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双电机驱动微重力模拟系统研究

双电机驱动微重力模拟系统研究

作者：王玉新天津大学

学位级别：硕士

随着深空探测技术的发展,为航天器提供地面试验环境的微重力模拟技术变得愈加重要。在多种微重力环境模拟方法中,悬吊法由于其结构相对简单、控制精度高的优点,被广泛研究并应用于实际工程中。本文针对航天器的微重力模拟问题,设计了一... 详细信息

随着深空探测技术的发展,为航天器提供地面试验环境的微重力模拟技术变得愈加重要。在多种微重力环境模拟方法中,悬吊法由于其结构相对简单、控制精度高的优点,被广泛研究并应用于实际工程中。本文针对航天器的微重力模拟问题,设计了一种基于主动悬吊法的双电机驱动微重力模拟系统,并提出了双电机控制策略和具体控制器的设计方法,实现竖直方向的恒张力控制。首先,本文设计了双电机驱动方案,并进行性能分析和数学建模。随后针对微重力模拟系统中对控制性能影响较大的两个主要因素进行了分析并提出解决方法。为解决机械结构中存在的机械谐振问题,采用选型和选材方法提高机械谐振频率,使系统工作频率远离谐振段;对于机械传动装置中广泛存在的高度非线性摩擦干扰,采用动态摩擦模型描述并进行补偿。接着简单介绍了滑模控制理论基础。其次,为实现微重力模拟系统竖直方向的恒张力控制,设计了双电机控制策略,大电机直接采用力矩模式进行恒转矩控制,小电机通过拉力闭环进行位置控制,补偿经过缓冲弹簧后的剩余干扰。为充分且精确补偿机械系统中存在的摩擦力矩,采用了基于改进后Lu Gre动态摩擦模型的双状态观测器对其进行观测并补偿,并对模型中的多个动态参数设计自适应律以实现在线更新。对于小电机控制器,本文设计了一种含双状态观测器的非奇异快速终端滑模自适应(ANFTSM)控制算法进行拉力补偿,并根据Lyapunov稳定性理论证明了算法的稳定性,通过仿真验证了算法的有效性,实现系统的高精度控制。最后,搭建了以DSP和机械结构为核心的实验平台,并给出具体机械设备选型。在斜坡位置扰动和正弦位置扰动两种外界干扰信号下对双电机驱动微重力模拟系统进行了实验,验证了本文所设计微重力模拟系统的有效性,并通过与经典PID和传统线性滑模的对比进一步验证了本文所设计控制策略在控制精度方面的优越性。

关键词：微重力模拟双电机驱动动态摩擦补偿非奇异快速终端滑模自适应控制

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混合磁悬浮式月球车微重力模拟系统研究

混合磁悬浮式月球车微重力模拟系统研究

作者：李冬生燕山大学

学位级别：硕士

当前重力补偿系统广泛应用于星球车地面行走、太阳翼展开、空间机械臂运动、航天器对接等多个领域。借助重力补偿系统开展地面实验,能够模拟航天器地外工作状态,验证设计可行性,降低经济损失。本文针对月球车行走实验特点,分析现有重力... 详细信息

