航天员论文：航天员建模与仿真办法探索.doc

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1、航天员论文：航天员建模与仿真办法探索本文作者：李昊李东旭陈善广工作单位：中国航天员科研训练中心人因工程国防科技重点实验室理论与方法基础虽然航天员舱外作业动力学具有特殊的物理背景，并且非常复杂，但究其本质，仍然符合普遍意义下的运动学和动力学规律，这些基本规律，构成了本文的研究基础。非惯性系中的相对动力学根据动坐标系中对矢量求导的运算，有:(3)其中，n二U/R3S姨为航天器平均轨道角速度，Aax,△ay,Aaz分别为在相对轨道坐标系中的分量。式(3)描述了舱外航夭员在与航天器固连的非惯性系中的动力学规律。多刚体动力学多刚体动力学研究中通常使用的方法包括：

2、牛顿一欧拉法、拉格朗口法和凯恩法。文献［9］对这些方法进行了比较。事实上，这些方法所建立方程中的运动变量可以通过数学变换证明是等价的［10］。换句话说，从数学角度，这些方法只是表达形式的不同，没有本质区别；其主要不同在于方程在物理意义上的差异。由于着舱外航天服航天员多刚体模型的体段和关节较多，关节类型复杂，连接结构复杂，使用复杂的动力学方法难以给出其运动规律的直观解释，也不便用仿真实现，因此使用物理意义最为明确的牛顿一欧拉法建模。牛顿一欧拉法可以用如下方程组进行描述(4)其中，下标i表示体段编号，mi和Ti分别表示体段i的质量和惯量张量；第一个方程为牛

3、顿方程，描述了该体段的平动动力学，第二个方程为欧拉方程，描述了该体段的转动动力学。通过对系统中每个刚体的平动和转动的迭代或回归计算，就可以描述整个多刚体系统的动力学。对于式(4),若沿等号由左至右计算，则为正向动力学，若沿等号由右至左计算，则为逆向动力学。在实际应用中，通常根据已知条件和求解需要，选择正向动力学或逆向动力学解算。动力学建模非惯性动力学环境建模根据节的分析可以发现，在以航天器为非惯r咬•图1着舱外航天服航天员的几何模型在该模型性动力学环境中，舱外作业航天员作为研究对象，时时受到非惯性环境的影响，因此，需要对一般在惯性环境中适用

4、的动力学方程进行修改。修改后的牛顿一欧拉法所用的动力学方程变为：(5)其中，F$Lt,C表示非惯性环境产生的牵连惯性力和科氏惯性力之和，h轧为该体段其质心到转轴的矢量。按上述模型，将非惯性环境对舱外航天员的影响进一步转化为一组时变的外力和外力矩的作用，能够大大简化整个系统动力学模型的复杂程度。着舱外航天服航天员动力学建模首先建立着舱外航天服航天员体段-关节的几何模型。在传统Hanavan人体模型的基础上，结合着舱外航天服航天员的运动特点，建立几何模型如图1所示。图中，小圆圈表示各体段之间的关节，小圆圈内的数字表示该关节的自由度数，该模型是一个具有16个

5、体段、37个自由度的多刚体模型。在上述基础上做进一步分析，可建立如图2所示的拓扑结构模型。这是一个有向无环图，能够支持文献所提出的动力学分析方法。任一体段的物理模型L定义为如下8元式：L=<ID,CG,m,IT,shape,scale,NoJ,PoJ>(6)其中：ID是该体段的编号；CG是该体段的质心坐标；m是该体段的质量;IT是该体段的惯量张量，用一个3X3矩阵表示，研究中为了简化，一般只取其惯量主轴方向的值，即转动惯量，因此这里的IT为一对角阵；shape表示该体段的形状;scale表示该体段的大小；NoJ表示与该体段连接的关节的数目；

6、PoJ表示与该体段连接关节的位置。根据对L的形式化表示，就可在仿真模型中为着舱外航天服的航天员各体段的物理参数。任一关节的物理模型J定义为如下7元式：J=<ID,DOF,B,F,position,orientation,range>(7)其中，ID是该关节的编号；DOF是该关节的自由度数；B是该关节所连接的基准体段；F是该关节连接的从属体段；position是该关节的位置坐标,可以灵活地选取局部基准坐标系或B的体段坐标系作为参考坐标系；orientation是该关节的方向表示，通常以B的体段坐标系为参考坐标系;range表示该关节每个自由度

7、的取值范围。根据对J的形式化表示，就可在仿真模型中为着舱外航天服的航天员各关节的物理参数。航天服约束力建模舱外航天服除了对航天员的质量和运动属性影响外，由于舱外航天服织物的作用，以及航天服工作状态下内外压强差的存在，导致航天服对航天员各关节的力/力矩表现出一种“迟滞”现象［H］,如图3所示。针对这种“迟滞”现象，目前有许多模型可供使用，如表lo在上述模型的基础上，深入分析舱外航天服的约束力特性，提出一种基于历史信息的加权模型［4］,表示为：其中，丁表示舱外航天服的约束力矩，a表示与约束力矩相对应方向的自由度的关节角，集合｛Qi｝表示a的历史信息，集合｛

8、Bj｝表示其它自由度方向的关节角信息，qa,b为权值，通过物理实验，参数分析等途径获得。使用此