风洞捕获轨迹试验六自由度机构运动学标定研究

发布时间：2020-10-16 09:21

　　 捕获轨迹试验是风洞特种试验应用的其中一种方式,来模拟外挂物从母机分离后的运动轨迹,保证外挂物从母机分离后的安全。风洞捕获轨迹试验系统的核心是六自由度机构,通过控制器的控制,实现机构六个自由度的运动,并按指定速度准确高效地达到指定位姿,完成捕获轨迹试验。六自由度机构的运动精度是捕获轨迹试验准确性、可靠性的重要保障,需要对其进行运动学标定。通过标定实验获得机构各自由度的运动数据,并对数据进行分析,通过误差补偿使机构末端运动精度得到提高。本文根据六自由度机构的串联特点,采用拉格朗日法标号原则对机构进行拓扑结构分析,得到非树系统的拓扑结构图;切断非树系统中的独立回路得到俯仰和偏航机构所对应的直线变圆弧机构,进而推导出弧形滑块转换为直线滑块的运动学正逆解公式,并用MATLAB进行验证;通过对六自由度机构进行坐标系建立和各子机构方向余弦的建立,推导出末端位姿的正逆解公式,并用MATLAB进行验证。对六自由度机构产生误差的原因进行分类分析,并提出机构的精度要求。误差分析重点研究直线变圆弧机构产生的误差,建立相应的误差标定模型,进而辨识运动学参数。对机构末端位姿进行误差分析,位置误差分析对机构解耦与非解耦两种情况进行研究,推导得出机构末端位置与直线驱动之间的正逆解关系,逆解采用牛顿迭代法提高其计算效率,得到位置误差补偿公式;姿态角采用广义欧拉角定义,通过一定的旋转顺序得到其姿态角,姿态角误差是由俯仰和偏航轴线与其所对应的旋转轴线不重合造成的,根据理论分析推导出俯仰角和偏航角与对应的直线滑块驱动之间的关系,得到姿态角的误差补偿公式;耦合误差主要研究角度对直线产生的误差。由于无法直接测得机构末端位姿,因此采用位姿解算的方法计算实际末端位姿,并通过标定实验使标定理论分析得以验证。用激光跟踪仪对机构各自由度进行标定,对采集的数据进行分析与误差曲线拟合,将误差拟合函数带入下位机TwinCAT程序中进行补偿,再次标定并获得补偿后的结果,使机构末端运动精度得到提高,验证了理论的准确性。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V211.74
【部分图文】：

风洞试验主要是为了模拟真实的飞行环境，其优点为：能有效地控制气流的速度、压力、温度等条件；试验在封闭空间内进行，受环境影响小，操作方便，有效保证试验人员的安全；同一个风洞可进行多种试验，利用率高。因此，风洞试验在其相关学科的研究中受到极大的重视和广泛的应用。风洞捕获轨迹试验技术起源于上世纪 50 年代，发达国家的技术相对成熟。由于当时计算机技术和电子技术发展水平落后，主要是开环位置控制模式，试验技术自动化程度简单，耗费时间比较长；直到上世纪 70 年代，闭环形式的位置控制系统得到快速发展并且取得了显著成果，不仅试验效率得到提高，对捕获轨迹试验的精度也有很大的提升，同时推进了自动化技术[7]；80 年代以后，计算机技术和自动化控制技术得到迅速发展，国外的风洞捕获轨迹试验技术也逐步向速度控制模式发展，试验系统产生轨迹的速度非常快，试验效率非常高[8,9,10]。图 1.1 为美国 F/A-18E/F 风洞捕获轨迹装置，图 1.2 所示为美国某风洞捕获轨迹装置，图 1.3 为美国航天局 11 英尺跨声速风洞捕获轨迹装置，图 1.4 为印度某风洞捕获轨迹装置。

