面向实时监控的大型舱段对接方法与流程

本发明涉及的是一种航天器制造领域的技术，具体是一种面向实时监控的大型舱段对接方法。

背景技术：

舱段对接过程如图1所示：舱段为圆筒状结构，产品由多段组成，各段间通过定位销进行定位，完成对接后通过螺栓或螺柱实现最终的连接。对接过程中舱段安装在调姿设备上，调姿设备调整舱段姿态使定位销配合定位孔到达装配设计要求位置。

目前火箭总装采用“多型号并行、单件小批量”的生产模式，整个总装流程在一个工位上进行。舱段对接作为火箭总装过程中的一个核心环节，过程复杂、精度要求高。传统车间内铺设轨道，调姿架车通过轨道转运到对接位置，后通过人工协调、手动调整架车完成对接，效率低下、质量一致性低。现有的解决方案常为设计复杂高精度并联调姿设备实现自动化对接，但并联调姿设备体型较大，在上述场景下进行多次对接时对接时间减短，但舱段转运、准备时间较长。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种面向实时监控的大型舱段对接方法，采用对接车间常见的轨道转运串联托架式架车，配合大尺寸数字测量技术，通过在线监控实现闭环控制，按照寻找对接轨道段、销孔外调姿、销孔对接的流程完成对接，明显提升大型舱段对接效率与质量一致性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种面向实时监控的大型舱段对接方法，首先在准备阶段依次进行：①定义实体位姿信息、②输入精度信息、③建立销体与孔面的碰撞检测模型；完成对接准备后进行入对接流程，流程中根据实时传感器、设备运动数据④更新实体位姿，基于实时的位姿信息进行⑤寻找对接的轨道段、⑥销孔外调姿、⑦销孔对接。

所述的定义实体位姿信息是指：输入位置传感器在测量工装坐标系的坐标，根据三点法获得；输入测量工装安装在舱段上时，舱段在测量传感器坐标系下的位姿；根据轨道、架车、工装环组成的调姿结构，得到运动关节量到轨道、架车行走构件、架车横移构件、架车升降构件、工装环位姿的映射；

所述的输入精度信息是指：输入对接允许位置误差和角度误差；输入架车控制精度。

所述的建立销体与孔面的碰撞检测模型是指：输入对接对应销、孔在舱段上的位姿，以及销半径、销长、孔半径、孔深，建立销体、孔面的参数方程；并以参数方程进行空间八叉树分割建立碰撞检测模型；

所述的更新实体位姿是指：架车安装完舱段、舱段安装完测量工装后，架车控制系统、测量系统分别实时发送四台架车各自四个关节运动数据、测量传感器位置数据，对接过程中根据数据解算测量工装、舱段、架车行走构件、架车横移构件、架车升降构件和工装环的位姿，实时更新。

所述的寻找对接的轨道段是指：根据历史调姿结果位置误差和角度误差最大值、架车控制精度以及对接允许位置误差和角度误差，计算余量，作为对接过程中允许轨道因素带来的影响；通过架车移动第一舱段，利用实时反馈的舱段位姿变化，寻找一段轨道，该段轨道带来的位置和角度偏差小于误差余量。

所述的销孔外调姿是指：第二舱段移动到找到的轨道段内，以第一舱段的实时欧拉角作为反馈，理想对接位置为输入，架车在轨道方向不动，通过控制架车运动副速度调整第一舱段位姿。

所述的销孔对接是指：第一舱段沿轨道运动，更新销体与孔面的碰撞检测模型中建立的空间八叉树，做碰撞检测，在销孔碰撞时报警。

本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：通信接口模块、位姿解算模块、3d可视化模块、碰撞检测模块、流程控制模块。通信接口模块采集控制系统运动数据、测量系统位置数据转发到位姿解算模块，转发流程控制模块的控制指令到控制系统；位姿解算模块与通信接口模型相连，根据实时数据计算实体位姿；3d可视化模块根据位姿信息更新3d模型，显示实时信息；碰撞检测模块根据实体位姿更新碰撞检测模型，输出碰撞检测结果；流程控制模块根据实体位姿和碰撞检测结果控制寻找对接轨道段、销孔外调姿以及销孔对接的流程，输出控制指令。

