孫樂豐 王為

(中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部,北京 100094)

機(jī)械臂轉(zhuǎn)位艙段過程的多學(xué)科集成仿真

孫樂豐 王為

(中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部,北京 100094)

基于高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)及Modelica建模語言構(gòu)建的系統(tǒng)集成仿真平臺(tái),通過構(gòu)建和集成與機(jī)械臂轉(zhuǎn)位艙段過程相關(guān)的艙體動(dòng)力學(xué)、機(jī)械臂、軌道、姿態(tài)控制、總體電路等功能模型,建立了機(jī)械臂轉(zhuǎn)位艙段集成仿真模型,開展了機(jī)械臂轉(zhuǎn)位艙段過程多學(xué)科集成仿真,建立并驗(yàn)證了基于功能模型的多學(xué)科集成仿真工作流程,提出并實(shí)踐了基于功能模型的總體-分系統(tǒng)多學(xué)科集成仿真工作模式。仿真結(jié)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(shù)字化提供參考。

空間機(jī)械臂;艙段轉(zhuǎn)位;多學(xué)科;集成仿真

1 引言

空間站機(jī)械臂的任務(wù)包括艙段捕獲、轉(zhuǎn)移、設(shè)備安裝、維修更換、輔助航天員轉(zhuǎn)移等。其中,轉(zhuǎn)位艙段是空間站機(jī)械臂的首要任務(wù),也是機(jī)械臂難度最大的任務(wù)之一[1-2]。

轉(zhuǎn)位艙段是空間站建設(shè)的關(guān)鍵,空間站3個(gè)艙段要通過對接和轉(zhuǎn)位的方式來完成空間站組合體構(gòu)建:機(jī)械臂轉(zhuǎn)位艙段任務(wù)是利用機(jī)械臂將空間站的待轉(zhuǎn)艙段從對接口轉(zhuǎn)移到空間站核心艙的停泊口,并控制其與核心艙的節(jié)點(diǎn)艙進(jìn)行二次對接[3-4],在分別完成兩次轉(zhuǎn)位艙段后,空間站建成三艙基本構(gòu)型。

機(jī)械臂轉(zhuǎn)位艙段任務(wù)中,由于核心艙、實(shí)驗(yàn)艙、機(jī)械臂組成的系統(tǒng)尺度大,地面上復(fù)現(xiàn)在軌的零重力環(huán)境并開展全尺寸物理驗(yàn)證十分困難,所以主要通過仿真分析對設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證[5-6]。

由于機(jī)械臂轉(zhuǎn)位艙段過程中涉及多個(gè)航天器以及不同學(xué)科專業(yè),需要構(gòu)建和集成多個(gè)學(xué)科的功能模型,并且通過系統(tǒng)集成仿真平臺(tái),最終建立機(jī)械臂轉(zhuǎn)位艙段集成仿真模型。仿真功能模型的構(gòu)建可采用不同的建模語言和建模工具,例如文獻(xiàn)[7]利用Modelica建模語言構(gòu)建了月球車通信系統(tǒng)的功能仿真模型,文獻(xiàn)[8]利用Simulink仿真工具構(gòu)建了航天器電源控制系統(tǒng)功能仿真模型。此外,有許多研究利用不同的集成仿真平臺(tái),開展了功能仿真模型的集成,例如,文獻(xiàn)[9]基于HLA仿真協(xié)議開展了航天任務(wù)聯(lián)合仿真,文獻(xiàn)[10]利用 Modelcenter軟件開展了運(yùn)載火箭的集成設(shè)計(jì)仿真。然而以上文獻(xiàn)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(tái)方案和機(jī)械臂轉(zhuǎn)位艙段仿真應(yīng)用4個(gè)方面,介紹了機(jī)械臂轉(zhuǎn)位艙段多學(xué)科集成仿真應(yīng)用實(shí)踐。

2 多學(xué)科集成仿真工作流程

開展多學(xué)科集成仿真,首先要明確仿真對象和仿真的目的,然后依據(jù)合理可行的工作流程實(shí)現(xiàn),本文提出集成仿真工作流程主要由以下9個(gè)步驟組成:①仿真目標(biāo)分析;②仿真內(nèi)容分解;③功能模型梳理;④建模要求確定;⑤功能模型構(gòu)建;⑥模型測試及驗(yàn)證;⑦模型集成聯(lián)調(diào);⑧仿真結(jié)果分析;⑨集成仿真應(yīng)用(見圖1)。

