機械臂轉位艙段過程的多學科集成仿真

孫樂豐 王為

(中國空間技術研究院載人航天總體部,北京 100094)

機械臂轉位艙段過程的多學科集成仿真

孫樂豐 王為

(中國空間技術研究院載人航天總體部,北京 100094)

基于高層體系結構(HLA)及Modelica建模語言構建的系統集成仿真平臺,通過構建和集成與機械臂轉位艙段過程相關的艙體動力學、機械臂、軌道、姿態控制、總體電路等功能模型,建立了機械臂轉位艙段集成仿真模型,開展了機械臂轉位艙段過程多學科集成仿真,建立并驗證了基于功能模型的多學科集成仿真工作流程,提出并實踐了基于功能模型的總體-分系統多學科集成仿真工作模式。仿真結果表明:文章提出的工作流程和工作模式合理有效,集成仿真方案可行,研究成果可以為航天器研制數字化提供參考。

空間機械臂;艙段轉位;多學科;集成仿真

1 引言

空間站機械臂的任務包括艙段捕獲、轉移、設備安裝、維修更換、輔助航天員轉移等。其中,轉位艙段是空間站機械臂的首要任務,也是機械臂難度最大的任務之一[1-2]。

轉位艙段是空間站建設的關鍵,空間站3個艙段要通過對接和轉位的方式來完成空間站組合體構建:機械臂轉位艙段任務是利用機械臂將空間站的待轉艙段從對接口轉移到空間站核心艙的停泊口,并控制其與核心艙的節點艙進行二次對接[3-4],在分別完成兩次轉位艙段后,空間站建成三艙基本構型。

機械臂轉位艙段任務中,由于核心艙、實驗艙、機械臂組成的系統尺度大,地面上復現在軌的零重力環境并開展全尺寸物理驗證十分困難,所以主要通過仿真分析對設計進行驗證[5-6]。

由于機械臂轉位艙段過程中涉及多個航天器以及不同學科專業,需要構建和集成多個學科的功能模型,并且通過系統集成仿真平臺,最終建立機械臂轉位艙段集成仿真模型。仿真功能模型的構建可采用不同的建模語言和建模工具,例如文獻[7]利用Modelica建模語言構建了月球車通信系統的功能仿真模型,文獻[8]利用Simulink仿真工具構建了航天器電源控制系統功能仿真模型。此外,有許多研究利用不同的集成仿真平臺,開展了功能仿真模型的集成,例如,文獻[9]基于HLA仿真協議開展了航天任務聯合仿真,文獻[10]利用 Modelcenter軟件開展了運載火箭的集成設計仿真。然而以上文獻較少涉及集成仿真工作流程和工作模式的分析研究。

本文主要從集成仿真工作流程、集成仿真工作模式、集成仿真平臺方案和機械臂轉位艙段仿真應用4個方面,介紹了機械臂轉位艙段多學科集成仿真應用實踐。

2 多學科集成仿真工作流程

開展多學科集成仿真,首先要明確仿真對象和仿真的目的,然后依據合理可行的工作流程實現,本文提出集成仿真工作流程主要由以下9個步驟組成:①仿真目標分析;②仿真內容分解;③功能模型梳理;④建模要求確定;⑤功能模型構建;⑥模型測試及驗證;⑦模型集成聯調;⑧仿真結果分析;⑨集成仿真應用(見圖1)。

首先,要根據用戶(或系統總體)需求或技術要求,完成仿真任務的需求分析。確定仿真目標,并根據仿真目標分解仿真內容。其次,依據仿真內容梳理仿真任務涉及的功能模型,確定有關的分系統,并且進一步確定功能模型的功能要求、輸入輸出接口、模型參數以及其他的共性要素。針對功能模型的特點,利用相應的建模工具開展功能模型建模以及封裝,對各功能模型進行測試驗證,保證各功能模型仿真輸出合理可信。功能模型齊備后需要開展模型集成聯調,利用仿真系統以及集成接口完成功能模型的集成仿真測試,對仿真結果進行統計分析,形成仿真驗證分析報告。最后,基于集成仿真模型開展仿真擴展應用。

