一种可重构航天器的自重构方法

摘要

本发明涉及一种可重构航天器的自重构方法，以明确目标构型，可重构航天器各单元细胞进行分级；初始构型自身“融化”,形成中间构型；中间构型重构，得到目标构型，完成自重构操作。将多个功能、形状不同的细胞组合，通过不同功能的细胞相互连接，以构建具有不同功能和形状的可重构航天器，这种可重构航天器的自重构操作可以适应多种环境和在轨任务。

说明书

技术领域

本发明属于航天器领域，涉及一种可重构航天器的自重构方法。

背景技术

与传统空间卫星相比，可重构航天器具有许多优点：适应性，经济性，可靠性和扩展性。可重构航天器的重构模块称为细胞，通过各个细胞不断分离、位移、对接来实现整体形状和功能的改变，改变自身的空间结构，从而使得系统逐步逼近理想构型，完成不同的任务。

对于可重构航天器的重构，其关键问题是设计针从初始构型到目标构型的一种运动规划，策划者输入可重构航天器的初始构型，并给出用于特定任务的目标构型，快速找到任意构型之间的重构路径，确定重构过程中需要连接或断开的细胞及其连接断开的顺序了，通过自重构策略得出各个细胞从初始构型到目标构型的运动规划。

现有的自重构算法普遍针对基本单元形状一致，功能一致的同构模块机器人。自重构算法多是基于模块机器人同构模块之间的可互换性，实现起来较为容易。但基于同构模块的模块化机器人整体功能较为单一，无法满足实际需要。

对于空间可重构航天器，其主要特点是可重构航天器各个细胞的功能、形状不同。这样设计的目的是使得每个细胞的作用都有针对性，可重构航天器针对不同的任务进行特定细胞的组装。将多个功能、形状不同的细胞组合，通过不同功能的细胞相互连接，以构建具有不同功能和形状的可重构航天器，这种可重构航天器的自重构操作可以适应多种环境和在轨任务。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种可重构航天器的自重构方法，针对基于异构空间可重构航天器的自我构建，提出一种新的自重构规划方法。

技术方案

一种可重构航天器的自重构方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：以期望目标构型的一个边缘细胞作为起始搜索点和生长点，自起始搜索点通过广度优先搜索BFS方法遍历目标构型，对细胞进行编号并分级，并记录每个细胞对生长点的搜索路径，同时记录目标构型中所有细胞的连接关系和细胞的姿态信息；最后，将所得的连接关系形成广度优先树，成为参考中间构型；所述细胞的分级是：依据搜索到细胞的时间顺序，细胞的装配顺序由高到低；

步骤2：将待重构航天器的构型分解成中间构型，以待重构航天器的构型表面边缘的一个非关节细胞作为起始搜索点，同时作为根细胞root；

搜索过程：自起始搜索点通过广度优先搜索BFS方法遍历待重构航天器的构型，搜索到与根细胞距离最远的非关节细胞，将搜索到的细胞移动到根细胞的一端；重复本过程，并将装配等级相同的细胞组装形成一条“链条”形状；

然后，将多条“链条”按照装配等级顺序从高到低进行排序，排序后得到中间构型；

步骤3：以中间构型中的最高装配等级的细胞作为构型重构操作的生长点，然后对中间构型进行搜索；

搜索过程：搜索到中间构型中次高装配等级的“链条”，将“链条”内的细胞按照步骤1记录的连接路径和细胞的位姿信息，把待装配细胞连接到由生长点构成的目标构型中；重复本过程，直至中间构型里的细胞全部都移入目标构型，重构过程完成。

有益效果

本发明提出的一种可重构航天器的自重构方法，以明确目标构型，可重构航天器各单元细胞进行分级；初始构型自身“融化”,形成中间构型；中间构型重构，得到目标构型，完成自重构操作。将多个功能、形状不同的细胞组合，通过不同功能的细胞相互连接，以构建具有不同功能和形状的可重构航天器，这种可重构航天器的自重构操作可以适应多种环境和在轨任务。

