基于改进目标启发式的零部件高维空间刀路轨迹规划方法与流程

本发明涉及飞机装配，具体是指一种基于改进目标启发式的零部件高维空间刀路轨迹规划方法。

背景技术：

1、随着飞机自动化制孔技术的飞速发展，大量自动化设备被投入到飞机装配应用中。但从应用情况来看，绝大多数设备都被用于民用飞机大型机翼表面等开敞性好、操作空间较大的场景，在一些狭小空间结构装配中暂未发现有应用，如军机等中小型飞机制造中。

2、飞机机身、机翼等内部结构较为复杂，尤其是涉及军用飞机结构，其机身、机翼内部涉及大量加工任务，操作空间狭小，操作难度大，装配故障频发。现有自动化设备在该区域实现加工难度极大，主要体现在面对这种复杂的加工场景，现有软件算法无法进行高效准确的加工路线规划。因此，这种复杂场景对于算法的要求主要体现在如何解决安全、无碰撞、高效地实现所有任务的加工路线规划。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种能够快速高效的实现零部件在高维空间加工任务的规划的基于改进目标启发式的零部件高维空间刀路轨迹规划方法。

2、本发明通过下述技术方案实现：基于改进目标启发式的零部件高维空间刀路轨迹规划方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：进行环境建模，确定待加工零部件的待加工路径；

4、步骤s2：将确定零件的待加工路径进行离散化处理，生成三维离散点云数据；

5、步骤s3：针对生成的三维离散点云数据进行评价函数的设定；

6、步骤s4：进行三维离散点云数据的初始化；

7、步骤s5：根据设定的评价函数，对三维离散点云数据进行扩展搜索；

8、步骤s6：输出最终刀路轨迹；

9、步骤s7：结束搜索，将刀路轨迹输入到系统中处理生成设备的加工程序。

10、为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤s1中，通过三维建模软件进行建模，包括对待加工零部件进行三维建模，以及加工设备进行三维建模，进而形成整个零部件加工作业场景的环境建模，进而确定待加工零部件的待加工路径。

11、为了更好地实现本发明的方法，进一步地，步骤s3中，针对生成的三维离散点云数据进行评价函数的设定的具体内容包括：总体评价函数的设定、总体目标评价方式的设定、平移变换评价方式的设定、旋转变换评价方式的设定、设备奇异位形或运动超限评价方式。

12、为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述总体评价函数具体包括实际花费函数、启发式花费函数、引导函数；

13、所述实际花费函数，表示从起始点到当前节点的实际花费；

14、所述启发式花费函数，表示从当前节点到轨迹末端节点的启发式花费；

15、所述引导函数，表示设计用于避免设备在加工过程中靠近奇异位形或运动超限区域的花费。

16、为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述实际花费函数由平移花费和旋转花费的加权和组成；每一个成功的连接点的实际花费由其父节点的实际花费与从父节点到当前节点的和组成。

17、为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述平移变换评价方式的设定为：是根据任务轨迹的描述，轨迹被离散成一系列微小的片段，每个片段的长度和都是在欧几里得空间中计算的；轨迹的总长度是所有离散片段的长度之和；因此，平移花费的计算被定义为当前轨迹的长度。

18、为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述旋转变换评价方式的设定为：由于旋转空间是个多维的特殊正交群，在旋转变换花费的计算中，采用末端刀具的角度变换作为节点的旋转变换花费，介于两个不同的加工设备配置姿态下的旋转变换可以通过某一变换矩阵映射得到，因此，改进后的旋转变换花费被定义为由状态点绕着某一单位旋转轴旋转某一角度得到状态点。

19、为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤s4，进行三维离散点云数据的初始化的具体过程为：将搜索初始点放入扩展首选的点集中，并将扩展过程中已经访问过的点集设置为空集。

20、为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤s5中，根据设定的评价函数，对三维离散点云数据进行扩展搜索的具体过程为：

21、步骤s51：判断扩展首选的点集是否为空集，如果为空集，则结束搜索，直接输出最终刀路轨迹；

22、步骤s52：若扩展首选的点集不为空集，则依据设定的评价函数在扩展首选的点集中寻找总花费最小的点；

23、步骤s53：判断总花费最小的点否为最后一个点，如果为最后一个点 ，则结束搜索，直接输出最终刀路轨迹；

24、步骤s54：计算设备在到达总花费最小的点时的位置和姿态 ，并根据设备的位置和姿态，对设备的每一个待扩展节点通过逆向运动学计算得到设备的运动轨迹点；

25、步骤s55：判断设备的运动轨迹点是否在扩展过程中已经访问过的点集中，如果在则跳转至步骤s54；如果不在，则判断是否在扩展首选的点集中；如果不在，则基于设备的运动轨迹点确认其总花费是否为无穷，如果成立，则跳转至步骤s54；

26、步骤s56：通过环境建模建立的场景判断从设备从总花费最小的点到设备的运动轨迹点的过程中是否发生碰撞，如果未发生碰撞，则计算设备的运动轨迹点新的实际花费；如果发生碰撞则跳转至步骤s54；