首先,要根據(jù)用戶(或系統(tǒng)總體)需求或技術(shù)要求,完成仿真任務(wù)的需求分析。確定仿真目標(biāo),并根據(jù)仿真目標(biāo)分解仿真內(nèi)容。其次,依據(jù)仿真內(nèi)容梳理仿真任務(wù)涉及的功能模型,確定有關(guān)的分系統(tǒng),并且進(jìn)一步確定功能模型的功能要求、輸入輸出接口、模型參數(shù)以及其他的共性要素。針對功能模型的特點(diǎn),利用相應(yīng)的建模工具開展功能模型建模以及封裝,對各功能模型進(jìn)行測試驗(yàn)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(lián)調(diào),利用仿真系統(tǒng)以及集成接口完成功能模型的集成仿真測試,對仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,形成仿真驗(yàn)證分析報(bào)告。最后,基于集成仿真模型開展仿真擴(kuò)展應(yīng)用。

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

上述流程中,仿真結(jié)果分析以及集成仿真應(yīng)用較為容易理解,本文主要針對仿真目標(biāo)分析、仿真內(nèi)容分解、功能模型梳理、建模要求確定、功能模型構(gòu)建、模型測試及驗(yàn)證,以及模型集成聯(lián)調(diào)進(jìn)行具體說明。

2.1 仿真目標(biāo)分析

集成仿真,首先需要確定仿真目標(biāo),仿真目標(biāo)不能過于復(fù)雜和寬泛,以避免工作規(guī)模過大導(dǎo)致集成仿真難以推進(jìn);又不能過于簡化,導(dǎo)致仿真結(jié)果不能滿足實(shí)際應(yīng)用,造成資源浪費(fèi)。仿真目標(biāo)分析要遵從以下流程。

(1)需求收集:仿真目標(biāo)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(shè)計(jì),也有專業(yè)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(jìn)行整理分類分層,不夠明確和準(zhǔn)確的需求,本質(zhì)重復(fù)的需求都要剔除。

(3)總體設(shè)計(jì)方案篩查:需求整理分析完成后,還需要對相應(yīng)型號(hào)的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行篩查,保證需求的合理性。

(4)仿真目標(biāo)擬定:需求明確后需要擬定仿真目標(biāo),仿真目標(biāo)需要依據(jù)相應(yīng)的總體設(shè)計(jì)方案,并考慮現(xiàn)有仿真基礎(chǔ)。

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

(6)仿真目標(biāo)分析結(jié)束:按照上述流程確定仿真目標(biāo)后,啟動(dòng)集成仿真工作。

2.2 仿真內(nèi)容分解

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

(1)仿真內(nèi)容擬定:仿真目標(biāo)確定后,需要依據(jù)總體設(shè)計(jì)方案擬定仿真內(nèi)容,保證仿真內(nèi)容合理可行。

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

(3)仿真工況梳理:針對仿真內(nèi)容及總體設(shè)計(jì)方案,梳理仿真工況,對存在多種仿真工況的,要在仿真內(nèi)容分解時(shí)明確。

(4)仿真內(nèi)容分解:按照分系統(tǒng)劃分對仿真內(nèi)容進(jìn)行分解,如果仿真內(nèi)容分解不滿足分系統(tǒng)現(xiàn)有基礎(chǔ),需要重新修改。

(5)仿真內(nèi)容分解結(jié)束:按照上述流程完成仿真內(nèi)容分解后,應(yīng)啟動(dòng)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(biāo)確定及仿真內(nèi)容分解后,需要梳理集成仿真任務(wù)中各分系統(tǒng)及總體的功能模型。針對機(jī)械臂轉(zhuǎn)位艙段集成仿真問題,涉及的分系統(tǒng),包括動(dòng)力學(xué)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(guān)模型、模型接口要求等方面,分別梳理各分系統(tǒng)的功能模型(見表1)。表1以總體的核心艙艙體動(dòng)力學(xué)模型及電源分系統(tǒng)的太陽翼模型為例進(jìn)行了說明,其中相關(guān)模型及接口要求體現(xiàn)了各分系統(tǒng)功能模型間的耦合關(guān)系。

