航天器在轨运行与维修仿真关键技术研究——建模与虚拟人控制技术

摘要

在科技飞速发展当今，国家现代技术水准的一个重要体现就是航天科技的发展。然而，随着航天器机构越来越复杂，又因其所运行环境的特殊性（距离地面高、空间辐射大、常期无重力），对于一些特殊的航天器在执行任务后还需重新返回地面，特别是用于探索其他天体的航天器有时还得在其上登陆，其上环境更是不可预知。因此，对于航天器而言，可靠性要求显得尤为严格。所以，航天器的设计初期就应该经历各种测试，但传统的实物测试耗时长、花费大，一些复杂的空间环境更无法完全达到测试标准。另外，航天器在运行过程中也会出现各种问题，但是由于其运行环境的特殊性，在对其进行维修前也得经过一系列的测试。因此，航天器的在轨运行测试与维修具有深刻的现实意义与重大的经济效益。虚拟现实技术能够虚拟仿真航天器、航天器在轨运行环境和航天器在轨维修过程。本文针对航天器在轨运行与维修仿真提出了两种仿真方法。
　　提出了基于光线跟踪的星敏感器视景仿真方法。方法先依托三维建模技术对航天器模型与空间环境进行仿真，构建一个虚拟现实仿真环境，并实现对航天器姿态及运动轨迹的动态模拟仿真，以及航天器各个太阳能帆板构型的运动学仿真。然后通过三维场景交互技术，处理用户与三维场景之间的交互，包括自由选取缩放、旋转平移3D场景等操作。最后，通过光线跟踪与碰撞检测技术，达到对星敏感器视景有效性检测的目的。实验结果表明，该方法可以很好的实现对敏感器的视场与航天器部件之间的遮挡情况、以及太阳光线一次反射后对敏感器的影响情况进行计算和分析。而且根据光照分析的实验数据，生成相关结果报告。
　　提出了基于虚拟人控制技术的航天器在轨维修仿真方法。方法在前一章仿真航天器运行状态与运行环境的基础上，进而利用虚拟人运动控制技术，真实仿真航天器在轨维修场景中宇航员拆除故障设备、备件安装等过程中电连接器的插拔操作和机械紧固件的拆装操作，以及此过程中的设备搬运工作，并能够对整个过程进行三维画面显示。实验结果表明，该方法不仅能够对航天员设备搬运路径的可行性，维修操作空间设计的可行性、航天员维修操作中的可达性、维修过程全程目视监视的可实施性给出评价，还可以通过为维修方案评价，提出维修方案设计的改进意见。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 论文的主要工作

1．3 论文的组织结构

第二章 航天器虚拟运行与维修仿真方法概述

2．1 航天器虚拟运行仿真方法介绍

2．1．1 航天器静态建模技术

2．1．2 航天器运动建模技术

2．1．3 航天器实时场景建模技术

2．2 虚拟维修仿真方法介绍

2．2．1 桌面式虚拟维修仿真

2．2．2 沉浸式虚拟装配与维修仿真

2．3 本章小结

第三章 基于光线跟踪的星敏感器视场仿真

3．1 算法概述

3．2 航天器运动学

3．2．1 航天器姿态仿真

3．2．2 帆板姿态仿真

3．3 碰撞检测

3．4 加速优化算法

3．5 实验结果与分析

3．6 本章小结

第四章 基于虚拟人控制的航天器在轨维修

4．1 参数化虚拟人建模

4．2 虚拟人逆运动学求解

4．3 参数化维修动素合成

4．3．1 运动序列分析与合成

4．3．2 运动序列参数化控制

4．4 实验结果与分析

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表学术论文情况