机械臂转位舱段过程的多学科集成仿真

孙乐丰 王为

(中国空间技术研究院载人航天总体部,北京 100094)

机械臂转位舱段过程的多学科集成仿真

孙乐丰 王为

(中国空间技术研究院载人航天总体部,北京 100094)

基于高层体系结构(HLA)及Modelica建模语言构建的系统集成仿真平台,通过构建和集成与机械臂转位舱段过程相关的舱体动力学、机械臂、轨道、姿态控制、总体电路等功能模型,建立了机械臂转位舱段集成仿真模型,开展了机械臂转位舱段过程多学科集成仿真,建立并验证了基于功能模型的多学科集成仿真工作流程,提出并实践了基于功能模型的总体-分系统多学科集成仿真工作模式。仿真结果表明: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,研究成果可以为航天器研制数字化提供参考。

空间机械臂;舱段转位;多学科;集成仿真

1 引言

空间站机械臂的任务包括舱段捕获、转移、设备安装、维修更换、辅助航天员转移等。其中,转位舱段是空间站机械臂的首要任务,也是机械臂难度最大的任务之一[1-2]。

转位舱段是空间站建设的关键,空间站3个舱段要通过对接和转位的方式来完成空间站组合体构建:机械臂转位舱段任务是利用机械臂将空间站的待转舱段从对接口转移到空间站核心舱的停泊口,并控制其与核心舱的节点舱进行二次对接[3-4],在分别完成两次转位舱段后,空间站建成三舱基本构型。

机械臂转位舱段任务中,由于核心舱、实验舱、机械臂组成的系统尺度大,地面上复现在轨的零重力环境并开展全尺寸物理验证十分困难,所以主要通过仿真分析对设计进行验证[5-6]。

由于机械臂转位舱段过程中涉及多个航天器以及不同学科专业,需要构建和集成多个学科的功能模型,并且通过系统集成仿真平台,最终建立机械臂转位舱段集成仿真模型。仿真功能模型的构建可采用不同的建模语言和建模工具,例如文献[7]利用Modelica建模语言构建了月球车通信系统的功能仿真模型,文献[8]利用Simulink仿真工具构建了航天器电源控制系统功能仿真模型。此外,有许多研究利用不同的集成仿真平台,开展了功能仿真模型的集成,例如,文献[9]基于HLA仿真协议开展了航天任务联合仿真,文献[10]利用 Modelcenter软件开展了运载火箭的集成设计仿真。然而以上文献较少涉及集成仿真工作流程和工作模式的分析研究。

本文主要从集成仿真工作流程、集成仿真工作模式、集成仿真平台方案和机械臂转位舱段仿真应用4个方面,介绍了机械臂转位舱段多学科集成仿真应用实践。

2 多学科集成仿真工作流程

开展多学科集成仿真,首先要明确仿真对象和仿真的目的,然后依据合理可行的工作流程实现,本文提出集成仿真工作流程主要由以下9个步骤组成:①仿真目标分析;②仿真内容分解;③功能模型梳理;④建模要求确定;⑤功能模型构建;⑥模型测试及验证;⑦模型集成联调;⑧仿真结果分析;⑨集成仿真应用(见图1)。

首先,要根据用户(或系统总体)需求或技术要求,完成仿真任务的需求分析。确定仿真目标,并根据仿真目标分解仿真内容。其次,依据仿真内容梳理仿真任务涉及的功能模型,确定有关的分系统,并且进一步确定功能模型的功能要求、输入输出接口、模型参数以及其他的共性要素。针对功能模型的特点,利用相应的建模工具开展功能模型建模以及封装,对各功能模型进行测试验证,保证各功能模型仿真输出合理可信。功能模型齐备后需要开展模型集成联调,利用仿真系统以及集成接口完成功能模型的集成仿真测试,对仿真结果进行统计分析,形成仿真验证分析报告。最后,基于集成仿真模型开展仿真扩展应用。

上述每个阶段都需要与前一阶段进行多次迭代才能完成,每个阶段状态固化后再推进至下一阶段,此外,每个阶段都要对功能模型库进行补充、修改和完善,最终完成基于功能模型的多学科集成仿真。

上述流程中,仿真结果分析以及集成仿真应用较为容易理解,本文主要针对仿真目标分析、仿真内容分解、功能模型梳理、建模要求确定、功能模型构建、模型测试及验证,以及模型集成联调进行具体说明。