2.4 建模要求確定

依據(jù)功能模型梳理結(jié)果,需要對各分系統(tǒng)的功能模型提出明確的建模技術(shù)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(nèi)容。集成仿真中一般還涉及到多個(gè)坐標(biāo)系的使用,相應(yīng)地也需要明確規(guī)定各個(gè)模型間使用的坐標(biāo)系定義,避免模型聯(lián)調(diào)中出現(xiàn)由于坐標(biāo)系定義不一致導(dǎo)致的仿真失敗。圖2為完整的建模技術(shù)要求。

2.5 功能模型構(gòu)建

產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程一般要經(jīng)歷概念設(shè)計(jì)、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)3個(gè)不同的階段,功能模型也應(yīng)遵循從原理研究、到總體設(shè)計(jì)、再到詳細(xì)設(shè)計(jì)的邏輯。首先,需要對功能模型的功能邏輯和原理進(jìn)行分析,只有針對原理上存在強(qiáng)耦合的專業(yè),才進(jìn)行多學(xué)科的聯(lián)合建模,其中功能模型的模塊劃分和圖形界面,應(yīng)以能讓設(shè)計(jì)師直觀了解系統(tǒng)原理為目的來建立,因此可充分借鑒各專業(yè)設(shè)計(jì)師熟悉的專業(yè)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(jìn)管理原理圖等。其次,要確定功能模型涉及的設(shè)備組件及相應(yīng)的組成和連接關(guān)系,明確功能模型的運(yùn)行模式。最后,要充分考慮設(shè)備組件內(nèi)部以及設(shè)備組件連接的詳細(xì)信息,比如管道的介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài),熱接口狀態(tài)。

功能模型建模設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

2.6 模型測試及驗(yàn)證

模型測試,即按照模型設(shè)計(jì)的要求和規(guī)范,檢測模型在建模仿真過程中的兼容性、穩(wěn)定性和求解速度等性能指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。常用的測試方法包括獨(dú)立測試和嵌套測試兩大類。在邊界條件比較充分和準(zhǔn)確的情況下,可以直接將其作為單個(gè)設(shè)備或者分系統(tǒng)的輸入條件,實(shí)現(xiàn)對單個(gè)設(shè)備或分系統(tǒng)的獨(dú)立測試;當(dāng)測試單元和其他單元耦合性很強(qiáng),很難較為準(zhǔn)確給出邊界條件的情況下,可以采用和其他單元一起來構(gòu)建一個(gè)更高一層的分系統(tǒng)或系統(tǒng),通過對這個(gè)分系統(tǒng)或系統(tǒng)的分析,可以來評(píng)判和確定研究單元模型的性能情況。

模型驗(yàn)證,即針對一定的仿真目的,證實(shí)模型行為特性與系統(tǒng)實(shí)際行為特性對比精度滿足要求。對于開發(fā)單元、分系統(tǒng)和系統(tǒng)模型的驗(yàn)證可以采用與試驗(yàn)數(shù)據(jù)、試飛數(shù)據(jù)對比,以及和成熟同類仿真模型對比等方式來實(shí)現(xiàn)。

1)開發(fā)單元驗(yàn)證

開發(fā)單元驗(yàn)證,主要證實(shí)所建模型與實(shí)際設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)的對比是否滿足要求的精度,一般很多重要的單元都會(huì)參與試驗(yàn),故在開發(fā)單元驗(yàn)證工程中可以實(shí)現(xiàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對,通過對單元嚴(yán)格的驗(yàn)證,可以大大降低后續(xù)分系統(tǒng)和系統(tǒng)的驗(yàn)證難度。

2)分系統(tǒng)驗(yàn)證

分系統(tǒng)驗(yàn)證,相比于開發(fā)單元驗(yàn)證要復(fù)雜些,須在開發(fā)單元驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,來驗(yàn)證子系統(tǒng)模型各特定指標(biāo)的精度,其驗(yàn)證過程中需更多的考慮在復(fù)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(yàn)證精度很高其所組成的分系統(tǒng)驗(yàn)證精度也就很高。

3)系統(tǒng)驗(yàn)證

相對于分系統(tǒng)驗(yàn)證,系統(tǒng)驗(yàn)證所用的模型數(shù)較多且更全面,系統(tǒng)驗(yàn)證可能包含眾多的領(lǐng)域,是分系統(tǒng)的集合,一般在分系統(tǒng)中能夠滿足一定的仿真精度,在多領(lǐng)域系統(tǒng)中不一定能完全滿足,因此,需要在確認(rèn)系統(tǒng)驗(yàn)證指標(biāo)的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進(jìn)行一定的仿真精度驗(yàn)證。