上述每個階段都需要與前一階段進行多次迭代才能完成,每個階段狀態固化后再推進至下一階段,此外,每個階段都要對功能模型庫進行補充、修改和完善,最終完成基于功能模型的多學科集成仿真。

上述流程中,仿真結果分析以及集成仿真應用較為容易理解,本文主要針對仿真目標分析、仿真內容分解、功能模型梳理、建模要求確定、功能模型構建、模型測試及驗證,以及模型集成聯調進行具體說明。

2.1 仿真目標分析

集成仿真,首先需要確定仿真目標,仿真目標不能過于復雜和寬泛,以避免工作規模過大導致集成仿真難以推進;又不能過于簡化,導致仿真結果不能滿足實際應用,造成資源浪費。仿真目標分析要遵從以下流程。

(1)需求收集:仿真目標分析首先需要廣泛收集仿真需求,來源可以是多方面的,既有總體設計,也有專業仿真,還可以是管理方面的需求。

(2)需求分析:收集到的需求多種多樣,需要對需求進行整理分類分層,不夠明確和準確的需求,本質重復的需求都要剔除。

(3)總體設計方案篩查:需求整理分析完成后,還需要對相應型號的總體設計方案進行篩查,保證需求的合理性。

(4)仿真目標擬定:需求明確后需要擬定仿真目標,仿真目標需要依據相應的總體設計方案,并考慮現有仿真基礎。

(5)需求覆蓋檢查:擬定初步仿真目標后要進行需求覆蓋檢查,如果仿真目標不滿足需求,需要重新修改。

(6)仿真目標分析結束:按照上述流程確定仿真目標后,啟動集成仿真工作。

2.2 仿真內容分解

目前,航天器研制一般按照總體—分系統—單機的分層和分級方式開展,通常各分系統包括單機都屬于不同的單位或部門,開展集成仿真需要依據總體設計方案梳理集成仿真涉及的分系統,將仿真內容分解到相應的分系統。此外,仿真內容分解還要考慮總體設計方案中存在的多種工況。相應的分解流程如下。

(1)仿真內容擬定:仿真目標確定后,需要依據總體設計方案擬定仿真內容,保證仿真內容合理可行。

(2)分系統梳理:仿真內容擬定后,需要對照總體設計方案梳理集成仿真中涉及的分系統,為下一步仿真內容分解明確對象。

(3)仿真工況梳理:針對仿真內容及總體設計方案,梳理仿真工況,對存在多種仿真工況的,要在仿真內容分解時明確。

(4)仿真內容分解:按照分系統劃分對仿真內容進行分解,如果仿真內容分解不滿足分系統現有基礎,需要重新修改。

(5)仿真內容分解結束:按照上述流程完成仿真內容分解后,應啟動集成仿真功能模型梳理工作。

2.3 功能模型梳理

完成仿真目標確定及仿真內容分解后,需要梳理集成仿真任務中各分系統及總體的功能模型。針對機械臂轉位艙段集成仿真問題,涉及的分系統,包括動力學與控制、能源、熱控、測控通信等,從模型歸屬、模型名稱、模型功能要求、相關模型、模型接口要求等方面,分別梳理各分系統的功能模型(見表1)。表1以總體的核心艙艙體動力學模型及電源分系統的太陽翼模型為例進行了說明,其中相關模型及接口要求體現了各分系統功能模型間的耦合關系。

2.4 建模要求確定

依據功能模型梳理結果,需要對各分系統的功能模型提出明確的建模技術要求。主要分為功能要求及接口要求兩部分,此外,接口要求不僅要明確各模型的輸入輸出變量,而且還需要指明具體的輸入輸出指令形式和內容。集成仿真中一般還涉及到多個坐標系的使用,相應地也需要明確規定各個模型間使用的坐標系定義,避免模型聯調中出現由于坐標系定義不一致導致的仿真失敗。圖2為完整的建模技術要求。