2.1 仿真目标分析

集成仿真,首先需要确定仿真目标,仿真目标不能过于复杂和宽泛,以避免工作规模过大导致集成仿真难以推进;又不能过于简化,导致仿真结果不能满足实际应用,造成资源浪费。仿真目标分析要遵从以下流程。

(1)需求收集:仿真目标分析首先需要广泛收集仿真需求,来源可以是多方面的,既有总体设计,也有专业仿真,还可以是管理方面的需求。

(2)需求分析:收集到的需求多种多样,需要对需求进行整理分类分层,不够明确和准确的需求,本质重复的需求都要剔除。

(3)总体设计方案筛查:需求整理分析完成后,还需要对相应型号的总体设计方案进行筛查,保证需求的合理性。

(4)仿真目标拟定:需求明确后需要拟定仿真目标,仿真目标需要依据相应的总体设计方案,并考虑现有仿真基础。

(5)需求覆盖检查:拟定初步仿真目标后要进行需求覆盖检查,如果仿真目标不满足需求,需要重新修改。

(6)仿真目标分析结束:按照上述流程确定仿真目标后,启动集成仿真工作。

2.2 仿真内容分解

目前,航天器研制一般按照总体—分系统—单机的分层和分级方式开展,通常各分系统包括单机都属于不同的单位或部门,开展集成仿真需要依据总体设计方案梳理集成仿真涉及的分系统,将仿真内容分解到相应的分系统。此外,仿真内容分解还要考虑总体设计方案中存在的多种工况。相应的分解流程如下。

(1)仿真内容拟定:仿真目标确定后,需要依据总体设计方案拟定仿真内容,保证仿真内容合理可行。

(2)分系统梳理:仿真内容拟定后,需要对照总体设计方案梳理集成仿真中涉及的分系统,为下一步仿真内容分解明确对象。

(3)仿真工况梳理:针对仿真内容及总体设计方案,梳理仿真工况,对存在多种仿真工况的,要在仿真内容分解时明确。

(4)仿真内容分解:按照分系统划分对仿真内容进行分解,如果仿真内容分解不满足分系统现有基础,需要重新修改。

(5)仿真内容分解结束:按照上述流程完成仿真内容分解后,应启动集成仿真功能模型梳理工作。

2.3 功能模型梳理

完成仿真目标确定及仿真内容分解后,需要梳理集成仿真任务中各分系统及总体的功能模型。针对机械臂转位舱段集成仿真问题,涉及的分系统,包括动力学与控制、能源、热控、测控通信等,从模型归属、模型名称、模型功能要求、相关模型、模型接口要求等方面,分别梳理各分系统的功能模型(见表1)。表1以总体的核心舱舱体动力学模型及电源分系统的太阳翼模型为例进行了说明,其中相关模型及接口要求体现了各分系统功能模型间的耦合关系。

2.4 建模要求确定

依据功能模型梳理结果,需要对各分系统的功能模型提出明确的建模技术要求。主要分为功能要求及接口要求两部分,此外,接口要求不仅要明确各模型的输入输出变量,而且还需要指明具体的输入输出指令形式和内容。集成仿真中一般还涉及到多个坐标系的使用,相应地也需要明确规定各个模型间使用的坐标系定义,避免模型联调中出现由于坐标系定义不一致导致的仿真失败。图2为完整的建模技术要求。

2.5 功能模型构建

产品设计过程一般要经历概念设计、系统方案设计和产品详细设计3个不同的阶段,功能模型也应遵循从原理研究、到总体设计、再到详细设计的逻辑。首先,需要对功能模型的功能逻辑和原理进行分析,只有针对原理上存在强耦合的专业,才进行多学科的联合建模,其中功能模型的模块划分和图形界面,应以能让设计师直观了解系统原理为目的来建立,因此可充分借鉴各专业设计师熟悉的专业原理图的形式来建立模型的图形界面,例如控制回路原理图、推进管理原理图等。其次,要确定功能模型涉及的设备组件及相应的组成和连接关系,明确功能模型的运行模式。最后,要充分考虑设备组件内部以及设备组件连接的详细信息,比如管道的介质流动状态,热接口状态。

