六维微重力模拟实验平台控制策略研究

发布时间：2020-06-10 21:19

【摘要】：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。
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系统原理图,半物理仿真,模拟目标

图 1. 1 模拟目标星捕获半物理仿真系统图 1. 2 空间对接半物理仿真系统原理图如图 1. 1 所示为哈尔滨工业大学 Yang[7]等人提出的一种用于验证空间机械臂捕获目标星任务的三自由度微重力模拟系统，对由两个工业机器人构成的系统进行了动力学分析，并通过安装在末端的六自由度力传感器感知外力，从而补偿目标星和抓取臂的重力。同课题组 Xie[8]等人针对该半物理仿真系统进行了稳定性分析和控制器设计，最终实现了模拟微重力下的目标星抓

系统原理图,空间对接,半物理仿真

【参考文献】