2.7 模型集成聯(lián)調(diào)

集成仿真通常涉及多個(gè)分系統(tǒng),各個(gè)分系統(tǒng)的功能模型建模方式和接口形式不完全一致,需要在統(tǒng)一的集成仿真平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)模型的集成聯(lián)調(diào),保證數(shù)據(jù)的時(shí)序和邏輯正確性。

以下針對高層體系結(jié)構(gòu)(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(guī)范進(jìn)行說明。

2.7.1 基于HLA的模型集成流程規(guī)范

HLA是國際通用的建模仿真標(biāo)準(zhǔn),可以支持模型的可重用性、互操作性、能提供大規(guī)模的將構(gòu)造仿真/虛擬仿真/實(shí)物仿真集成在一起的綜合環(huán)境[11-12]。本文采用的基于HLA的模型集成流程規(guī)范如下:

(1)定義模型接口信息。基于HLA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(shù)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(shù)據(jù)在SOM文件中進(jìn)行聲明,配置SOM文件時(shí),建議用戶在標(biāo)準(zhǔn)SOM模板上修改,只修改用戶數(shù)據(jù)部分,其他部分維持原樣即可。

(3)配置FED文件。聯(lián)邦執(zhí)行數(shù)據(jù)(Federation Execution Data,FED)文件為整個(gè)仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互信息的配置文件,是每個(gè)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(nèi)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(shù)據(jù)不需區(qū)分接收或者發(fā)送,只需將所有交互數(shù)據(jù)寫入FED即可。

(4)配置HLA接口。主要包括實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建聯(lián)邦、加入聯(lián)邦、設(shè)置聯(lián)邦類型、設(shè)置SOM文件路徑、設(shè)置配置文件路徑、聯(lián)邦初始化、調(diào)用交互回調(diào)函數(shù)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(shù)據(jù),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(guī)范

FMI是一種支持不同接口形式的功能模型集成聯(lián)調(diào)的仿真規(guī)范,使得集成仿真平臺(tái)可以通過FMI協(xié)議與不同仿真軟件構(gòu)件的專業(yè)功能模型進(jìn)行集成,可以有效地?cái)U(kuò)展集成仿真的研究和應(yīng)用范圍[13-14]。基于FMI的模型集成流程規(guī)范如下:

(1)功能模型導(dǎo)出。功能模型導(dǎo)出須要明確建模環(huán)境是否支持功能模型單元(Functional Mockup Unit,FMU格式直接導(dǎo)出,如果不支持,則需要將功能模型導(dǎo)出為常見的動(dòng)態(tài)鏈接庫(Dynamic Link Library,DLL)形式,功能模型導(dǎo)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(dǎo)出的為DLL格式,則需要編寫C語言程序,對DLL格式模型進(jìn)行二次處理和封裝,主要包括初始化函數(shù),運(yùn)行函數(shù)以及終止函數(shù)的聲明和定義。

(3)二次處理導(dǎo)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(dǎo)出符合FMI調(diào)用規(guī)則的功能模型。

(4)模型調(diào)用。如果是FMU格式的導(dǎo)出模型,則直接依據(jù)變量映射關(guān)系與其他模型進(jìn)行連接后實(shí)現(xiàn)調(diào)用。如果是DLL格式的導(dǎo)出模型,則需要依據(jù)相應(yīng)的函數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)調(diào)用。

如果傳遞數(shù)據(jù)檢查存在錯(cuò)誤,則需要對功能模型的輸入輸出接口信息進(jìn)行檢查,上述過程不斷迭代,確保模型調(diào)用的傳遞數(shù)據(jù)檢查正確,最終完成基于FMI的模型集成。

3 多學(xué)科集成仿真工作模式

集成仿真總體向分系統(tǒng)提出功能模型的建模和模型接口要求,分系統(tǒng)據(jù)此建立反映分系統(tǒng)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(tǒng)的功能模型,形成系統(tǒng)級(jí)功能模型,開展系統(tǒng)集成仿真,驗(yàn)證系統(tǒng)的功能性及各分系統(tǒng)間的匹配性。

集成仿真通常要涉及多個(gè)分系統(tǒng)的功能模型,各個(gè)分系統(tǒng)的功能模型所采取的建模方式及開發(fā)程度不完全一致,導(dǎo)致在進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)集成仿真時(shí),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(fā)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(nèi)部結(jié)構(gòu)可見及原理可讀,可以直接進(jìn)行修改和調(diào)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(jù)仿真結(jié)果隨時(shí)調(diào)整模型參數(shù)設(shè)置,而且可以更便捷地定位集成仿真中出現(xiàn)的問題。