功能模型建模设计流程如图3所示。

2.6 模型测试及验证

模型测试,即按照模型设计的要求和规范,检测模型在建模仿真过程中的兼容性、稳定性和求解速度等性能指标是否达到设计要求。常用的测试方法包括独立测试和嵌套测试两大类。在边界条件比较充分和准确的情况下,可以直接将其作为单个设备或者分系统的输入条件,实现对单个设备或分系统的独立测试;当测试单元和其他单元耦合性很强,很难较为准确给出边界条件的情况下,可以采用和其他单元一起来构建一个更高一层的分系统或系统,通过对这个分系统或系统的分析,可以来评判和确定研究单元模型的性能情况。

模型验证,即针对一定的仿真目的,证实模型行为特性与系统实际行为特性对比精度满足要求。对于开发单元、分系统和系统模型的验证可以采用与试验数据、试飞数据对比,以及和成熟同类仿真模型对比等方式来实现。

1)开发单元验证

开发单元验证,主要证实所建模型与实际设备相关数据的对比是否满足要求的精度,一般很多重要的单元都会参与试验,故在开发单元验证工程中可以实现和试验数据的比对,通过对单元严格的验证,可以大大降低后续分系统和系统的验证难度。

2)分系统验证

分系统验证,相比于开发单元验证要复杂些,须在开发单元验证的基础上,来验证子系统模型各特定指标的精度,其验证过程中需更多的考虑在复杂边界输入情况的各单元的匹配性,不是所有的单元模型验证精度很高其所组成的分系统验证精度也就很高。

3)系统验证

相对于分系统验证,系统验证所用的模型数较多且更全面,系统验证可能包含众多的领域,是分系统的集合,一般在分系统中能够满足一定的仿真精度,在多领域系统中不一定能完全满足,因此,需要在确认系统验证指标的基础上对系统进行一定的仿真精度验证。

2.7 模型集成联调

集成仿真通常涉及多个分系统,各个分系统的功能模型建模方式和接口形式不完全一致,需要在统一的集成仿真平台下实现模型的集成联调,保证数据的时序和逻辑正确性。

以下针对高层体系结构(High-level Architecture,HLA)以及功能模型接口(Functional Mockup Interface,FMI)两种方式的模型集成规范进行说明。

2.7.1 基于HLA的模型集成流程规范

HLA是国际通用的建模仿真标准,可以支持模型的可重用性、互操作性、能提供大规模的将构造仿真/虚拟仿真/实物仿真集成在一起的综合环境[11-12]。本文采用的基于HLA的模型集成流程规范如下:

(1)定义模型接口信息。基于HLA的模型集成首先需要定义模型接口信息,包括模型的输入接口信息及输出接口信息,具体要明确接口信息的组成,类型以及参数意义。

(2)配置SOM文件。仿真对象模型(Simulation Object Model,SOM)文件为基于HLA交互信息的配置文件,用户将功能模型需要与其他模块交互的数据在SOM文件中进行声明,配置SOM文件时,建议用户在标准SOM模板上修改,只修改用户数据部分,其他部分维持原样即可。

(3)配置FED文件。联邦执行数据(Federation Execution Data,FED)文件为整个仿真系统数据交互信息的配置文件,是每个功能模型仿真模块SOM文件的合集。用户只需将SOM文件中声明的交互内容填写到FED文件中“用户交互类信息”部分即可。需要注意的是,FED文件中用户需要交互的数据不需区分接收或者发送,只需将所有交互数据写入FED即可。

(4)配置HLA接口。主要包括实现创建联邦、加入联邦、设置联邦类型、设置SOM文件路径、设置配置文件路径、联邦初始化、调用交互回调函数等一系列的操作。

上述主要操作完成后,通过检查测试过程传递的数据,可以判断功能模型是否正确集成。2.7.2 基于FMI的模型集成流程规范

FMI是一种支持不同接口形式的功能模型集成联调的仿真规范,使得集成仿真平台可以通过FMI协议与不同仿真软件构件的专业功能模型进行集成,可以有效地扩展集成仿真的研究和应用范围[13-14]。基于FMI的模型集成流程规范如下:

(1)功能模型导出。功能模型导出须要明确建模环境是否支持功能模型单元(Functional Mockup Unit,FMU格式直接导出,如果不支持,则需要将功能模型导出为常见的动态链接库(Dynamic Link Library,DLL)形式,功能模型导出前,须要确定输入输出接口完整。