风洞试验主要是为了模拟真实的飞行环境，其优点为：能有效地控制气流的速度、压力、温度等条件；试验在封闭空间内进行，受环境影响小，操作方便，有效保证试验人员的安全；同一个风洞可进行多种试验，利用率高。因此，风洞试验在其相关学科的研究中受到极大的重视和广泛的应用。风洞捕获轨迹试验技术起源于上世纪 50 年代，发达国家的技术相对成熟。由于当时计算机技术和电子技术发展水平落后，主要是开环位置控制模式，试验技术自动化程度简单，耗费时间比较长；直到上世纪 70 年代，闭环形式的位置控制系统得到快速发展并且取得了显著成果，不仅试验效率得到提高，对捕获轨迹试验的精度也有很大的提升，同时推进了自动化技术[7]；80 年代以后，计算机技术和自动化控制技术得到迅速发展，国外的风洞捕获轨迹试验技术也逐步向速度控制模式发展，试验系统产生轨迹的速度非常快，试验效率非常高[8,9,10]。图 1.1 为美国 F/A-18E/F 风洞捕获轨迹装置，图 1.2 所示为美国某风洞捕获轨迹装置，图 1.3 为美国航天局 11 英尺跨声速风洞捕获轨迹装置，图 1.4 为印度某风洞捕获轨迹装置。

图 1.3 NASA11 英尺跨声速风洞捕获轨迹装置 图 1.4 印度某风洞捕获轨迹装置Fig 1.3 The CTS device in NASAAmes 11-Ft Fig 1.4 The CTS device in a India Wind TunnelTransonic Wind Tunnel与发达国家相比，我国在捕获轨迹试验装置方面的研究起步较晚，基础设施比较薄弱，仍处于较为落后的状态。上世纪 80 年代起，国内在捕获轨迹试验领域有了突破性的进展，例如中国空气动力研究与发展中心（CARDC）在 1980 年完成了第一套跨超声速捕获轨迹试验装置，并在 1988 年投入使用，完成了大量型号的试验，对我国飞行器的研制做出了重要贡献[11]。中国航空工业空气动力研究院（CARIA）对捕获轨迹试验系统展开了深入研究，经过研究人员的不懈努力，终于在 FL-2 高速风洞的基础上成功研制出一套适用于亚跨声速的捕获轨迹试验系统[12]，通过大量的风洞试验，获得了很多宝贵数据，并对以后的研究提供了支持。该系统中六自由度机构采用三个相互垂直的导向机构实现 3 个直线移动，采用四连杆机构实现外挂物的俯仰运动，通过双丝杠实现偏航运动，滚转运动则是由滚转电机直接驱动尾支杆实现。国内的捕获轨迹
【参考文献】

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2 虞择斌;刘政崇;陈振华;张世洪;陈万华;;2m超声速风洞结构设计与研究[J];航空学报;2013年02期

3 罗治国;;空间圆的参数方程及其应用[J];湖南师范大学自然科学学报;2012年06期

4 龚星如;沈建新;田威;廖文和;万世明;刘勇;;工业机器人的绝对定位误差模型及其补偿算法[J];南京航空航天大学学报;2012年S1期

5 王明元;杨连春;余海盛;张新;;三轴相交度的一种测量方法[J];宇航计测技术;2012年02期

6 何锐波;赵英俊;韩奉林;杨曙年;杨叔子;;基于指数积公式的串联机构运动学参数辨识实验[J];机器人;2011年01期

7 喻彩丽;;基于全站仪三坐标测量系统的测量方法[J];光学仪器;2010年02期

8 杜正春;未永飞;姚振强;;基于误差椭球的激光雷达测量系统精度分析[J];上海交通大学学报;2009年12期

9 黄叙辉;庞旭东;宋斌;;1.2m跨超声速风洞新型捕获轨迹系统研制[J];实验流体力学;2008年02期

10 徐翔;伍贻兆;程克明;王志坚;;高超声速风洞气动布局设计[J];南京航空航天大学学报;2008年02期

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3 夏天;工业机器人运动学标定及误差分析研究[D];上海交通大学;2009年

4 南小海;6R型工业机器人标定算法与实验研究[D];华中科技大学;2008年

5 杨国强;数字近景摄影测量系统研究[D];西安科技大学;2005年

本文编号：2843076