(2)灰盒模型,是指既開放接口,又對模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)可見的一類功能模型。這一類模型不能直接進(jìn)行修改,但是在一定程度上,特別是模型本身結(jié)構(gòu)較為簡單的情況下,可以依據(jù)模型結(jié)構(gòu)來構(gòu)建近似的白盒模型。當(dāng)灰盒模型集成仿真出現(xiàn)問題時(shí),可以利用近似的白盒模型更快速地分析和定位錯(cuò)誤原因。而灰盒模型的集成仿真一旦出現(xiàn)問題,特別是定位為灰盒模型內(nèi)部問題時(shí),無法調(diào)整模型參數(shù)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(jù)模型結(jié)構(gòu)構(gòu)造近似的白盒模型,如此必然導(dǎo)致集成仿真效率下降。

(3)黑盒模型,是指只開放接口,模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jìn)行修改,也不能構(gòu)建近似的白盒模型。集成仿真過程中出現(xiàn)問題只能依靠協(xié)調(diào)溝通以及集同方式進(jìn)行定位解決,特別是定位為黑盒模型內(nèi)部問題時(shí),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(shí)踐的基于功能模型的集成仿真工作模式。圖4中的虛線框?yàn)闃?gòu)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(shí)施的,仿真總體依據(jù)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(gòu)建工作。如果仿真總體選擇構(gòu)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(fā)生問題的原因,有助于仿真總體給相應(yīng)分系統(tǒng)提出反饋意見。

4 系統(tǒng)集成仿真平臺(tái)方案

系統(tǒng)集成仿真平臺(tái)將HLA分布式仿真協(xié)議和多領(lǐng)域統(tǒng)一建模標(biāo)準(zhǔn)Modelica相結(jié)合,具有繼承性、開放性、協(xié)同性強(qiáng)的特點(diǎn)。平臺(tái)可以集成軌道、動(dòng)力學(xué)與控制、推進(jìn)、能源等多個(gè)專業(yè)學(xué)科的仿真模型,同時(shí)還集成了基于Modelica構(gòu)建的功能模型建模工具軟件,此外,平臺(tái)還可以對仿真運(yùn)行進(jìn)行控制,同時(shí)支持包括STK軟件等多種形式的仿真數(shù)據(jù)可視化顯示。系統(tǒng)集成仿真平臺(tái)總體框架如圖5所示。

系統(tǒng)集成仿真平臺(tái)中的Modelica功能模型,主要由功能模型建模仿真軟件進(jìn)行構(gòu)造或集成。其余并非基于Modelica構(gòu)建的功能模型,例如Simulink模型,也可以依據(jù)FMI規(guī)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(xié)議實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)集成仿真平臺(tái)的數(shù)據(jù)及指令傳輸。相應(yīng)的功能模型建模仿真軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

功能模型建模仿真工具軟件基于Modelica構(gòu)建,主要包括多專業(yè)統(tǒng)一建模模塊、模型編譯分析模塊、模型仿真求解模塊、結(jié)果顯示分析模塊、仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)模塊、分布式聯(lián)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(xié)議集成外部提供的功能模型及仿真程序。通過分布式聯(lián)合仿真模塊,利用HLA仿真協(xié)議與集成仿真平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令傳輸。

5 機(jī)械臂轉(zhuǎn)位艙段集成仿真實(shí)踐

基于本文的集成仿真工作流程及模式,利用系統(tǒng)集成仿真平臺(tái)開展機(jī)械臂轉(zhuǎn)位艙段集成仿真應(yīng)用。由于機(jī)械臂轉(zhuǎn)位艙段過程涉及多個(gè)學(xué)科專業(yè),須要構(gòu)建和集成各個(gè)學(xué)科的功能模型,建立集成仿真模型,最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂轉(zhuǎn)位艙段多學(xué)科集成仿真。