(2)编写C程序。如果功能模型导出的为DLL格式,则需要编写C语言程序,对DLL格式模型进行二次处理和封装,主要包括初始化函数,运行函数以及终止函数的声明和定义。

(3)二次处理导出DLL格式的功能模型。对初始功能模型二次处理后,需要重新导出符合FMI调用规则的功能模型。

(4)模型调用。如果是FMU格式的导出模型,则直接依据变量映射关系与其他模型进行连接后实现调用。如果是DLL格式的导出模型,则需要依据相应的函数设置实现调用。

如果传递数据检查存在错误,则需要对功能模型的输入输出接口信息进行检查,上述过程不断迭代,确保模型调用的传递数据检查正确,最终完成基于FMI的模型集成。

3 多学科集成仿真工作模式

集成仿真总体向分系统提出功能模型的建模和模型接口要求,分系统据此建立反映分系统功能性能,可用于集成仿真的功能模型并提交仿真总体。仿真总体集成各分系统的功能模型,形成系统级功能模型,开展系统集成仿真,验证系统的功能性及各分系统间的匹配性。

集成仿真通常要涉及多个分系统的功能模型,各个分系统的功能模型所采取的建模方式及开发程度不完全一致,导致在进行系统级集成仿真时,需要对不同类型的功能模型采取不同的工作模式。功能模型按照模型开发程度可以分为:白盒模型、灰盒模型和黑盒模型。

(1)白盒模型,是指不仅开放接口,而且模型内部结构可见及原理可读,可以直接进行修改和调整的一类功能模型。白盒模型的集成仿真是最理想也是效率最高的工作模式。不仅可以依据仿真结果随时调整模型参数设置,而且可以更便捷地定位集成仿真中出现的问题。

(2)灰盒模型,是指既开放接口,又对模型内部结构可见的一类功能模型。这一类模型不能直接进行修改,但是在一定程度上,特别是模型本身结构较为简单的情况下,可以依据模型结构来构建近似的白盒模型。当灰盒模型集成仿真出现问题时,可以利用近似的白盒模型更快速地分析和定位错误原因。而灰盒模型的集成仿真一旦出现问题,特别是定位为灰盒模型内部问题时,无法调整模型参数或者修改模型,只能反馈修改意见重新提交灰盒模型,或者依据模型结构构造近似的白盒模型,如此必然导致集成仿真效率下降。

(3)黑盒模型,是指只开放接口,模型内部结构及原理都不可见的一类功能模型。这一类模型既不能直接进行修改,也不能构建近似的白盒模型。集成仿真过程中出现问题只能依靠协调沟通以及集同方式进行定位解决,特别是定位为黑盒模型内部问题时,只能反馈修改意见重新提交黑盒模型,它是一种效率最低的工作模式。

图4为本文提出并实践的基于功能模型的集成仿真工作模式。图4中的虚线框为构造近似或简化白盒模型,属于仿真总体的行为,该行为不是必须实施的,仿真总体依据仿真具体情况,如是否有充足人员和资源,选择开展近似或简化白盒模型构建工作。如果仿真总体选择构建近似白盒模型或者简化白盒模型,可以更快速地定位功能模型集成发生问题的原因,有助于仿真总体给相应分系统提出反馈意见。

4 系统集成仿真平台方案

系统集成仿真平台将HLA分布式仿真协议和多领域统一建模标准Modelica相结合,具有继承性、开放性、协同性强的特点。平台可以集成轨道、动力学与控制、推进、能源等多个专业学科的仿真模型,同时还集成了基于Modelica构建的功能模型建模工具软件,此外,平台还可以对仿真运行进行控制,同时支持包括STK软件等多种形式的仿真数据可视化显示。系统集成仿真平台总体框架如图5所示。

系统集成仿真平台中的Modelica功能模型,主要由功能模型建模仿真软件进行构造或集成。其余并非基于Modelica构建的功能模型,例如Simulink模型,也可以依据FMI规范封装为FMU集成到功能模型建模仿真软件。功能模型建模仿真软件,通过HLA仿真协议实现与系统集成仿真平台的数据及指令传输。相应的功能模型建模仿真软件结构如图6所示。