附图说明

图1表示自重构示意图

图2表示目标构型

图3表示广度搜索树

图4表示参考中间构型

图5表示初始构型

图6表示初始构型形成中间构型

图7表示中间构型

图8表示初始构型形成中间构型

图9表示可重构航天器3D重构效果图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

为实现上述目的，具体包括步骤如下：

1、明确目标构型，可重构航天器各单元细胞进行分级；

2、初始构型自身“融化”,形成中间构型；

3、中间构型重构，得到目标构型，完成自重构操作。

第一步：明确目标构型，为可重构航天器各细胞分级

为了得到中间构型，首先要对期望得到的目标构型进行分析，依据细胞的装配顺序将每个细胞进行分级。这一步的目的是计算各个细胞在目标构型中的装配顺序，得到参考中间构型，为第二步可重构航天器从初始构型融化成中间构型做准备。

为了第三步重构过程的顺利进行，首先，找到目标构型的一个边缘细胞作为起始搜索点，同时作为生长点。从起始搜索点通过广度优先搜索(BFS)遍历目标构型，对细胞进行编号，并记录每个细胞对生长点的搜索路径，同时记录目标构型中所有细胞的连接关系和细胞的姿态信息。最后，将所得的连接关系形成广度优先树，成为参考中间构型。

对目标构型进行标准图形搜索，搜索的过程也可以看成是对目标构型装配的过程，由搜索结果产生搜索树状图决定不同的装配级别。对于参考中间构型，同一装配等级细胞之间的连接关系先不考虑，仅考虑细胞与上一装配等级和下一装配等级的连接关系，因此在重构部分，同一装配等级细胞的装配顺序无需重新排列，只要按照装配等级的顺序由高到低依次将每一装配等级里的细胞移动到目标构型中相应位置即可，这种分级重构的思想有效的减少了细胞在中间构型缓慢的排序操作，提高了重构效率。

第二步：初始构型自身“融化”,形成中间构型

目的是调整初始构型，使其形成中间构型，为第三步重构操作做准备。中间构型是由第一步得到的参考中间构型为基准形成的。具体操作如下。

找到初始构型表面边缘的任意一个非关节细胞作为起始搜索点，同时作为根细胞 (root)。对初始构型进行广度优先搜索，找到与根细胞距离最远的非关节细胞，将找到的细胞移动到根细胞的一端。重复上述操作，并根据在第一步得到的细胞的装配等级，把相同等级细胞进行组装形成一条“链条”形状。参考中间构型中包含几个等级，中间构型中要形成对应的多条“链条”。初始构型中所有细胞全部移动到根细胞一侧后，会形成多条“链条”。将多条“链条”按照装配等级顺序从高到低进行排序，排序后得到中间构型。

在融化部分得到的中间构型与分级部分得到的参考中间构型是不完全相同的。两个构型的装配等级是相同的，只是每层中细胞的排列顺序不同，但这并不影响重构策略的操作，由步骤1知，一个“链条”中的细胞等级相同，而等级相同的细胞在目标构型里装配等级相同。因此细胞依据自身的等级向中间构型对应装配等级移动，无需考虑相同等级细胞的排列顺序，只需将他们依次连接成“链条”形状即可。

第三步：中间构型重构，得到目标构型，完成自重构

这一步的目的是将中间构型重构成最终的目标构型，首先，由第二步“融化部分”得到的中间构型找到里面的最高装配等级(即第一装配等级)将其用在构型重构操作的生长点。然后对中间构型进行搜索，找到中间构型中次高装配等级的链条，把链条内的细胞按照第一步记录的连接路径和细胞的位姿信息，把待装配细胞连接到由生长点构成的目标构型中，直到该装配等级里的全部细胞完成上述操作。最后，根据目标构型中原来的连接关系对所有细胞进行连接，并调整姿态。反复重复上述操作，直至中间构型里的细胞全部都移入目标构型，重构过程完成。