当前重力补偿系统广泛应用于星球车地面行走、太阳翼展开、空间机械臂运动、航天器对接等多个领域。借助重力补偿系统开展地面实验,能够模拟航天器地外工作状态,验证设计可行性,降低经济损失。本文针对月球车行走实验特点,分析现有重力补偿方法的不足,提出一种基于磁悬浮原理的重力补偿系统,并开展相关研究。主要工作如下:首先,设计主被动复合式磁悬浮重力补偿系统。为满足月球车行走实验需求,对重力补偿系统进行总体设计和功能划分。针对磁悬浮随动组件,根据线性叠加原理建立混合式磁悬浮电磁铁气隙磁场方程,通过仿真实验分析电磁铁磁场性能。对于被动恒力组件,基于力矩平衡法和行程需要求解凸轮轮廓方程,通过ADAMS仿真实验分析恒力输出精度。其次,建立重力补偿系统运动学与动力学模型。分别基于D-H法和地形坐标法建立月面地形输入与电磁铁气隙变化的关联模型,利用ADAMS进行仿真实验校验模型可靠性。根据拉格朗日法建立重力补偿系统动力学模型,通过对模型简化实现系统各组件控制解耦。分析重力补偿系统干扰力来源,建立干扰力模型。通过对比模拟环境与月球环境下的轮心约束力,分析重力补偿系统对月球车的影响。再次,设计磁悬浮随动稳定悬浮控制系统和主动恒力控制系统,并进行仿真实验。针对系统稳定气隙控制要求,利用磁路分析法建立混合式电磁铁磁吸力模型,进而对磁悬浮随动组件进行动力学建模,结合回路电压方程建立稳定悬浮控制模型,利用反馈线性化实现多电磁铁系统解耦控制,通过仿真实验分析控制系统的工作性能。主动恒力组件控制包含调整电机转角控制与电动推杆恒力控制两部分,对于前者建立电机位置控制模型,后者则借助模糊PID算法进行恒力控制器设计,通过力、位混合控制实现推杆恒力输出,借助仿真实验分别分析电机角度输出和推杆拉力输出精度。最后,开展磁悬浮系统性能验证实验。对比分析电磁铁磁吸力实验结果与计算结果,修正磁吸力模型。开展空载、加载磁悬浮实验,验证稳定悬浮控制系统的可行性,为后续搭建完整的重力补偿系统提供基础。

关键词：重力补偿微重力模拟磁悬浮被动恒力解耦控制恒力控制

基于悬吊法和气浮法的多自由度微重力模拟展开试验系统研究

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工程设计学报 2020年第4期27卷 508-515页

作者：李海月程泽赵丹妮王浩威李德勇张加波宋晓东赵琳娜北京卫星制造厂有限公司北京100094 北京空间飞行器总体设计部北京100094 北京理工大学宇航学院北京100081

为满足三维空间展开机械臂在进行地面微重力模拟展开试验时对多维度、多自由度、高精度展开轨迹和高卸载效率的要求,通过对当前成熟的微重力模拟展开试验方法进行分析总结,设计了一种基于悬吊法和气浮法的多自由度微重力模拟展开试验系... 详细信息

为满足三维空间展开机械臂在进行地面微重力模拟展开试验时对多维度、多自由度、高精度展开轨迹和高卸载效率的要求,通过对当前成熟的微重力模拟展开试验方法进行分析总结,设计了一种基于悬吊法和气浮法的多自由度微重力模拟展开试验系统。首先,对所设计的多自由度微重力模拟展开试验系统进行结构设计和原理分析;然后,将多自由度微重力模拟展开试验系统应用于某三维空间展开机械臂的三维轨迹微重力模拟展开试验。结果表明该三维空间展开机械臂展开过程稳定可靠,且微重力模拟展开试验系统对机械臂产生的气浮运动摩擦阻力、垂直方向阻力波动量和展开方向附加阻力均很小,卸载效率高于95%,满足高精度和高卸载效率的展开要求。研究结果可为多自由度空间可展开机构地面模拟展开试验系统的深入研究提供一定的参考。

关键词：悬吊法气浮法多自由度高卸载效率微重力模拟

六自由度微重力模拟平台的构型优化和控制方案研究

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六自由度微重力模拟平台的构型优化和控制方案研究

作者：蒋延杰南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着航天技术水平的不断发展和提高,各种航天设备的工作要求也变得愈加复杂而精细。由于受力环境的不同,航天设备在宇宙太空中的动力学特性与在地球表面截然不同,因此,为了保证航天设备在轨运行的可靠性,需要对航天设备所处的微重力力... 详细信息