功能模型建模仿真工具软件基于Modelica构建,主要包括多专业统一建模模块、模型编译分析模块、模型仿真求解模块、结果显示分析模块、仿真试验设计模块、分布式联合仿真模块,以及外部接口模块。其中,通过外部接口模块利用FMI接口协议集成外部提供的功能模型及仿真程序。通过分布式联合仿真模块,利用HLA仿真协议与集成仿真平台进行数据和指令传输。

5 机械臂转位舱段集成仿真实践

基于本文的集成仿真工作流程及模式,利用系统集成仿真平台开展机械臂转位舱段集成仿真应用。由于机械臂转位舱段过程涉及多个学科专业,须要构建和集成各个学科的功能模型,建立集成仿真模型,最终实现机械臂转位舱段多学科集成仿真。

5.1 机械臂转位舱段集成仿真总体方案

机械臂转位舱段过程涉及机械臂分系统功能模型,制导、导航与控制(Guidance,Navigation and Control,GNC)分系统功能模型、舱体动力学模型、总体电路分系统功能模型、轨道模块,以及测控通信分系统功能模型。其中,舱体动力学模型、轨道模块及测控通信分系统功能模型均使用功能模型建模软件构建;机械臂分系统功能模型由支持Modelica规范的仿真平台构建,导出为支持FMI协议的FMU格式,同样可以无缝集成到功能模型建模软件;GNC分系统功能模型为C程序导出的动态链接库,也可以集成到功能模型建模软件;总体电路分系统功能模型及电源分系统功能模型均由Saber仿真软件构建,可以通过HLA仿真协议集成到系统集成仿真平台。基于系统集成仿真平台搭建的机械臂转位舱段集成仿真系统总体框架如图7所示。

由图7可以看出,机械臂分系统功能模型、GNC分系统功能模型、舱体动力学模型、轨道模块,以及测控通信分系统功能模型,均在功能模型建模工具软件中实现集成,功能模型建模工具软件通过HLA接口与系统集成仿真平台实现数据和指令交换,同时总体电路分系统功能模型及电源分系统功能模型通过HLA接口获得和上传仿真指令和数据。

上述功能模型中,机械臂功能模型、GNC分系统功能模型、电源分系统功能模型均为黑盒模型,总体电路分系统功能模型为灰盒模型,而舱体动力学模型、轨道模型及测控通信分系统功能模型均为白盒模型。依据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,最终在系统集成仿真平台的统一控制下,实现机械臂转位舱段多学科集成仿真。

5.2 仿真结果

这里选取求解算法为龙格库塔4阶定步长算法,设定仿真步长为10 ms,求解精度为1×10-5,仿真时长为3500 s。

按照上述平面转位过程,机械臂末端(与实验舱连接点)在核心舱本体几何坐标系的XOZ平面内转动,以核心舱本体质心坐标系为测量基准,核心舱机械臂末端的姿态随时间的变化曲线如图8所示,表明机械臂成功将舱段转移至核心舱停泊口。图8中蓝色线与绿色线完全重合。

组合体姿态角速度变化曲线如图9所示。

仿真过程中,滚动角速度最大为0.219(°)/s,俯仰角速度最大为0.625(°)/s,偏航角速度最大为0.317(°)/s,仿真结果满足要求。

6 结束语

本文依据仿真目标分析—仿真内容分解—功能模型梳理—建模技术要求—功能模型构建—模型测试验证—模型集成联调—仿真结果分析—集成仿真应用的完整的基于功能模型的多学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类型的功能模型的总体—分系统多学科集成仿真验证工作模式。利用基于HLA及Modelica构建的系统集成仿真平台,构建和集成了机械臂分系统功能模型,GNC分系统功能模型、舱体动力学模型、总体电路分系统功能模型、轨道模块,以及测控通信分系统功能模型,实现了机械臂转位舱段集成仿真。仿真结果表明:机械臂成功将舱段转移至预定核心舱停泊口,转位过程组合体姿态角速度变化最大值为0.625(°)/s,满足要求,验证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。

通过本文的仿真应用实践,提升了总体多学科设计仿真能力,提高了总体多学科集成仿真的工作效率,形成了基于功能模型的航天器多学科集成仿真工作规范,可为基于功能模型的多学科集成仿真方法在航天器型号研制数字化中的进一步应用奠定技术基础。

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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

孙乐丰,男,工程师,从事航天器总体设计仿真与优化。Email:sunlefeng@hotmail.com。

(编辑:李多)