5.1 機(jī)械臂轉(zhuǎn)位艙段集成仿真總體方案

機(jī)械臂轉(zhuǎn)位艙段過程涉及機(jī)械臂分系統(tǒng)功能模型,制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制(Guidance,Navigation and Control,GNC)分系統(tǒng)功能模型、艙體動(dòng)力學(xué)模型、總體電路分系統(tǒng)功能模型、軌道模塊,以及測控通信分系統(tǒng)功能模型。其中,艙體動(dòng)力學(xué)模型、軌道模塊及測控通信分系統(tǒng)功能模型均使用功能模型建模軟件構(gòu)建;機(jī)械臂分系統(tǒng)功能模型由支持Modelica規(guī)范的仿真平臺(tái)構(gòu)建,導(dǎo)出為支持FMI協(xié)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(tǒng)功能模型為C程序?qū)С龅膭?dòng)態(tài)鏈接庫,也可以集成到功能模型建模軟件;總體電路分系統(tǒng)功能模型及電源分系統(tǒng)功能模型均由Saber仿真軟件構(gòu)建,可以通過HLA仿真協(xié)議集成到系統(tǒng)集成仿真平臺(tái)?；谙到y(tǒng)集成仿真平臺(tái)搭建的機(jī)械臂轉(zhuǎn)位艙段集成仿真系統(tǒng)總體框架如圖7所示。

由圖7可以看出,機(jī)械臂分系統(tǒng)功能模型、GNC分系統(tǒng)功能模型、艙體動(dòng)力學(xué)模型、軌道模塊,以及測控通信分系統(tǒng)功能模型,均在功能模型建模工具軟件中實(shí)現(xiàn)集成,功能模型建模工具軟件通過HLA接口與系統(tǒng)集成仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令交換,同時(shí)總體電路分系統(tǒng)功能模型及電源分系統(tǒng)功能模型通過HLA接口獲得和上傳仿真指令和數(shù)據(jù)。

上述功能模型中,機(jī)械臂功能模型、GNC分系統(tǒng)功能模型、電源分系統(tǒng)功能模型均為黑盒模型,總體電路分系統(tǒng)功能模型為灰盒模型,而艙體動(dòng)力學(xué)模型、軌道模型及測控通信分系統(tǒng)功能模型均為白盒模型。依據(jù)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(tǒng)集成仿真平臺(tái)的統(tǒng)一控制下,實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂轉(zhuǎn)位艙段多學(xué)科集成仿真。

5.2 仿真結(jié)果

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

按照上述平面轉(zhuǎn)位過程,機(jī)械臂末端(與實(shí)驗(yàn)艙連接點(diǎn))在核心艙本體幾何坐標(biāo)系的XOZ平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),以核心艙本體質(zhì)心坐標(biāo)系為測量基準(zhǔn),核心艙機(jī)械臂末端的姿態(tài)隨時(shí)間的變化曲線如圖8所示,表明機(jī)械臂成功將艙段轉(zhuǎn)移至核心艙停泊口。圖8中藍(lán)色線與綠色線完全重合。

組合體姿態(tài)角速度變化曲線如圖9所示。

仿真過程中,滾動(dòng)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(jié)果滿足要求。

6 結(jié)束語

本文依據(jù)仿真目標(biāo)分析—仿真內(nèi)容分解—功能模型梳理—建模技術(shù)要求—功能模型構(gòu)建—模型測試驗(yàn)證—模型集成聯(lián)調(diào)—仿真結(jié)果分析—集成仿真應(yīng)用的完整的基于功能模型的多學(xué)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(tǒng)多學(xué)科集成仿真驗(yàn)證工作模式。利用基于HLA及Modelica構(gòu)建的系統(tǒng)集成仿真平臺(tái),構(gòu)建和集成了機(jī)械臂分系統(tǒng)功能模型,GNC分系統(tǒng)功能模型、艙體動(dòng)力學(xué)模型、總體電路分系統(tǒng)功能模型、軌道模塊,以及測控通信分系統(tǒng)功能模型,實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂轉(zhuǎn)位艙段集成仿真。仿真結(jié)果表明:機(jī)械臂成功將艙段轉(zhuǎn)移至預(yù)定核心艙停泊口,轉(zhuǎn)位過程組合體姿態(tài)角速度變化最大值為0.625(°)/s,滿足要求,驗(yàn)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(yīng)用實(shí)踐,提升了總體多學(xué)科設(shè)計(jì)仿真能力,提高了總體多學(xué)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(xué)科集成仿真工作規(guī)范,可為基于功能模型的多學(xué)科集成仿真方法在航天器型號(hào)研制數(shù)字化中的進(jìn)一步應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

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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(shè)計(jì)仿真與優(yōu)化。Email:sunlefeng@hotmail.com。

(編輯:李多)