六自由度绳牵引并联支撑系统滑模运动控制研究

发布时间：2020-04-08 19:21

【摘要】：绳牵引并联支撑系统是一种新型的风洞试验支撑系统,该系统具有工作空间大、对飞机模型流场干扰小、支撑刚度大等优点而受到了广泛地关注。本文针对该机构进行了深入的运动学与动力学分析,根据不同影响因素,分别设计了控制方案,并进行稳定性分析与仿真验证。本文具体工作和研究成果如下:首先,针对绳牵引并联系统进行了运动学与动力学分析。通过运动学逆解分析得到了绳长与飞机模型位姿的关系,根据驱动系统动力学模型及飞机的动力学模型得到全系统的动力学模型。基于运动学模型,将视觉伺服的方法应用于绳牵引并联支撑系统,在控制过程中通过视觉系统测量模型位姿,设计一种新的控制律对跟踪误差进行指数形式的衰减,并对该方法进行了仿真分析与实验验证。其次,对绳牵引并联支撑系统进行了滑模控制器的设计,搭建了系统的SIMULINK仿真框图,分别对非奇异终端滑模控制及连续非奇异终端滑模控制在绳牵引并联支撑系统的可行性进行了对比分析,选取了基于力矩控制的连续非奇异终端滑模控制器。针对飞机模型不同的运动轨迹进行了运动控制仿真分析。在此基础上,分析了滑模控制器参数对系统动态性能的影响。再者,考虑气动力与绳弹性的影响,分别对绳牵引并联支撑系统在低速风洞试验所受到的外界干扰和不确定性进行了分析。在控制律中对气动力进行自适应补偿,设计了自适应终端滑模控制器,并以俯仰运动为例进行运动控制仿真。考虑绳弹性变形对飞机模型控制的影响,基于奇异摄动理论,对系统动力学模型进行了重建,设计了一种补偿绳弹性变形的控制器,并进行了运动控制仿真。最后,为实现绳牵引并联支撑系统力位混合控制,选取了罚函数法来进行绳拉力的优化分布计算。分析三种优化目标方法,最终选取以张力方差为优化目标的方法。结合滑模控制及绳拉力优化分布方法,对绳牵引并联支撑系统力位控制方案进行了设计,以俯仰运动为例进行控制仿真,得到力矩、拉力的变化曲线。本文的研究实现了绳牵引并联支撑系统的运动学、动力学以及力位混合控制的仿真分析,为绳牵引并联支撑系统的进一步发展应用奠定了坚实的基础。
【图文】：

绳牵引,数据测量,风洞试验,样机

图２－１邋ＷＤＰＲ样机实物图逡逑本课题组根据风洞试验数据测量的需要，构建了一台由八根绳牵引的ＷＤＰＲ逡逑支撑系统样机（如图２－１所示），，该支撑系统可实现对飞机模型三个平动方向与逡逑三个转动方向的六自由度运动控制。整个系统由机架、牵引绳、运动控制系统、逡逑执行系统和测量系统等组成。其中，工控机型号为研华６１０Ｈ，运动控制卡为逡逑ＰＭＡＣＣＨｐｐｅｒ运动控制卡，伺服驱动器型号为安川ＳＧＤＶ－１Ｒ６Ａ０１Ａ；执行系统逡逑主要包括伺服电机，其中伺服电机型号为安川ＳＧＭＪＶ－０２ＡＤＤ６Ｓ，飞行器模型采逡逑用ＳＤＭ标模；测量系统主要包括拉力传感器和红外相机。逡逑为实现飞机模型的姿态控制，须对系统进行运动学和动力学建模，在建模过逡逑１０逡逑

示意图,单目视觉,姿态测量系统,硬件

如图２－６所示，视觉测量系统由工控机、１３９４采集卡、摄像机、红外光源等逡逑。在开始使用视觉测量系统前，需对空间的原点中心进行确认，因此须使用逡逑板对进行标定。飞机模型上刻有六个荧光特征点，当红外光源照射在特征点逡逑，摄像机就可识别六个特征点的位置，通过视觉算法对六个特征点的解算得逡逑机模型的实际位姿，并实时记录下来。逡逑运动学及动力学模型逡逑运用并联机器人知识理论，结合ＷＤＰＲ原理样机对系统进行运动学分析建逡逑分别对系统的驱动系统和飞机模型进行了动力学分析，描述了系统动力学模逡逑系统运动学模型逡逑
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V211.74

【参考文献】