索杆张力结构形态控制中的路径规划问题研究

In the shape control of cable-strut structures, the system must move along a stable and collision-free path. Previous researches are based on the assumptions of simple symmetrical configurations and single-step control, the feasibility of the path being not considered (i.e. without path planning). These works cannot handle more general and complicated problems of shape control. This project focuses on the path planning problem in the shape control of cable-strut structures. Emphases will put on the mathematical model of the path planning problem, path planning algorithms and collision detection. It is aim to establish a full mathematical model for the path planning problem in the shape control of cable-strut structures, develop a general solving strategy for the problem, propose practical algorithms for collision checking of configurations and collision detection of paths, verify the proposed schemes by numerical simulation and test and investigate the characteristics of the path planning of typical cable-strut structures. The project will do an essential contribution to the shape control theory, and advance the shape analysis technology. It will also supply a basis for the novel application of cable-strut structures in the multi-discipline areas.

索杆张力结构在形态控制过程中必须沿着一条稳定的、无障碍的运动路径才能到达目标状态。已有的研究建立在简单对称构型、单步控制等假定之上，未考虑运动路径的可行性（未进行路径规划），无法处理更一般的、复杂的形态控制问题。本项目针对索杆张力结构形态控制中的路径规划问题展开研究，重点突破索杆张力结构运动路径规划的理论模型、求解方法、碰撞侦测三个方面的理论与方法难点，构建索杆张力结构运动路径规划的完整理论模型，建立索杆张力结构运动路径规划的通用求解策略，发展索杆张力结构运动路径碰撞判断与碰撞侦测的实用算法，实现索杆张力结构的形态控制运动路径规划的仿真模拟与试验，揭示典型索杆张力结构的运动路径规划特性。本项目的研究将完善与深化索杆张力结构的形态控制理论，促进形态分析技术向精细化、高效化的方向发展；为索杆张力结构在各个交叉学科领域的创新应用提供基础理论与方法支撑。

索杆张力结构（泛张拉整体结构）在形态控制过程中必须沿着一条稳定的、无障碍的运动路径才能到达目标状态。已有的研究建立在简单对称构型、单步控制等假定之上，未考虑运动路径的可行性（未进行路径规划），无法处理更一般的、复杂的形态控制问题。本项目针对索杆张力结构形态控制中的路径规划问题展开研究，重点突破索杆张力结构形态控制的路径规划的数学模型、求解方法、碰撞侦测三个方面的理论与方法难点。提出了索杆张力结构运动路径规划的通用理论模型，将位移/内力控制、展开控制、张拉成形控制、步态控制等问题均统一到路径规划的框架下；建立了基于双向快速扩展随机树算法的索杆张力结构路径全局规划方法，同时适用于几何空间与作动空间的形态控制过程描述；发展了索杆张力结构运动路径碰撞判断与碰撞侦测的实用算法，兼顾了计算效率和精度；实现了多种形态可控索杆张力结构的路径规划仿真分析与试验验证，揭示了典型索杆张力结构运动路径规划场景的特征；研发了多种基于索杆张力结构形态可控性的新型结构体系。本项目的研究完善与深化了索杆张力结构的形态控制理论，解决了索杆张力结构形态控制路径规划的理论模型与求解方法问题，为利用索杆张力结构的形态可控性以及发展基于索杆张力结构形态可控性的新型结构体系提供了基本理论与方法，为索杆张力结构在各个交叉学科领域的创新应用提供支撑。