随着航天技术水平的不断发展和提高,各种航天设备的工作要求也变得愈加复杂而精细。由于受力环境的不同,航天设备在宇宙太空中的动力学特性与在地球表面截然不同,因此,为了保证航天设备在轨运行的可靠性,需要对航天设备所处的微重力力学环境进行模拟。本文针对国内外不同类型的微重力模拟方式做了分析对比,总结了各种模拟方式的优缺点,并据此提出了以六维Stewart构型为基本机构形式的半物理仿真系统,进而模拟空间六维的微重力环境。为了对机构设计、尺寸优化以及控制策略分析提供理论依据,对微重力模拟试验平台的反向运动学进行了分析计算,然后采用凯恩方法建立了该平台的逆向动力学模型,并将动力学的计算结果以成矩阵的形式表达,进而提升计算效率。编写了相应的动力学计算程序,并进行了相关的仿真验证。根据微重力实验平台最小工作范围、高精度和高负载的要求,提出了球形工作空间半径、全局灵巧度和全局负载指数这三个目标函数。为了保证平台运动性能和动态特性与结构尺寸的量纲无关,对平台雅可比矩阵进行了无量纲化操作。针对三个性能指标,采用多目标进化算法NSGA-2对平台的构型参数进行了优化。微重力模拟主要原理是通过力传感器测量实验物体受到的外力和外力矩,并据此实时计算模拟目标在此负载下的运动规律,然后驱动六自由度平台来复现此运动规律。为了实现高负载,高精度的微重力模拟,提出了采用气缸与电机滚珠丝杠并联作为六维微重力平台支腿的方案。其中,气缸主要负责补偿实验物体的重力,电机驱动滚珠丝杠来实时控制整个平台的跟随运动。对六维微重力模拟试验平台单支腿的控制策略进行了相关的研究分析。通过计算支腿气动压力控制系统的非线性方程,在MATLAB/Simulink完成气动压力系统搭建。对支腿的气动压力系统分别采取PID与模糊PID控制方法进行了仿真、分析、对比,验证了模糊PID对气压控制的有效性。最后,对电机滚珠丝杠进行初步的仿真验证,初步验证了气缸与滚珠丝杠并联的支腿系统实现微重力模拟的可行性。

关键词：微重力模拟 Stewart平台并联驱动动力学多目标优化 NSGA-2 压力控制模糊PID

基于电气联合驱动微重力模拟平台的分析及控制研究

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基于电气联合驱动微重力模拟平台的分析及控制研究

作者：杨宇轩南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着航天技术的发展与进步,空间探测方面已经成为航天领域未来发展的重要方向之一。为了确保航天设备具备良好的动力学性能以及较好的控制精度,在地面对其进行微重力模拟实验验证必不可少。因此,对相关实验系统的研究和探索十分重要。... 详细信息

随着航天技术的发展与进步,空间探测方面已经成为航天领域未来发展的重要方向之一。为了确保航天设备具备良好的动力学性能以及较好的控制精度,在地面对其进行微重力模拟实验验证必不可少。因此,对相关实验系统的研究和探索十分重要。本文在课题组已完成的微重力平台尺度综合、力学性能分析的基础上,对平台的工作空间和雅可比矩阵的对称性以及单轴电气联合驱动的建模与控制策略进行了研究。研究内容主要分为四个部分。第一部分针对Stewart机构进行分析。提出了“对称形式的Stewart机构具有对称的工作空间和雅可比矩阵”的观点。为了证明此观点,首先推导了机构的逆运动学和雅可比矩阵。其中,采用修正的欧拉角描述末端执行器的姿态不仅可以直观地表述平台的转动能力,也能有利于定义对称位姿,使其工作空间以及雅可比的对称性显现出来。然后通过数学推导和实际算例证明在对称位姿对应的关节变量存在置换关系并且具有奇异值相等的雅可比矩阵。为此机构以及其他类似机构在分析与优化计算利用对称性提高计算效率提供理论依据。第二部分为单轴电气联合驱动器样机设计与气动部分的建模和标定。单轴驱动的设计与精确力控制是实现六维微重力模拟的基础。电、气两部分采用并联方式联接,将气动的大负载能力和电机的高控制精度进行优势互补。采用高速开关阀作为气压阀控系统的执行元件,对单轴样机的气动部分的模型进行简化并进行参数标定。第三部分为气压控制研究。将积分型线性自抗扰控制应用于阀控气压控制系统中。此算法通过在线性自抗扰的基础上增加一个积分环节来增加系统收敛速度,减少稳态误差。在MATLAB/SIMULINK搭建控制器和气动系统的模型进行气压控制算法的仿真,并在实际系统中进行实验。仿真和实验结果相符,均显示积分型线性自抗扰控制能达到较好的恒压控制效果,同时表明基于高速开关阀控的低成本气压控制系统也能实现较高的控制精度。第四部分进行了单轴电气联合驱动的微重力模拟的仿真和实验。对微重力下负载受恒力作用的匀加速运动进行模拟,仿真结果显示系统能实现良好的控制效果。实验结果表明联合驱动实现理想加速度约90%的平均加速度。联合驱动提高了系统的负载能力,消除了负载对电机最大转速的影响,验证了联合驱动方案的可行性和有效性。