2.5 功能模型構建

產品設計過程一般要經歷概念設計、系統方案設計和產品詳細設計3個不同的階段,功能模型也應遵循從原理研究、到總體設計、再到詳細設計的邏輯。首先,需要對功能模型的功能邏輯和原理進行分析,只有針對原理上存在強耦合的專業,才進行多學科的聯合建模,其中功能模型的模塊劃分和圖形界面,應以能讓設計師直觀了解系統原理為目的來建立,因此可充分借鑒各專業設計師熟悉的專業原理圖的形式來建立模型的圖形界面,例如控制回路原理圖、推進管理原理圖等。其次,要確定功能模型涉及的設備組件及相應的組成和連接關系,明確功能模型的運行模式。最后,要充分考慮設備組件內部以及設備組件連接的詳細信息,比如管道的介質流動狀態,熱接口狀態。

功能模型建模設計流程如圖3所示。

2.6 模型測試及驗證

模型測試,即按照模型設計的要求和規范,檢測模型在建模仿真過程中的兼容性、穩定性和求解速度等性能指標是否達到設計要求。常用的測試方法包括獨立測試和嵌套測試兩大類。在邊界條件比較充分和準確的情況下,可以直接將其作為單個設備或者分系統的輸入條件,實現對單個設備或分系統的獨立測試;當測試單元和其他單元耦合性很強,很難較為準確給出邊界條件的情況下,可以采用和其他單元一起來構建一個更高一層的分系統或系統,通過對這個分系統或系統的分析,可以來評判和確定研究單元模型的性能情況。

模型驗證,即針對一定的仿真目的,證實模型行為特性與系統實際行為特性對比精度滿足要求。對于開發單元、分系統和系統模型的驗證可以采用與試驗數據、試飛數據對比,以及和成熟同類仿真模型對比等方式來實現。

1)開發單元驗證

開發單元驗證,主要證實所建模型與實際設備相關數據的對比是否滿足要求的精度,一般很多重要的單元都會參與試驗,故在開發單元驗證工程中可以實現和試驗數據的比對,通過對單元嚴格的驗證,可以大大降低后續分系統和系統的驗證難度。

2)分系統驗證

分系統驗證,相比于開發單元驗證要復雜些,須在開發單元驗證的基礎上,來驗證子系統模型各特定指標的精度,其驗證過程中需更多的考慮在復雜邊界輸入情況的各單元的匹配性,不是所有的單元模型驗證精度很高其所組成的分系統驗證精度也就很高。

3)系統驗證

相對于分系統驗證,系統驗證所用的模型數較多且更全面,系統驗證可能包含眾多的領域,是分系統的集合,一般在分系統中能夠滿足一定的仿真精度,在多領域系統中不一定能完全滿足,因此,需要在確認系統驗證指標的基礎上對系統進行一定的仿真精度驗證。

2.7 模型集成聯調

集成仿真通常涉及多個分系統,各個分系統的功能模型建模方式和接口形式不完全一致,需要在統一的集成仿真平臺下實現模型的集成聯調,保證數據的時序和邏輯正確性。

以下針對高層體系結構(High-level Architecture,HLA)以及功能模型接口(Functional Mockup Interface,FMI)兩種方式的模型集成規范進行說明。

2.7.1 基于HLA的模型集成流程規范

HLA是國際通用的建模仿真標準,可以支持模型的可重用性、互操作性、能提供大規模的將構造仿真/虛擬仿真/實物仿真集成在一起的綜合環境[11-12]。本文采用的基于HLA的模型集成流程規范如下:

