本發(fā)明屬于航天器領(lǐng)域，涉及一種可重構(gòu)航天器的自重構(gòu)方法。

背景技術(shù)：

與傳統(tǒng)空間衛(wèi)星相比，可重構(gòu)航天器具有許多優(yōu)點：適應性，經(jīng)濟性，可靠性和擴展性?？芍貥?gòu)航天器的重構(gòu)模塊稱為細胞，通過各個細胞不斷分離、位移、對接來實現(xiàn)整體形狀和功能的改變，改變自身的空間結(jié)構(gòu)，從而使得系統(tǒng)逐步逼近理想構(gòu)型，完成不同的任務。

對于可重構(gòu)航天器的重構(gòu)，其關(guān)鍵問題是設計針從初始構(gòu)型到目標構(gòu)型的一種運動規(guī)劃，策劃者輸入可重構(gòu)航天器的初始構(gòu)型，并給出用于特定任務的目標構(gòu)型，快速找到任意構(gòu)型之間的重構(gòu)路徑，確定重構(gòu)過程中需要連接或斷開的細胞及其連接斷開的順序了，通過自重構(gòu)策略得出各個細胞從初始構(gòu)型到目標構(gòu)型的運動規(guī)劃。

現(xiàn)有的自重構(gòu)算法普遍針對基本單元形狀一致，功能一致的同構(gòu)模塊機器人。自重構(gòu)算法多是基于模塊機器人同構(gòu)模塊之間的可互換性，實現(xiàn)起來較為容易。但基于同構(gòu)模塊的模塊化機器人整體功能較為單一，無法滿足實際需要。

對于空間可重構(gòu)航天器，其主要特點是可重構(gòu)航天器各個細胞的功能、形狀不同。這樣設計的目的是使得每個細胞的作用都有針對性，可重構(gòu)航天器針對不同的任務進行特定細胞的組裝。將多個功能、形狀不同的細胞組合，通過不同功能的細胞相互連接，以構(gòu)建具有不同功能和形狀的可重構(gòu)航天器，這種可重構(gòu)航天器的自重構(gòu)操作可以適應多種環(huán)境和在軌任務。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

要解決的技術(shù)問題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種可重構(gòu)航天器的自重構(gòu)方法，針對基于異構(gòu)空間可重構(gòu)航天器的自我構(gòu)建，提出一種新的自重構(gòu)規(guī)劃方法。

技術(shù)方案

一種可重構(gòu)航天器的自重構(gòu)方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：以期望目標構(gòu)型的一個邊緣細胞作為起始搜索點和生長點，自起始搜索點通過廣度優(yōu)先搜索bfs方法遍歷目標構(gòu)型，對細胞進行編號并分級，并記錄每個細胞對生長點的搜索路徑，同時記錄目標構(gòu)型中所有細胞的連接關(guān)系和細胞的姿態(tài)信息；最后，將所得的連接關(guān)系形成廣度優(yōu)先樹，成為參考中間構(gòu)型；所述細胞的分級是：依據(jù)搜索到細胞的時間順序，細胞的裝配順序由高到低；

步驟2：將待重構(gòu)航天器的構(gòu)型分解成中間構(gòu)型，以待重構(gòu)航天器的構(gòu)型表面邊緣的一個非關(guān)節(jié)細胞作為起始搜索點，同時作為根細胞root；

搜索過程：自起始搜索點通過廣度優(yōu)先搜索bfs方法遍歷待重構(gòu)航天器的構(gòu)型，搜索到與根細胞距離最遠的非關(guān)節(jié)細胞，將搜索到的細胞移動到根細胞的一端；重復本過程，并將裝配等級相同的細胞組裝形成一條“鏈條”形狀；

然后，將多條“鏈條”按照裝配等級順序從高到低進行排序，排序后得到中間構(gòu)型；

步驟3：以中間構(gòu)型中的最高裝配等級的細胞作為構(gòu)型重構(gòu)操作的生長點，然后對中間構(gòu)型進行搜索；

搜索過程：搜索到中間構(gòu)型中次高裝配等級的“鏈條”，將“鏈條”內(nèi)的細胞按照步驟1記錄的連接路徑和細胞的位姿信息，把待裝配細胞連接到由生長點構(gòu)成的目標構(gòu)型中；重復本過程，直至中間構(gòu)型里的細胞全部都移入目標構(gòu)型，重構(gòu)過程完成。

有益效果

本發(fā)明提出的一種可重構(gòu)航天器的自重構(gòu)方法，以明確目標構(gòu)型，可重構(gòu)航天器各單元細胞進行分級；初始構(gòu)型自身“融化”,形成中間構(gòu)型；中間構(gòu)型重構(gòu)，得到目標構(gòu)型，完成自重構(gòu)操作。將多個功能、形狀不同的細胞組合，通過不同功能的細胞相互連接，以構(gòu)建具有不同功能和形狀的可重構(gòu)航天器，這種可重構(gòu)航天器的自重構(gòu)操作可以適應多種環(huán)境和在軌任務。