技术效果

本发明整体解决现有技术通过轨道、串联托架调姿设备、工装环进行调姿时依赖人工调整姿态，装配效率低下、质量一致性不足，销孔对接时胁迫变形过大的问题。

与现有技术相比，本发明利用大尺度定位技术，测量舱段位姿，基于实时位姿信息形成闭环控制，实现自动调姿；将对接流程分解为，寻找对接轨道段、舱段外调姿、销孔对接，保证流程的自动进行；基于实时监控舱段位姿、设备运动，计算轨道不平整因素对对接带来的影响，寻找合适的轨道段完成对接过程；以圆柱体代替销、圆柱面代替孔面，根据参数方程建立空间八叉树，进行实时碰撞检测，出现碰撞即胁迫变形时报警；系统应用3d建模技术，对对接系统各实物建立3d模型，并进行贴图处理，场景逼真，实时更新下有利于人员掌握对接细节。

附图说明

图1为舱段对接过程示意图；

图2为面向实时监控的大型舱段对接系统图；

图3为本发明面向实时监控的对接流程图；

图4为调姿机构结构图；

图5为对接现场示意图。

具体实施方式

如图2所示，本实施例具体包括以下步骤：

步骤1、定义实体位姿信息，包括测量工装在测点坐标系下的位姿、舱段在测量工装下的位姿、调姿设备运动模型、理想对接第一舱段相对第二舱段位姿，具体为：

1.1)设位置传感器在各测量工装固连坐标系{ak}下的坐标下的坐标为：{a1}为第一舱段测量工装固连坐标系，{a2}为第二舱段测量工装固连坐标系。以为x轴、为z轴、为原点的测点坐标系{sk}在{ak}中的位姿为设则：测量工装{ak}在测点坐标系{sk}下的位姿为

1.2)根据测量工装与舱段安装图纸，定义舱段固连坐标系{ck}在测量工装固连坐标系{ak}的位姿：

1.3)根据轨道和调姿设备、工装环组成的调姿结构如图4所示，得到运动模型：设轨道、行走构件、横移构件、升降构件、工装环，各自固连坐标系为{0}{1}{2}{3}{4}，依次形成平移副x、平移副y、平移副z、旋转副a。各构件坐标轴方向均与{l}相同，图中l1＝0，根据厂房布局得到{0}在全局坐标系下位姿为则各构件位姿矩阵与关节量的关系满足：其中：sθi＝sinθi，cθi＝cosθi。

1.4)确定完全对接时设计位置第一舱段相对于第二舱段的位姿：

步骤2)输入精度信息：根据装配要求确定对接允许位置误差ed和角度误差eθ，输入调姿机构移动副控制精度ε。

步骤3)根据孔销参数建立八叉树碰撞检测模型：输入法兰盘上孔hi的孔径、孔深、在舱段上的位姿对应销pi销半径、长度、在舱段上的位姿建立孔面，销圆柱体面的参数方程，以此对孔面、销圆柱体面进行八叉树空间分割，得到对应的八叉树空间模型，最小单元的边长为

输入1)对接现场将第一舱段、第二舱段分别通过工装环安装在主动、从动架车上，架车位于同一轨道，舱段安装测量工装，现场示意如图5所示。安装完成后开始对接流程转入步骤5)，架车控制系统、位姿测量系统实时将架车xyza四个运动副关节量、位置传感器在全局坐标系下的位置发送到接口，频率为30hz，步骤4)根据实时数据更新实体位姿。

步骤4)更新实体位姿：各实体位姿更新具体方式如下：

4.1)测量工装位姿更新：根据接口获得位置传感器在全局坐标系{w}的实时位置数据：^wpki,i＝1,2,3,k＝1,2。设{sk}在{w}中的位姿为则：得到测量工装{ak}在全局坐标系{w}下的位姿：其中：为工装{ak}在测点坐标系{sk}下的位姿。

