[发明专利]一种面向组装稳定的模块化空间结构多约束序列规划方法

说明书

本发明涉及一种面向组装稳定的模块化空间结构多约束序列规划方法，针对模块化空间结构在几何、能量等多种动态约束下的组装序列规划问题，首先，建立模块的力学模型，根据组装位置进行坐标变换后，组集建立整体结构在轨组装阶段的渐变动力学模型，构建数据库；其次，将优化问题离散阶段化处理，基于结构动力学模型，面向组装稳定进行优化指标转换；再次，利用模块组装位置关系矩阵进行组装阶段的多种约束条件表达；最后，改进蚁群算法，设计组装位置双回路优化流程，完成模块化空间结构的组装序列规划方法，本发明可获得令组装过程中整体结构振动最小的模块组装序列，具有易于工程实现的特点，适用于形式多样的模块化空间结构组装序列规划。

技术领域

本发明涉及智能制造领域，尤其是一种面向组装稳定的模块化空间结构多约束序列规划方法，从组装结构稳定性的角度解决模块化空间结构在几何、能量等多种动态约束下的序列规划问题。

背景技术

在轨组装是通过预定的组装方式、将单次/多次发射入轨的不同种类模块结构按照一定次序进行拼接安装、构建成期望的大型空间结构，其中组装成本、组装效率等都与模块的组装序列息息相关。针对大尺寸星载天线、光学载荷、国际空间站等大型空间结构在轨组装关键技术的研究《在轨组装技术研究现状与发展趋势》指出，组装序列规划技术是未来实现在轨组装亟需解决的关键技术之一。

目前已有学者针对这一关键技术问题开展了研究工作，文献《空间在轨装配任务规划》结合分级规划思想，将改进的蚁群算法用于大型桁架空间结构的协同组装顺序和任务规划问题求解，并用所消耗的时间来评估组装序列。文献《太空望远镜主镜系统在轨装配研究》开展了太空望远镜主镜系统在轨组装序列规划研究，通过设计大小合理的组装模块来提高组装效率，提出模块遵循从内向外逐层组装的原则、并尽可能保证机械臂在每进行下一次组装时移动距离较小的组装方案。文献《基于混合算法的反射面天线面板装配序列规划》结合天线反射面实际工程组装情况，以组装过程中天线反射面的形面误差为评价指标，基于蚁群算法和蚁群算法提出一种天线组装序列规划的混合算法。

上述组装序列规划研究的出发角度和考虑因素主要包括组装效率和组装安全性等，组装阶段整体结构的振动问题还未在组装序列规划领域得到足够的关注。随着模块组装的进行，空间结构整体尺寸越来越大，组装撞击引起结构整体的振动愈发容易，结构振动显然不利于在轨组装任务的高精高效完成。文献《在轨组装空间结构面向主动控制的动力学建模》中大型空间结构在轨组装阶段的动力学分析表明，该阶段空间结构整体的动力学特性变化与模块的组装序列直接相关。若模块以尽可能维持结构稳定的序列进行组装，不仅可利于在轨组装任务的效率、精度与安全性保证，还可降低后续主动振动控制的能量消耗，是非常值得研究的内容。

综上所述，现有方法针对模块化空间结构的组装序列规划问题，对整体结构柔性振动的关注不足，为确保高精高效在轨组装任务的完成，亟需提出面向组装稳定的模块化空间结构序列规划方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对模块化空间结构的组装序列规划问题，克服现有技术的不足，提出一种面向组装稳定的模块化空间结构多约束序列规划方法，实现了基于在轨组装阶段整体结构的渐变动力学模型的优化指标、优化变量、约束条件的数学表述，采用一套优化策略可实现多样形式的模块化空间结构组装序列优化，有效降低组装过程中整体结构的振动幅值，切实提高整体结构的稳定，从而利于组装任务的精确性和高效性。

本发明的技术方案为：一种面向组装稳定的模块化空间结构多约束序列规划方法，建立整体结构在轨组装阶段的渐变动力学模型，将优化问题离散阶段化处理，并面向组装稳定进行优化指标转换和约束条件表达，基于改进的蚁群算法设计双回路组装位置序列优化流程，完成模块化空间结构的组装序列规划，具体实现步骤如下：

第一步，获得整体结构在轨组装阶段的渐变动力学模型，构建组装信息库。

基于有限元建模方法，首先将模块进行有限单元划分，通过差值获得有限单元的位移场：