关键词：微重力模拟 Stewart平台对称性气压控制高速开关阀线性自抗扰联合驱动

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六维微重力模拟实验平台控制策略研究

六维微重力模拟实验平台控制策略研究

作者：王灵禺南京航空航天大学

学位级别：硕士

在航天设备进入外太空执行在轨任务之前,科学且充分的地面模拟实验必不可少,对微重力模拟系统的研究已经成为航天技术发展计划的重要组成部分。本文采用电-气联合的驱动方式,研究了一种基于半物理仿真技术的微重力模拟实验系统,开展了... 详细信息

在航天设备进入外太空执行在轨任务之前,科学且充分的地面模拟实验必不可少,对微重力模拟系统的研究已经成为航天技术发展计划的重要组成部分。本文采用电-气联合的驱动方式,研究了一种基于半物理仿真技术的微重力模拟实验系统,开展了系统建模、并联机构实时正解、电-气联合控制方法等关键技术的研究工作:首先,为了构建半物理仿真中必要的数学模型,对微重力模拟平台所使用的Stewart并联机构进行了运动学和动力学分析。在运动学方面,重点对比分析了三种并联机构实时正解的方法,实现了基于MATLAB的数值仿真,并且从计算精度、时间复杂度两个方面对三种正解方法进行了对比。使用Eigen开源库开发了算法的C++程序,比较正解算法在C++形式下的运算性能,在精度皆满足要求的前提下,查表法以260.3μs的最短运行时间被建议作为本系统所使用的实时正解方案,为提高微重力模拟平台性能提供了保证。又使用了Newton-Euler方法对Stewart并联机构构建了动力学模型,采用SimMechanics工具包进行了模型正确性验证,为实现半物理仿真中的软件仿真环节提供了理论依据。对于本文所研究的并联平台采用六分支电-气联合的驱动方式,围绕该种驱动形式,对气动压力控制系统和电动位置控制系统分别进行了控制器的设计。使用Shearer方程构建了以高速开关阀为基础的气动系统模型,针对永磁同步电机和滚珠丝杠构成的电动伺服系统进行建模。针对气动系统工作时受到气缸体积变化干扰的问题,采用线性自抗扰控制进行压力跟踪,相比PID控制缩短了48.8%的调节时间,减少了23%的超调量,受到干扰之后的收敛速度提高了约一倍。又针对位置控制中的滞后问题,使用速度前馈的方法对电动系统进行位置控制,相比于无速度前馈的三环控制,精度提高了37.12%。最后,以半物理仿真技术为核心设计了微重力模拟总体控制的流程和思路,并且进行了单轴的微重力模拟实验和平台整体的模拟仿真。结果表明,若忽略气缸出力中摩擦力的作用,则可以认为气动输出力完全抵消了负载的重力,很好地实现并联机构完成六维地面微重力模拟的目标。其次,在保证运动精度的条件下,气动子系统对于10kg负载可以承担约85%的静态载荷以及约60%的动态载荷,对于20kg负载可以承担约60%的静态载荷以及约50%的动态载荷,因此,电-气联合驱动在驱动能力相同的情况下,相比纯电机驱动,可以选用较小规格的电机,使得基于并联机构的机器装备体积小,成本低。