4.2)舱段位姿更新：舱段固连坐标系{c}在全局坐标系{w}的位姿其中：为舱段固连坐标系{ck}在测量工装固连坐标系{ak}的位姿。

4.2)对接设备构件位姿更新：根据接口获得运动副实时值由步骤1.3)中各构件位姿矩阵与关节量的关系，得到构件固连坐标系在全局坐标系{w}的位姿。

步骤5)寻找对接轨道段：具体步骤如下

5.1)计算轨道段要求：考虑销孔外调姿误差ea和销孔对接轨道误差er对对接流程的影响，将装配允许误差分解为ceθ＝eθa+eθr，其中：c为裕度系数，小于1；eda与eθa为历史调姿结果位置误差和角度误差最大值，根据上述公式计算获得销孔对接轨道容许误差edr和eθr。

得到所述的轨道段ab要求为：

1)yz方向最大差值小于edr；

2)角度最大差值小于eθr；

3)ab距离大于等于6倍销长l。

5.2)寻找满足要求的轨道段：

①设置两个序列sp＝{pi,…pj},sθ＝{θi,…θj}，pi＝(xi,yi,zi)，θi＝(αi,βi,γi)变量sp、sθ初始化为空，第一舱段位姿为求逆获得第一舱段的主动、从动架车同步沿轨道向低速运动。

②采集得到当前第一舱段位姿计算相对初始位置的位姿变化量δt分解为位移pj+1和旋转矩阵rj+1,将轴线ex＝(0,0,0)旋转得到θj+1＝rj+1ex。

③pj+1和θj+1，分别加入sp和sθ，j＝j+1，更新

④当xj-xi<6l，等待采集下一步数据执行步骤②；当xj-xi+1≥6l，更新sp和sθ分别删除pi和θi，i＝i+1，执行步骤⑤；当xj-xi+1<6l且xj-xi≥6l，执行步骤⑤。

⑤当sp内任意pk有sθ内任意θk有则舱段xi至xj位置对应轨道ab满足对接，否则等待采集下一步数据执行步骤②。

步骤6)销孔外调姿，具体包括：

6.1)第一舱段的主动、从动架车同步沿轨道回退到舱段坐标为x＝xa+l位置，

6.2)计算第二舱段的主动、从动架车同步沿轨道运动，直到第二舱段位置x分量与paim2相同，并以第二舱段当前位姿作为对接目标，求得理想对接时第一舱段位姿为：将分解为(xa,ya,za,αa,βa,γa)，其中：αa,βa,βa为x-y-z欧拉角计算所得。

6.3)以第一舱段实时欧拉角(α,β,γ)为反馈，按照主动、从动架车同步调整转动副a角速度控制α，相反调整移动副速度z控制β，相反调整移动副y速度控制γ，同步调整移动副y速度控制y，同步调整移动副z速度控制z，调整架车姿态。

步骤7)销孔对接：第一舱段的主动、从动架车，同步沿轨道低速运动，实时更新运动方的孔销八叉树模型。对对应的孔销利用其八叉树进行实时的碰撞检测，检测到碰撞后，停止对接并报警，由操作人员介入解决。

综上，本实施例在正式对接前，根据历史姿态调整精度和对接要求精度，计算轨道对接段要求，然后在架车慢速运动中通过监控舱段实时位姿数据变化寻找满足要求的轨道段，防止对接舱段在完成调姿、销孔完全对接后由于轨道因素误差变大，也防止轨道不平整导致销孔最后对接时胁迫装配应力增加。本实施例通过以销体和孔面参数方程建立空间八叉树碰撞模型，对接过程中进行实时的碰撞检测，在发生碰撞时报警，工作人员可根据装配变形情况选择后续措施。

与现有技术相比，本方法基于车间原有的方式改造，单次对接时间从一小时缩减到十分种内；在单工位总装对接生产场景下对接可在原地进行，不需要来回转运。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。