立五次NURBS曲线方程对筒状零件装配对接姿态和位置的参数化表达；步骤2：通过对参数化位姿轨迹的求导，获得动平台也即筒状零件运动过程中位姿信息的关键物理参数，即位姿变化的速度、加速度、急动度；步骤3：以调姿机构运动时间、调姿运动平稳性作为调姿机构对接位姿优化的评价指标建立筒状零件对接过程调姿机构多目标优化模型；步骤4：以步骤1中控制节点和时间节点序列为未知量，初始化位姿控制参数，并设置差分进化算法参数；步骤5：进行变异、交叉操作生成子代种群；步骤6：根据位姿轨迹评价目标函数计算由步骤5生成的种群的适应度，采用非支配排序选择优的个体作为下一代种群，若达到最大迭代次则执行步骤7，否则执行步骤5；步骤7：在非劣解集中获取一个使得两个子目标被均衡考虑的解，生成筒状零件位姿调整过程的运行位姿轨迹。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1中：筒状零件装配对接姿态和位置的参数化表达如下：对于采用五次NURBS曲线拟合位姿轨迹，位姿轨迹上每个控制节点的位姿信息表达为一个六维向量:C
i
＝[X(i),Y(i),Z(i),yaw(i),pitch(i),roll(i)]
T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式(1)中，X、Y、Z为位置坐标，yaw、pitch、roll为欧拉角；则描述位姿信息的五次NURBS曲线方程一般形式，由位姿控制节点以及权重因子ω确定，如式(2)：式(2)中，C
i
为六维度的位姿控制节点，通过修改控制节点六维度信息、曲线阶数、节点向量以及权重因子控制NURBS曲线形状；u为包含n+k+2个节点的节点向量，N
i,k
(u)是k次的规范样条基函数，满足德布尔递推公式：式(3)中k表示样条函数的次数，i表示样条函数的序列号；筒状零件的起始和目标位姿的位姿信息六自由度坐标形式如式(4),(5):
基于五次NURBS曲线方程构建的筒状零件位姿轨迹的一、二、三阶导数分别为速度、加速度和急动度；同时根据边界约束条件，需要设定运动过程的两端有k+1＝6个相同的控制节点，使得NURBS曲线通过所有的关节点，即初始与目标位姿处各3个相同的控制节点，同时由于采用NURBS方程，所以至少需要选择五个控制点对初始和目标位姿点以外的位姿轨迹进行调整，因此总共需要11控制点；初始与目标位姿处各3个相同的控制节点：在调姿机构运动开始和结束阶段，各有6个相同的时间节点：其中时间节点分量的非递减约束为：4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2中：由步骤1所建立六个维度位姿变换的参数化描述，通过对调姿机构平台参数化位姿轨迹进行求导，获得动平台也即筒状零件运动过程中位姿信息的关键物理参数，即位姿变化的速度、加速度、急动度,由于直接计算NURBS曲线的导数较为复杂，选取权重因子参数为1用于简化方程计算，提高实时效率，对曲线方程求导采用De_Boor算法推导可得：式(8)中，分别为速度、加速度、急动度样条方程的六个维度控制节点。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤3中：首先，首先需要考虑筒状零件对接效率，因此，将位姿调整过程中调姿机构的运动时间作为第一个目标评价函数：式(9)中Δt
i
为相邻两个位姿点之间运动所需的...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛善良，祁龙，葛珈辰，郑祖闯，麻茹雪，洪鹏，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：