(1)定義模型接口信息?；贖LA的模型集成首先需要定義模型接口信息,包括模型的輸入接口信息及輸出接口信息,具體要明確接口信息的組成,類型以及參數意義。

(2)配置SOM文件。仿真對象模型(Simulation Object Model,SOM)文件為基于HLA交互信息的配置文件,用戶將功能模型需要與其他模塊交互的數據在SOM文件中進行聲明,配置SOM文件時,建議用戶在標準SOM模板上修改,只修改用戶數據部分,其他部分維持原樣即可。

(3)配置FED文件。聯邦執行數據(Federation Execution Data,FED)文件為整個仿真系統數據交互信息的配置文件,是每個功能模型仿真模塊SOM文件的合集。用戶只需將SOM文件中聲明的交互內容填寫到FED文件中“用戶交互類信息”部分即可。需要注意的是,FED文件中用戶需要交互的數據不需區分接收或者發送,只需將所有交互數據寫入FED即可。

(4)配置HLA接口。主要包括實現創建聯邦、加入聯邦、設置聯邦類型、設置SOM文件路徑、設置配置文件路徑、聯邦初始化、調用交互回調函數等一系列的操作。

上述主要操作完成后,通過檢查測試過程傳遞的數據,可以判斷功能模型是否正確集成。2.7.2 基于FMI的模型集成流程規范

FMI是一種支持不同接口形式的功能模型集成聯調的仿真規范,使得集成仿真平臺可以通過FMI協議與不同仿真軟件構件的專業功能模型進行集成,可以有效地擴展集成仿真的研究和應用范圍[13-14]。基于FMI的模型集成流程規范如下:

(1)功能模型導出。功能模型導出須要明確建模環境是否支持功能模型單元(Functional Mockup Unit,FMU格式直接導出,如果不支持,則需要將功能模型導出為常見的動態鏈接庫(Dynamic Link Library,DLL)形式,功能模型導出前,須要確定輸入輸出接口完整。

(2)編寫C程序。如果功能模型導出的為DLL格式,則需要編寫C語言程序,對DLL格式模型進行二次處理和封裝,主要包括初始化函數,運行函數以及終止函數的聲明和定義。

(3)二次處理導出DLL格式的功能模型。對初始功能模型二次處理后,需要重新導出符合FMI調用規則的功能模型。

(4)模型調用。如果是FMU格式的導出模型,則直接依據變量映射關系與其他模型進行連接后實現調用。如果是DLL格式的導出模型,則需要依據相應的函數設置實現調用。

如果傳遞數據檢查存在錯誤,則需要對功能模型的輸入輸出接口信息進行檢查,上述過程不斷迭代,確保模型調用的傳遞數據檢查正確,最終完成基于FMI的模型集成。

3 多學科集成仿真工作模式

集成仿真總體向分系統提出功能模型的建模和模型接口要求,分系統據此建立反映分系統功能性能,可用于集成仿真的功能模型并提交仿真總體。仿真總體集成各分系統的功能模型,形成系統級功能模型,開展系統集成仿真,驗證系統的功能性及各分系統間的匹配性。

集成仿真通常要涉及多個分系統的功能模型,各個分系統的功能模型所采取的建模方式及開發程度不完全一致,導致在進行系統級集成仿真時,需要對不同類型的功能模型采取不同的工作模式。功能模型按照模型開發程度可以分為:白盒模型、灰盒模型和黑盒模型。

(1)白盒模型,是指不僅開放接口,而且模型內部結構可見及原理可讀,可以直接進行修改和調整的一類功能模型。白盒模型的集成仿真是最理想也是效率最高的工作模式。不僅可以依據仿真結果隨時調整模型參數設置,而且可以更便捷地定位集成仿真中出現的問題。

(2)灰盒模型,是指既開放接口,又對模型內部結構可見的一類功能模型。這一類模型不能直接進行修改,但是在一定程度上,特別是模型本身結構較為簡單的情況下,可以依據模型結構來構建近似的白盒模型。當灰盒模型集成仿真出現問題時,可以利用近似的白盒模型更快速地分析和定位錯誤原因。而灰盒模型的集成仿真一旦出現問題,特別是定位為灰盒模型內部問題時,無法調整模型參數或者修改模型,只能反饋修改意見重新提交灰盒模型,或者依據模型結構構造近似的白盒模型,如此必然導致集成仿真效率下降。