27、步骤s57：判断设备的运动轨迹点的新的实际花费是否小于原有设备的运动轨迹点的实际花费，如果满足，则根据评价函数更新总的花费，并将设备的运动轨迹点加入到扩展首选的点集的集合中；如果不满足，则跳转至步骤s54；

28、步骤s58：更新扩展过程中已经访问过的点集与扩展首选的点集，将设备运动轨迹点的总花费最小的点从扩展首选的点集中剔除，并将设备运动轨迹点的总花费最小的点加入至扩展过程中已经访问过的点集中。

29、本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

30、（1）本发明相较于传统的搜索算法，该方法考虑了设备加工过程中的安全避障避奇异需求，引入了引导函数，确保加工过程中的安全规划；

31、（2）本发明采用由于高维搜索空间，而非欧几里得空间，因此重新定义了高维空间的实际花费评价方式和启发式花费评价方式，克服现有零部件加工过程中受复杂结构影响导致加工过程规划耗时、规划效率不高等问题；

32、（3）本发明不但适用于加工场景为连续轨迹的加工规划，还适用于场景为点到点的轨迹完全快速规划，能够快速高效的实现零部件在高维空间加工任务的规划，适宜广泛推广应用。

技术特征：

1.基于改进目标启发式的零部件高维空间刀路轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于改进目标启发式的零部件高维空间刀路轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤s1中，通过三维建模软件进行建模，包括对待加工零部件进行三维建模，以及加工设备进行三维建模，进而形成整个零部件加工作业场景的环境建模，进而确定待加工零部件的待加工路径。

3.根据权利要求1或2所述的基于改进目标启发式的零部件高维空间刀路轨迹规划方法，其特征在于，步骤s3中，针对生成的三维离散点云数据进行评价函数的设定的具体内容包括：总体评价函数的设定、总体目标评价方式的设定、平移变换评价方式的设定、旋转变换评价方式的设定、设备奇异位形或运动超限评价方式。

4.根据权利要求3所述的基于改进目标启发式的零部件高维空间刀路轨迹规划方法，其特征在于，所述总体评价函数具体包括实际花费函数、启发式花费函数、引导函数；

5.根据权利要求4所述基于改进目标启发式的零部件高维空间刀路轨迹规划方法，其特征在于，所述实际花费函数由平移花费和旋转花费的加权和组成；每一个成功的连接点的实际花费由其父节点的实际花费与从父节点到当前节点的和组成。

6.根据权利要求4所述基于改进目标启发式的零部件高维空间刀路轨迹规划方法，其特征在于，所述平移变换评价方式的设定为：是根据任务轨迹的描述，轨迹被离散成一系列微小的片段，每个片段的长度和都是在欧几里得空间中计算的；轨迹的总长度是所有离散片段的长度之和；因此，平移花费的计算被定义为当前轨迹的长度。

7.根据权利要求4所述基于改进目标启发式的零部件高维空间刀路轨迹规划方法，其特征在于，所述旋转变换评价方式的设定为：由于旋转空间是个多维的特殊正交群，在旋转变换花费的计算中，采用末端刀具的角度变换作为节点的旋转变换花费，介于两个不同的加工设备配置姿态下的旋转变换可以通过某一变换矩阵映射得到，因此，改进后的旋转变换花费被定义为由状态点绕着某一单位旋转轴旋转某一角度得到状态点。

8.根据权利要求1或2所述的基于改进目标启发式的零部件高维空间刀路轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤s4，进行三维离散点云数据的初始化的具体过程为：将搜索初始点放入扩展首选的点集中，并将扩展过程中已经访问过的点集设置为空集。

9.根据权利要求5所述的基于改进目标启发式的零部件高维空间刀路轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤s5中，根据设定的评价函数，对三维离散点云数据进行扩展搜索的具体过程为：

技术总结本发明公开了基于改进目标启发式的零部件高维空间刀路轨迹规划方法，包括以下步骤：步骤S1：进行环境建模，确定待加工零部件的待加工路径；步骤S2：将确定零件的待加工路径进行离散化处理，生成三维离散点云数据；步骤S3：针对生成的三维离散点云数据进行评价函数的设定；步骤S4：进行三维离散点云数据的初始化；步骤S5：根据设定的评价函数，对三维离散点云数据进行扩展搜索；步骤S6：输出最终刀路轨迹；步骤S7：结束搜索，将刀路轨迹输入到系统中处理生成设备的加工程序。本发明克服现有零部件加工过程中受复杂结构影响导致加工过程规划耗时、规划效率不高等问题，其能够快速高效的实现零部件在高维空间加工任务的规划。技术研发人员：高文翔,王聪,位浩杰,牟苓茜,张亚丹,张立新,卢大伟,崔丙波,温凌锋,薛佳正受保护的技术使用者：成都飞机工业（集团）有限责任公司技术研发日：技术公布日：2024/7/4