关键词：微重力模拟半物理仿真 Stewart机构正向运动学电-气联合驱动

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空间机械臂地面微重力模拟系统研究与实现

空间机械臂地面微重力模拟系统研究与实现

作者：曲春成哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着太空探索的发展，空间机械臂研究和应用日益增多，在空间站建立、维护、卫星回收等方面发挥着重要作用。为保证机械臂在轨服务的可靠性，需要在地面模拟太空微重力环境，进行相关试验测试。为此，本文结合空间机械臂地面试验的要求... 详细信息

随着太空探索的发展，空间机械臂研究和应用日益增多，在空间站建立、维护、卫星回收等方面发挥着重要作用。为保证机械臂在轨服务的可靠性，需要在地面模拟太空微重力环境，进行相关试验测试。为此，本文结合空间机械臂地面试验的要求，对机械臂微重力模拟系统进行了研究，分析了系统误差，并开展实验验证了误差分析理论和微重力模拟效果。综合各种微重力模拟方法的优缺点，根据地面试验要求拟定了机械臂微重力模拟系统方案，采用气浮法和静平衡法补偿机械臂重力。为验证系统方案的可行性，建立了系统动力学模型，通过仿真分析了微重力模拟效果。此外，本文拟定了系统安全保护机构方案，建立了保护机构的数学模型，并通过Simulink仿真分析了保护机构的性能参数。依据拟定的微重力模拟方案，完成了系统结构设计，并通过有限元分析校核了系统中薄弱元件的强度。系统由肘部、腕部和肩部三部分重力补偿机构组成，实现了机械臂的微重力模拟。同时，为保障系统精度和安全性，本文设计了重力补偿机构的安装、调节方法，对机构受力情况进行了分析，并设计了系统安全保护机构。为提高系统精度，本文对影响系统微重力模拟的因素进行了研究分析，提出了补偿误差的方法。微重力模拟系统中，弹簧刚度误差、弹簧机构重力、滑轮半径、机械臂质量偏心等因素都会对微重力模拟产生影响，为此，本文通过理论研究，对上述因素产生的影响进行了详细分析，得到了各因素引起的误差大小，针对相应因素提出了补偿误差的方法，提高了微重力模拟精度。此外，本文分析了机械臂结构误差对重力补偿机构的影响。最后，通过实验对系统采用的静平衡机构进行了研究分析。设计了静平衡实验装置和实验方法，对静平衡实验机构进行了标定，通过调节实现了机构的静平衡，达到了较好的重力补偿效果。开展静平衡实验，通过平行对照的方法分析了弹簧机构重力、滑轮半径、弹簧刚度稳定性等因素对机构重力补偿效果的影响，验证了本研究中误差分析理论和补偿方法的有效性。

关键词：微重力模拟空间机械臂重力补偿安全保护误差分析静平衡

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空间机械臂回转臂式微重力模拟装置研究

空间机械臂回转臂式微重力模拟装置研究

作者：郝峰哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

完整的空间机械臂研究过程都要在地面完成,而空间机械臂真正工作在空间微重力环境下,因此,空间机械臂的微重力模拟研究是空间机械臂研究的关键部分之一,微重力模拟研究的主要目的是微重力模拟装置模拟出空间微重力环境,同时满足空间机... 详细信息