(3)黑盒模型,是指只開放接口,模型內部結構及原理都不可見的一類功能模型。這一類模型既不能直接進行修改,也不能構建近似的白盒模型。集成仿真過程中出現問題只能依靠協調溝通以及集同方式進行定位解決,特別是定位為黑盒模型內部問題時,只能反饋修改意見重新提交黑盒模型,它是一種效率最低的工作模式。

圖4為本文提出并實踐的基于功能模型的集成仿真工作模式。圖4中的虛線框為構造近似或簡化白盒模型,屬于仿真總體的行為,該行為不是必須實施的,仿真總體依據仿真具體情況,如是否有充足人員和資源,選擇開展近似或簡化白盒模型構建工作。如果仿真總體選擇構建近似白盒模型或者簡化白盒模型,可以更快速地定位功能模型集成發生問題的原因,有助于仿真總體給相應分系統提出反饋意見。

4 系統集成仿真平臺方案

系統集成仿真平臺將HLA分布式仿真協議和多領域統一建模標準Modelica相結合,具有繼承性、開放性、協同性強的特點。平臺可以集成軌道、動力學與控制、推進、能源等多個專業學科的仿真模型,同時還集成了基于Modelica構建的功能模型建模工具軟件,此外,平臺還可以對仿真運行進行控制,同時支持包括STK軟件等多種形式的仿真數據可視化顯示。系統集成仿真平臺總體框架如圖5所示。

系統集成仿真平臺中的Modelica功能模型,主要由功能模型建模仿真軟件進行構造或集成。其余并非基于Modelica構建的功能模型,例如Simulink模型,也可以依據FMI規范封裝為FMU集成到功能模型建模仿真軟件。功能模型建模仿真軟件,通過HLA仿真協議實現與系統集成仿真平臺的數據及指令傳輸。相應的功能模型建模仿真軟件結構如圖6所示。

功能模型建模仿真工具軟件基于Modelica構建,主要包括多專業統一建模模塊、模型編譯分析模塊、模型仿真求解模塊、結果顯示分析模塊、仿真試驗設計模塊、分布式聯合仿真模塊,以及外部接口模塊。其中,通過外部接口模塊利用FMI接口協議集成外部提供的功能模型及仿真程序。通過分布式聯合仿真模塊,利用HLA仿真協議與集成仿真平臺進行數據和指令傳輸。

5 機械臂轉位艙段集成仿真實踐

基于本文的集成仿真工作流程及模式,利用系統集成仿真平臺開展機械臂轉位艙段集成仿真應用。由于機械臂轉位艙段過程涉及多個學科專業,須要構建和集成各個學科的功能模型,建立集成仿真模型,最終實現機械臂轉位艙段多學科集成仿真。

5.1 機械臂轉位艙段集成仿真總體方案

機械臂轉位艙段過程涉及機械臂分系統功能模型,制導、導航與控制(Guidance,Navigation and Control,GNC)分系統功能模型、艙體動力學模型、總體電路分系統功能模型、軌道模塊,以及測控通信分系統功能模型。其中,艙體動力學模型、軌道模塊及測控通信分系統功能模型均使用功能模型建模軟件構建;機械臂分系統功能模型由支持Modelica規范的仿真平臺構建,導出為支持FMI協議的FMU格式,同樣可以無縫集成到功能模型建模軟件;GNC分系統功能模型為C程序導出的動態鏈接庫,也可以集成到功能模型建模軟件;總體電路分系統功能模型及電源分系統功能模型均由Saber仿真軟件構建,可以通過HLA仿真協議集成到系統集成仿真平臺。基于系統集成仿真平臺搭建的機械臂轉位艙段集成仿真系統總體框架如圖7所示。