具体实施方案

第一步：设置初始构型，为可重构航天器各细胞编号

为了简明的说明本专利的自重构算法，使用简化的2D例子进行自重构策略说明，假设每个方块均代表不同种类的细胞，且至少四个方向设置接口，彼此不能替换，其中(a)为初始构型，(b)为目标构型，需要通过自重构策略将初始构型(a)重构成目标构型(b)。

为了得到中间构型，首先要对期望得到的目标构型进行分析，依据细胞的装配顺序将每个细胞进行分级。这一步的目的是计算各个细胞在目标构型中的装配顺序，得到参考中间构型，为第二步可重构航天器从初始构型融化成中间构型做准备。

为了避免第三步重构过程的顺利进行，找到目标构型的一个边缘细胞作为起始搜索点，同时作为生长点，从边缘细胞1作为起始搜索点，1号细胞成为生长点。通过广度优先搜索(BFS)，遍历目标构型，对细胞进行编号，并记录每个细胞对生长点的搜索路径，同时记录目标构型中所有细胞的连接关系和细胞的姿态信息。最后，将所得的连接关系形成广度优先树，图中编号与目标构型中细胞的编号一一对应，1号细胞作为最顶层细胞，在中间构型里装配等级数最高，对应形成的参考中间构型。

对目标构型进行标准图形搜索，搜索的过程也可以看成是装配的过程，由搜索结果产生搜索树状图决定不同的装配级别。对于参考中间构型，同一装配等级细胞之间的连接关系先不考虑，仅考虑细胞与上一装配等级和下一装配等级的连接关系，因此在重构部分，只要按照装配等级的顺序由高到低依次将每一装配等级里的细胞移动到目标构型中相应位置即可，这种分级重构的思想有效的减少了细胞在中间构型缓慢的排序操作，提高了重构效率。

第二步：将初始构型进行融化,形成中间构型

目的是调整初始构型，其目标是将可重构航天器的初始构型分解成中间构型。中间构型是由第一步得到的参考中间构型形成的。具体操作如下。

找到初始构型表面边缘的一个非关节细胞作为起始搜索点，同时作为根细胞 (root)。初始构型每个细胞都由步骤1得到对应编号，选择8号细胞作为起始搜索点。对初始构型进行广度优先搜索，找到与8号根细胞距离最远的非关节细胞，将找到的细胞移动到根细胞的一端，其中虚线表示已经移走的细胞。重复上述操作，并根据之前得到的细胞等级，把相同等级细胞放在一起形成一条“链条”形状。参考中间构型中包含几个等级，中间构型中要形成对应的多条“链条”。初始构型中所有细胞全部移动到根细胞一侧后，会形成多条“链条”。将多条“链条”按照装配等级顺序从高到低进行排序，排序后得到中间构型。

在融化部分得到的中间构型与分级部分得到的参考中间构型是不完全相同的。两个构型的装配等级是相同的，只是每层中细胞的排列顺序不同，但这并不影响重构策略的操作，由步骤1知，一个“链条”中的细胞等级相同，而等级相同的细胞在目标构型里装配等级相同。因此细胞依据自身的等级向中间构型对应装配等级移动，无需考虑相同等级细胞的排列顺序，只需将他们依次连接成“链条”形状即可。

第三步：由中间构型进行构型重构，形成目标构型

这一步的目的是将中间构型重构成最终的目标构型。首先在中间构型里找到拥有可移动细胞的装配等级，并在其中找到编号最高装配等级，对该装配等级中的细胞进行重构操作，根据在第一步中记录的细胞运动路径，将细胞移动到由生长点构成的目标构型中，依据步骤1中记录的细胞在目标构型中的连接关系和姿态信息，调整细胞位姿并与周围待连接细胞进行连接。反复上述操作直到所有细胞移动到目标构型，自重构示意。