附圖說明

圖1表示自重構(gòu)示意圖

圖2表示目標構(gòu)型

圖3表示廣度搜索樹

圖4表示參考中間構(gòu)型

圖5表示初始構(gòu)型

圖6表示初始構(gòu)型形成中間構(gòu)型

圖7表示中間構(gòu)型

圖8表示初始構(gòu)型形成中間構(gòu)型

圖9表示可重構(gòu)航天器3d重構(gòu)效果圖

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述：

為實現(xiàn)上述目的，具體包括步驟如下：

1、明確目標構(gòu)型，可重構(gòu)航天器各單元細胞進行分級；

2、初始構(gòu)型自身“融化”,形成中間構(gòu)型；

3、中間構(gòu)型重構(gòu)，得到目標構(gòu)型，完成自重構(gòu)操作。

第一步：明確目標構(gòu)型，為可重構(gòu)航天器各細胞分級

為了得到中間構(gòu)型，首先要對期望得到的目標構(gòu)型進行分析，依據(jù)細胞的裝配順序?qū)⒚總€細胞進行分級。這一步的目的是計算各個細胞在目標構(gòu)型中的裝配順序，得到參考中間構(gòu)型，為第二步可重構(gòu)航天器從初始構(gòu)型融化成中間構(gòu)型做準備。

為了第三步重構(gòu)過程的順利進行，首先，找到目標構(gòu)型的一個邊緣細胞作為起始搜索點，同時作為生長點。從起始搜索點通過廣度優(yōu)先搜索(bfs)遍歷目標構(gòu)型，對細胞進行編號，并記錄每個細胞對生長點的搜索路徑，同時記錄目標構(gòu)型中所有細胞的連接關(guān)系和細胞的姿態(tài)信息。最后，將所得的連接關(guān)系形成廣度優(yōu)先樹，成為參考中間構(gòu)型。

對目標構(gòu)型進行標準圖形搜索，搜索的過程也可以看成是對目標構(gòu)型裝配的過程，由搜索結(jié)果產(chǎn)生搜索樹狀圖決定不同的裝配級別。對于參考中間構(gòu)型，同一裝配等級細胞之間的連接關(guān)系先不考慮，僅考慮細胞與上一裝配等級和下一裝配等級的連接關(guān)系，因此在重構(gòu)部分，同一裝配等級細胞的裝配順序無需重新排列，只要按照裝配等級的順序由高到低依次將每一裝配等級里的細胞移動到目標構(gòu)型中相應位置即可，這種分級重構(gòu)的思想有效的減少了細胞在中間構(gòu)型緩慢的排序操作，提高了重構(gòu)效率。

第二步：初始構(gòu)型自身“融化”,形成中間構(gòu)型

目的是調(diào)整初始構(gòu)型，使其形成中間構(gòu)型，為第三步重構(gòu)操作做準備。中間構(gòu)型是由第一步得到的參考中間構(gòu)型為基準形成的。具體操作如下。

找到初始構(gòu)型表面邊緣的任意一個非關(guān)節(jié)細胞作為起始搜索點，同時作為根細胞(root)。對初始構(gòu)型進行廣度優(yōu)先搜索，找到與根細胞距離最遠的非關(guān)節(jié)細胞，將找到的細胞移動到根細胞的一端。重復上述操作，并根據(jù)在第一步得到的細胞的裝配等級，把相同等級細胞進行組裝形成一條“鏈條”形狀。參考中間構(gòu)型中包含幾個等級，中間構(gòu)型中要形成對應的多條“鏈條”。初始構(gòu)型中所有細胞全部移動到根細胞一側(cè)后，會形成多條“鏈條”。將多條“鏈條”按照裝配等級順序從高到低進行排序，排序后得到中間構(gòu)型。

在融化部分得到的中間構(gòu)型與分級部分得到的參考中間構(gòu)型是不完全相同的。兩個構(gòu)型的裝配等級是相同的，只是每層中細胞的排列順序不同，但這并不影響重構(gòu)策略的操作，由步驟1知，一個“鏈條”中的細胞等級相同，而等級相同的細胞在目標構(gòu)型里裝配等級相同。因此細胞依據(jù)自身的等級向中間構(gòu)型對應裝配等級移動，無需考慮相同等級細胞的排列順序，只需將他們依次連接成“鏈條”形狀即可。

第三步：中間構(gòu)型重構(gòu)，得到目標構(gòu)型，完成自重構(gòu)

這一步的目的是將中間構(gòu)型重構(gòu)成最終的目標構(gòu)型，首先，由第二步“融化部分”得到的中間構(gòu)型找到里面的最高裝配等級(即第一裝配等級)將其用在構(gòu)型重構(gòu)操作的生長點。然后對中間構(gòu)型進行搜索，找到中間構(gòu)型中次高裝配等級的鏈條，把鏈條內(nèi)的細胞按照第一步記錄的連接路徑和細胞的位姿信息，把待裝配細胞連接到由生長點構(gòu)成的目標構(gòu)型中，直到該裝配等級里的全部細胞完成上述操作。最后，根據(jù)目標構(gòu)型中原來的連接關(guān)系對所有細胞進行連接，并調(diào)整姿態(tài)。反復重復上述操作，直至中間構(gòu)型里的細胞全部都移入目標構(gòu)型，重構(gòu)過程完成。

