学术研究报告：面向蜂窝卫星的自主重构规划策略

一、研究团队与发表信息
本研究的通讯作者为西北工业大学航天学院的Panfeng Huang（IEEE高级会员），第一作者为Yizhai Zhang（IEEE会员），合作者包括Wenhui Wang、Jinghan Sun和Haitao Chang。研究发表于IEEE Access期刊（2019年1月，卷7），DOI编号为10.1109/ACCESS.2018.2888588。研究得到中国国家杰出青年科学基金（61725303）、国家自然科学基金（61873204）和中央高校基本科研业务费（3102017JG02005）的资助。

二、学术背景与研究目标
传统卫星系统存在研发周期长、成本高、功能单一等问题，难以适应未来航天任务快速响应和多任务需求。蜂窝卫星（Cellular Satellite）作为一种新型空间系统架构，通过将卫星分解为标准化、功能独立的单元细胞（Unit Cell），在轨重组以实现任务灵活性。然而，现有研究多集中于单元设计，缺乏对自主重构（Self-Reconfiguration）策略的系统探索。本研究旨在提出一种基于组装细胞（Assembling Cell）的规划策略，解决异构单元在轨重构的路径规划与运动控制问题，最终实现蜂窝卫星从任意初始形态到目标形态的自主演化。

三、研究方法与流程
1. 问题定义与约束条件
- 研究对象：西北工业大学设计的蜂窝卫星系统，包含两类单元细胞：
- 基础细胞（Basic Cell）：立方体，六面均含标准接口（如控制器、导航单元）。
- 专用细胞（Specialized Cell）：至少一个功能面（如推进器喷嘴、太阳能板）。
- 核心约束：
- 仅允许使用一个组装细胞（四连杆对称机械臂）辅助重构；
- 所有单元必须始终与主体连接，避免自由漂浮；
- 需最小化移动步骤以避免空间碰撞。

1. 组装细胞设计

   • 机械结构：四连杆对称机械臂，两端配备标准接口，支持三种运动模式：
     
     • 爬行（Crawling）：通过交替吸附接口移动；
       
     • 携带（Carrying）：运输单个单元细胞；
       
     • 多细胞操纵（Manipulating）：调整多个单元的相对位置。
       
   • 运动学模型：基于坐标系变换（式1）和逆运动学方程（式2-10），计算关节旋转角度（θ₁–θ₅）。
     

2. 自主重构算法框架

   • 任务规划（Task Planning）：
     
     • 分类（Classifying）：通过广度优先搜索（BFS）分析目标构型，生成优先级层次（L₀–Lₙ），并设计中间构型（二维链式结构）。
       
     • 熔解（Melting）：从初始构型表面单元（cₛ）开始，逐步拆解为中间构型。
       
     • 排序（Sorting）：通过类似“汉诺塔”的交换操作调整单元顺序，形成相似中间构型（Iₛ）。
       
     • 生长（Growing）：按优先级将单元组装为目标构型。
       
   • 路径规划（Path Planning）：基于Dijkstra算法，为组装细胞搜索从起点（pₛ）到终点（pₜ）的最短可行路径（τ），考虑接口可达性（工作空间集W_w/W_c）。
     
   • 关节规划（Joint Planning）：通过五次多项式插值轨迹和逆运动学模型，控制组装细胞分阶段完成对接、移动和分离动作。
     

3. 仿真验证

   • 环境搭建：基于Unity 3D开发高保真仿真平台。
     
   • 案例测试：
     
     • 案例1（16单元）：66次移动操作完成重构；
       
     • 案例2（28单元）：138次操作；
       
     • 案例3（128单元）：586次操作（效率随单元数量下降）。
       

四、研究结果与逻辑链条
1. 任务规划有效性：通过中间构型桥接，解决了异构单元在三维空间中的顺序冲突问题。例如，案例1中初始构型（图13a）经熔解、排序后形成链式Iₛ（图13d），最终成功构建目标构型（图13f）。
2. 路径规划鲁棒性：组装细胞在复杂构型中（如案例3的128单元）仍能找到可行路径，但需多次中转接口（图11）。
3. 关节控制精度：逆运动学模型（式2-10）支持多解选择，避免机械臂自碰撞。例如，图12所示的爬行轨迹分三阶段（分离、移动、对接），确保了接口精准吸附。

五、结论与价值
1. 科学价值：
- 提出首个针对蜂窝卫星的完整重构规划框架，填补了异构模块机器人自主重构的理论空白。
- 通过组装细胞与分层任务规划，解决了单元无自主移动能力的核心限制。
2. 应用价值：
- 为未来模块化卫星的快速任务切换（如从通信转为遥感）提供技术支撑；
- 可扩展至其他异构模块机器人系统（如地面服务机器人）。

六、研究亮点
1. 创新方法：
- 结合熔解-排序-生长的任务规划策略，显著降低复杂构型的计算复杂度；
- 组装细胞的对称设计与多模式运动能力，兼顾灵活性与可靠性。
2. 局限性：单组装细胞效率受限，未来需研究多细胞协同重构。

七、其他发现
仿真中发现，专用细胞的功能面朝向需在路径规划中优先考虑（如太阳能板需外露），这一约束通过终端接口选择策略（第IV-C节）得到有效解决。