完整的空间机械臂研究过程都要在地面完成,而空间机械臂真正工作在空间微重力环境下,因此,空间机械臂的微重力模拟研究是空间机械臂研究的关键部分之一,微重力模拟研究的主要目的是微重力模拟装置模拟出空间微重力环境,同时满足空间机械臂的运动需求。出于这种目的和需求,本文开展了空间机械臂微重力模拟装置的研究。根据项目的技术指标要求,通过综合分析国内外微重力模拟研究状况,比较不同形式的微重力模拟方案,完成了悬挂点的确定和空间机械臂运动范围的确定等,最终确定了一种悬挂方案。在此基础上,编写了吊点力的优化程序,利用ADAMS仿真验证了吊点力;此外对微重力模拟的重力补偿精度进行了分析,分析结果表明,此种方案可以满足空间机械臂的运动要求。对微重力模拟进行了方案设计,提出了一种三自由度串联回转臂式的微重力模拟装置,该装置可满足在提供不同的吊点力的同时被动跟踪空间机械臂的运动;对微重力模拟装置进行了详细设计,给出了各个部分的Pro/E三维实体模型,并对主要部件进行了静力学分析。对微重力模拟装置和空间机械臂组成的系统进行了运动学与动力学模型的建立,对该微重力模拟系统进行了ADAMS仿真分析,设计了四种不同运动形态的仿真方案,仿真结果与前文的仿真验证结果相符,且微重力模拟装置对空间机械臂各关节所产生的附加反转力矩和附加弯曲力矩均未超过P N m和Q N m,可以用于实际空间机械臂的微重力模拟。

关键词：空间机械臂微重力模拟吊点力优化三自由度回转臂 ADAMS仿真

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六维微重力模拟平台的建模与控制

六维微重力模拟平台的建模与控制

作者：张学祥南京航空航天大学

学位级别：硕士

为了确保航天设备具备良好的可靠性和安全性,在航天设备的研发和测试阶段需要进行充分的地面微重力模拟实验。因此开发低成本高灵活性的地面微重力模拟实验平台对航天技术的发展具有重要意义。本文在课题组已完成的微重力模拟平台结构... 详细信息

为了确保航天设备具备良好的可靠性和安全性,在航天设备的研发和测试阶段需要进行充分的地面微重力模拟实验。因此开发低成本高灵活性的地面微重力模拟实验平台对航天技术的发展具有重要意义。本文在课题组已完成的微重力模拟平台结构设计、微重力模拟实现策略研究、单自由度微重力模拟实验的基础上,对基于6-UPS并联机器人的六维微重力模拟实验平台的建模、动力学参数辨识及控制策略等进行了研究。研究内容主要分为四个部分:第一部分研究了6-UPS机器人的运动学标定。采用微分法推导6-UPS机器人的误差模型,分析了影响机器人定位精度的主要运动学参数;设计了用激光跟踪仪对机器人进行运动学标定的实验方案;采用Levenberg-Marquardt算法辨识机器人的运动学参数,并对参数误差进行补偿。经验证,标定后机器人的定位精度有显著提升。第二部分采用Newton-Euler法建立了6-UPS机器人的动力学模型。结合并联机构的对称性和各分支机构的重复性,简化动力学模型;将机器人的动力学模型表达为关于基参数集的线性形式,实现了动力学参数与运动状态变量的解耦,为6-UPS机器人的动力学参数辨识奠定基础。第三部分研究了6-UPS机器人的动力学参数辨识。提出一种对惯性参数和摩擦参数进行分步辨识的实验策略,提高了机器人动力学参数的辨识精度;采用人工蜂群算法辨识机器人的非线性摩擦模型参数,验证结果显示,非线性的Deami-Heimann摩擦模型与库伦-粘滞摩擦模型相比能够有效减小摩擦力的预测误差。第四部分设计了6-UPS机器人的重力补偿PD控制器。通过理论和仿真实验证实了所设计的控制器的稳定性和可靠性,仿真结果表明该控制器能够实现较PD控制更为精确的轨迹跟踪,尤其是Z轴的轨迹跟踪的稳态误差从1.01mm减小到0.21mm。采用此控制器进行微重力模拟仿真,取得了良好的模拟效果。

关键词：微重力模拟并联机器人运动学标定动力学参数辨识重力补偿