具體實施方案

第一步：設置初始構(gòu)型，為可重構(gòu)航天器各細胞編號

為了簡明的說明本專利的自重構(gòu)算法，使用簡化的2d例子進行自重構(gòu)策略說明，假設每個方塊均代表不同種類的細胞，且至少四個方向設置接口，彼此不能替換，其中(a)為初始構(gòu)型，(b)為目標構(gòu)型，需要通過自重構(gòu)策略將初始構(gòu)型(a)重構(gòu)成目標構(gòu)型(b)。

為了得到中間構(gòu)型，首先要對期望得到的目標構(gòu)型進行分析，依據(jù)細胞的裝配順序?qū)⒚總€細胞進行分級。這一步的目的是計算各個細胞在目標構(gòu)型中的裝配順序，得到參考中間構(gòu)型，為第二步可重構(gòu)航天器從初始構(gòu)型融化成中間構(gòu)型做準備。

為了避免第三步重構(gòu)過程的順利進行，找到目標構(gòu)型的一個邊緣細胞作為起始搜索點，同時作為生長點，從邊緣細胞1作為起始搜索點，1號細胞成為生長點。通過廣度優(yōu)先搜索(bfs)，遍歷目標構(gòu)型，對細胞進行編號，并記錄每個細胞對生長點的搜索路徑，同時記錄目標構(gòu)型中所有細胞的連接關(guān)系和細胞的姿態(tài)信息。最后，將所得的連接關(guān)系形成廣度優(yōu)先樹，圖中編號與目標構(gòu)型中細胞的編號一一對應，1號細胞作為最頂層細胞，在中間構(gòu)型里裝配等級數(shù)最高，對應形成的參考中間構(gòu)型。

對目標構(gòu)型進行標準圖形搜索，搜索的過程也可以看成是裝配的過程，由搜索結(jié)果產(chǎn)生搜索樹狀圖決定不同的裝配級別。對于參考中間構(gòu)型，同一裝配等級細胞之間的連接關(guān)系先不考慮，僅考慮細胞與上一裝配等級和下一裝配等級的連接關(guān)系，因此在重構(gòu)部分，只要按照裝配等級的順序由高到低依次將每一裝配等級里的細胞移動到目標構(gòu)型中相應位置即可，這種分級重構(gòu)的思想有效的減少了細胞在中間構(gòu)型緩慢的排序操作，提高了重構(gòu)效率。

第二步：將初始構(gòu)型進行融化,形成中間構(gòu)型

目的是調(diào)整初始構(gòu)型，其目標是將可重構(gòu)航天器的初始構(gòu)型分解成中間構(gòu)型。中間構(gòu)型是由第一步得到的參考中間構(gòu)型形成的。具體操作如下。

找到初始構(gòu)型表面邊緣的一個非關(guān)節(jié)細胞作為起始搜索點，同時作為根細胞(root)。初始構(gòu)型每個細胞都由步驟1得到對應編號，選擇8號細胞作為起始搜索點。對初始構(gòu)型進行廣度優(yōu)先搜索，找到與8號根細胞距離最遠的非關(guān)節(jié)細胞，將找到的細胞移動到根細胞的一端，其中虛線表示已經(jīng)移走的細胞。重復上述操作，并根據(jù)之前得到的細胞等級，把相同等級細胞放在一起形成一條“鏈條”形狀。參考中間構(gòu)型中包含幾個等級，中間構(gòu)型中要形成對應的多條“鏈條”。初始構(gòu)型中所有細胞全部移動到根細胞一側(cè)后，會形成多條“鏈條”。將多條“鏈條”按照裝配等級順序從高到低進行排序，排序后得到中間構(gòu)型。

在融化部分得到的中間構(gòu)型與分級部分得到的參考中間構(gòu)型是不完全相同的。兩個構(gòu)型的裝配等級是相同的，只是每層中細胞的排列順序不同，但這并不影響重構(gòu)策略的操作，由步驟1知，一個“鏈條”中的細胞等級相同，而等級相同的細胞在目標構(gòu)型里裝配等級相同。因此細胞依據(jù)自身的等級向中間構(gòu)型對應裝配等級移動，無需考慮相同等級細胞的排列順序，只需將他們依次連接成“鏈條”形狀即可。

第三步：由中間構(gòu)型進行構(gòu)型重構(gòu)，形成目標構(gòu)型

這一步的目的是將中間構(gòu)型重構(gòu)成最終的目標構(gòu)型。首先在中間構(gòu)型里找到擁有可移動細胞的裝配等級，并在其中找到編號最高裝配等級，對該裝配等級中的細胞進行重構(gòu)操作，根據(jù)在第一步中記錄的細胞運動路徑，將細胞移動到由生長點構(gòu)成的目標構(gòu)型中，依據(jù)步驟1中記錄的細胞在目標構(gòu)型中的連接關(guān)系和姿態(tài)信息，調(diào)整細胞位姿并與周圍待連接細胞進行連接。反復上述操作直到所有細胞移動到目標構(gòu)型，自重構(gòu)示意。