由圖7可以看出,機械臂分系統功能模型、GNC分系統功能模型、艙體動力學模型、軌道模塊,以及測控通信分系統功能模型,均在功能模型建模工具軟件中實現集成,功能模型建模工具軟件通過HLA接口與系統集成仿真平臺實現數據和指令交換,同時總體電路分系統功能模型及電源分系統功能模型通過HLA接口獲得和上傳仿真指令和數據。

上述功能模型中,機械臂功能模型、GNC分系統功能模型、電源分系統功能模型均為黑盒模型,總體電路分系統功能模型為灰盒模型,而艙體動力學模型、軌道模型及測控通信分系統功能模型均為白盒模型。依據基于功能模型的集成仿真工作流程及基于功能模型的集成仿真工作模式,最終在系統集成仿真平臺的統一控制下,實現機械臂轉位艙段多學科集成仿真。

5.2 仿真結果

這里選取求解算法為龍格庫塔4階定步長算法,設定仿真步長為10 ms,求解精度為1×10-5,仿真時長為3500 s。

按照上述平面轉位過程,機械臂末端(與實驗艙連接點)在核心艙本體幾何坐標系的XOZ平面內轉動,以核心艙本體質心坐標系為測量基準,核心艙機械臂末端的姿態隨時間的變化曲線如圖8所示,表明機械臂成功將艙段轉移至核心艙停泊口。圖8中藍色線與綠色線完全重合。

組合體姿態角速度變化曲線如圖9所示。

仿真過程中,滾動角速度最大為0.219(°)/s,俯仰角速度最大為0.625(°)/s,偏航角速度最大為0.317(°)/s,仿真結果滿足要求。

6 結束語

本文依據仿真目標分析—仿真內容分解—功能模型梳理—建模技術要求—功能模型構建—模型測試驗證—模型集成聯調—仿真結果分析—集成仿真應用的完整的基于功能模型的多學科集成仿真工作流程,建立了基于白盒模型、灰盒模型及黑盒模型等不同類型的功能模型的總體—分系統多學科集成仿真驗證工作模式。利用基于HLA及Modelica構建的系統集成仿真平臺,構建和集成了機械臂分系統功能模型,GNC分系統功能模型、艙體動力學模型、總體電路分系統功能模型、軌道模塊,以及測控通信分系統功能模型,實現了機械臂轉位艙段集成仿真。仿真結果表明:機械臂成功將艙段轉移至預定核心艙停泊口,轉位過程組合體姿態角速度變化最大值為0.625(°)/s,滿足要求,驗證了本文提出的集成仿真工作流程、仿真工作模式及仿真方案的有效性和可行性。

通過本文的仿真應用實踐,提升了總體多學科設計仿真能力,提高了總體多學科集成仿真的工作效率,形成了基于功能模型的航天器多學科集成仿真工作規范,可為基于功能模型的多學科集成仿真方法在航天器型號研制數字化中的進一步應用奠定技術基礎。

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Multi-disciplinary Integrated Simulation in Space Robotic Arm Aided Module Redocking

SUN Lefeng WANG Wei
(Institute of Manned Space System Engineering,China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China)

Based on system integrated simulation platform building by high level architecture(HLA)and the Modelica modeling language,the paper builds and integrates space robotic arm functional model,module dynamic model,orbit model,attitude control functional model and overall circuit functional model,establishes the integrated simulation model,makes the space robotic arm aided module redocking simulation,sets up and verifies multi-disciplinary integrated simulation workflow,puts forward and practices system-subsystem multi-disciplinary integrated simulation working mode.The simulation results indicate that the proposed working flow and working mode are reasonable and effective,the system integrated platform scheme is feasible.The research can provide reference for spacecraft digital design and development.

space robotic arm;module redocking;multi-disciplinary;integrated simulation

V423

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.05.019

2017-09-22;

2017-09-28

孫樂豐,男,工程師,從事航天器總體設計仿真與優化。Email:sunlefeng@hotmail.com。

(編輯:李多)