一种可机动飞网抓捕目标的碰撞位移和碰撞力计算方法

摘要

本发明涉及一种可机动飞网抓捕目标的碰撞位移和碰撞力计算方法，通过可机动单元携带的多种传感器来感知其受力、位移、速度等信息，再通过动力学得到飞网中心的碰撞位移与碰撞力。在此情况下，便可以对可机动单元进行路径规划和控制等研究，有利于目标的成功抓捕。本发明在飞网可机动单元中加入了测量力、位置和速度的传感器装置，通过可机动单元的动力学信息得到飞网中心的碰撞位移和碰撞力；并得到了碰撞位移和碰撞力的计算公式；可以用于之后的可机动单元路径规划和控制研究，有利于可机动飞网成功抓捕目标。

说明书

技术领域

本发明属于飞网捕获领域，涉及一种可机动飞网抓捕目标的碰撞位移和碰撞力计算方法，具体说是一种可机动飞网抓捕目标时的碰撞位移和碰撞力计算方法。

背景技术

飞网捕获是一种常见的抓捕方式，在飞网周边的四个节点配备可机动单元，可以扩大可机动飞网的抓捕范围，提高捕获的成功率，并可有效防止捕获目标时因碰撞、不规则变形等引起的飞网缠绕、反弹等问题，在空间飞网机器人清理轨道碎片、多无人机挂网拦截飞行物、多船拉网协作捕鱼等作业中具有重要意义。

在可机动飞网抓捕目标的过程中，对可机动单元的路径规划和控制是抓捕成败的关键之一。及时获取飞网的动力学信息有助于对可机动单元进行路径规划和控制，从而使飞网能有效的抓捕目标。

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，本发明提出一种可机动飞网抓捕目标的碰撞位移和碰撞力计算方法，不仅适用于规则单一物体的捕获，也适用于非规则复杂形貌物体和多个物体的捕获。

技术方案

一种可机动飞网抓捕目标的碰撞位移和碰撞力计算方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、包括飞网部分和可机动单元的可机动飞网的构型：飞网是10m×10m的正方形结构，其网格是20cm×20cm的正方形结构；四个可机动单元分别与飞网的四个角相连，可机动单元上设有确定可机动单元的受力、位置、速度的大小和方向的三维力传感器、全球定位系统、惯性传感器；

步骤2、可机动飞网的动力学模型：

其中，R_i表示惯性坐标系原点到质点的位置矢量，g表示重力加速度，F_ext表示其他外力之和；

飞网中每个质点的质量表示为：

其中，m是可机动单元的质量，ρ是飞网材料的密度，A是飞网的横截面积，l是未伸长的网格边长；

相邻质点间的系绳拉力表示为：

其中，式中，k是飞网绳段的弹性系数，其中k＝EA/l，E是飞网绳段材料的杨氏模量；d是飞网绳段的阻尼系数，其中ξ是飞网绳段材料的阻尼比。r_i和分别是相邻质点间的相对位置和速度；是单位方向向量；

步骤3、可机动单元的碰撞位移计算：r＝∑r_j

其中，r表示可机动飞网的碰撞位移；r_j表示第j个可机动单元对飞网中心产生的碰撞位移，j＝1,2,3,4；

所述rj根据计算；

其中，m_c表示飞网中心质点的质量；r_j表示第j个可机动单元对飞网中心产生的碰撞位移，j＝1,2,3,4；T_j1，T_j2分别是与飞网中心相连接的两段绳子上的拉力；

步骤4、可机动飞网的碰撞力计算：

其中，K为等效接触刚度系数，C为等效接触阻尼系数，r为可机动飞网的碰撞位移，为碰撞位移对时间的导数，n为指数，n≥1。

有益效果

本发明提出的一种可机动飞网抓捕目标的碰撞位移和碰撞力计算方法，通过可机动单元携带的多种传感器来感知其受力、位移、速度等信息，再通过动力学得到飞网中心的碰撞位移与碰撞力。在此情况下，便可以对可机动单元进行路径规划和控制等研究，有利于目标的成功抓捕。

本发明在飞网可机动单元中加入了测量力、位置和速度的传感器装置，通过可机动单元的动力学信息得到飞网中心的碰撞位移和碰撞力；并得到了碰撞位移和碰撞力的计算公式；可以用于之后的可机动单元路径规划和控制研究，有利于可机动飞网成功抓捕目标。

附图说明

图1为可机动飞网结构示意图；

图2为飞网中心碰撞位移计算示意图。

图3为可机动飞网捕获目标示意图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明所采用的技术方案包括以下步骤：

1)设计可机动飞网的构型和拓扑结构；

2)建立可机动飞网的动力学公式；

3)计算各个可机动单元的碰撞位移；

4)计算可机动飞网的碰撞位移；

5)计算可机动飞网的碰撞力；

如上所述的步骤1)中，可机动飞网的构型和拓扑结构表示如下：

可机动飞网由两部分构成：飞网部分和可机动单元部分，飞网是10m×10m的正方形结构，其网格是20cm×20cm的正方形结构，四个可机动单元分别与飞网的四个角相连，可机动单元上配备有三维力传感器、全球定位系统、惯性传感器，用以确定可机动单元的受力、位置、速度的大小和方向。

如上所述的步骤2)中，可机动飞网的动力学模型推导如下：

本专利中可机动飞网的动力学模型推导基于质点-弹簧阻尼杆的假设，即将飞网离散化为一系列质点，将可机动单元也视为质点，并将相邻质点间的绳段视为无质量的弹簧阻尼杆。

飞网中每个质点的质量表示为：

其中，m是可机动单元的质量，ρ是飞网材料的密度，A是飞网的横截面积，l是未伸长的网格边长。

相邻质点间的系绳拉力表示为：

其中，式中，k是飞网绳段的弹性系数，其中k＝EA/l，E是飞网绳段材料的杨氏模量；d是飞网绳段的阻尼系数，其中ξ是飞网绳段材料的阻尼比。r_i和分别是相邻质点间的相对位置和速度。是单位方向向量。

最终，根据牛顿第二定律得到绳网每个质点的动力学方程为：

其中，R_i表示惯性坐标系原点到质点的位置矢量，g表示重力加速度，F_ext表示其他外力之和，如环境中的干扰力、空气阻力。

如上所述的步骤3)中，各个可机动单元的碰撞位移计算如下：

计算可机动单元的碰撞力时，由于飞网受力与距离有关，只考虑与各个可机动单元相邻的四分之一的飞网部分，如图2所示，忽略环境中的干扰力和空气阻力等外力，根据式(2)和式(3)，可得：

其中，m_c表示飞网中心质点的质量；r_j表示第j个可机动单元对飞网中心产生的碰撞位移，j＝1,2,3,4；T_j1，T_j2分别是与飞网中心相连接的两段绳子上的拉力。

如上所述的步骤4)中，可机动飞网的碰撞位移计算如下：

r＝∑r_j>

其中，r表示可机动飞网的碰撞位移；r_j表示第j个可机动单元对飞网中心产生的碰撞位移，j＝1,2,3,4。

如上所述的步骤5)中，可机动飞网的碰撞力计算如下：

其中，K为等效接触刚度系数，C为等效接触阻尼系数，r为可机动飞网的碰撞位移，为碰撞位移对时间的导数，n为指数，n≥1。

本发明在飞网可机动单元中加入了测量力、位置和速度的传感器装置，通过可机动单元的动力学信息得到飞网中心的碰撞位移和碰撞力；并得到了碰撞位移和碰撞力的计算公式；可以用于之后的可机动单元路径规划和控制研究，有利于可机动飞网成功抓捕目标。