基于Stewart机构的隔振技术研究

发布时间：2017-10-15 12:21

  本文关键词：基于Stewart机构的隔振技术研究

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【摘要】：随着高分辨率遥感影像在人类社会生活中作用日益突出，以高分辨遥感卫星为代表的高精度航天器必将成为未来各国的研究热点。高分辨率空间系统需要的“超静意义”力学环境受到航天器微振动的严重影响。抑制航天器微振动的最重要技术之一是航天器多自由度隔振。Stewart机构是一种空间六自由度高精度运动平台，结合Stewart机构理论与隔振技术，开展六自由度隔振技术的研究具有重大战略意义。 为此，本文提出了基于Stewart机构的六自由度隔振方案，采用理论建模和仿真分析深入研究基于Stewart机构的隔振技术。论文主要工作和创新点如下： 1.详细探讨了单自由度被动隔振、主动隔振和主被动联合隔振的设计方案，对三种隔振方案进行理论建模和特性分析。研究了在不同控制规律下主动力对系统特性的影响，得到绝对位置反馈和绝对速度反馈能显著提高低频隔振性能的结论。综合被动隔振和主动隔振的特性，提出了一种可行的具有较大隔振带宽的主被动联合隔振方案，奠定了多自由度隔振的基础。 2.对单框架控制力矩陀螺在多种工况下的振动特性进行了实验测试，分析了振动的量级和带宽。设计了控制力矩陀螺六自由度柔性主被动联合隔振平台的一体化结构形式。以柔性虎克铰和柔性球铰代替传统被动铰链，消除了铰链间的碰撞和摩擦。 3.研究了以四元数描述三维空间中物体转动的方法，在四维矢量空间中研究隔振平台的正向运动学，导出了形式上简单、对称的运动学方程——八元二次多项式方程组。构造了快速收敛的正向求解算法，能快速计算上平台相对下平台的唯一位姿。进行了1KHz采样频率的动态仿真，结果表明在进行四次迭代计算后，计算误差下降至10-15量级，验证了该方法的有效性。 4.详细阐述了以凯恩方法在任务空间中建立隔振平台的多刚体动力学模型的过程，以张量的乘法运算代替函数求导运算，动力学方程简单规范，编程计算容易。为获得较精确的动力学计算结果，建立了隔振平台的刚柔耦合仿真计算模型，分析了陀螺群在线振动和姿态振动两种情况下弹簧等柔性构件的应力动态响应。 5.根据多刚体动力学模型计算了六自由度隔振平台的固有频率，设计了六自由度被动隔振带宽，优化了被动隔振器的阻尼系数。设计了六自由度主被动联合隔振控制方案，提出了以下平台绝对速度反馈的PID控制策略，在ADAMS和Matlab环境下构建控制系统模型，进行联合仿真计算，验证了控制策略的有效性。
【关键词】：隔振 Stewart机构 四元数 凯恩方法 刚柔耦合 PID控制 联合仿真
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB535.1;TH112
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 第一章 绪论13-24
• 1.1 课题背景、研究目的及意义13-14
• 1.1.1 课题背景13
• 1.1.2 研究目的及意义13-14
• 1.2 隔振技术研究发展现状14-17
• 1.2.1 被动隔振15
• 1.2.2 半主动隔振15-16
• 1.2.3 主动隔振16-17
• 1.2.4 主被动联合隔振17
• 1.3 基于 Stewart 机构的隔振技术研究现状17-23
• 1.3.1 Stewart 机构的相关理论研究现状19-20
• 1.3.2 基于 Stewart 机构的隔振平台的研究现状20-23
• 1.4 当前研究存在的一些问题23
• 1.5 本文的主要研究内容和章节安排23
• 1.6 本章小结23-24
• 第二章 隔振系统的特性分析24-39
• 2.1 引言24
• 2.2 被动隔振特性分析24-28
• 2.2.1 被动隔振方案24-25
• 2.2.2 被动隔振建模与分析25-27
• 2.2.3 被动隔振器参数的确定27-28
• 2.3 主动隔振特性分析28-33
• 2.3.1 主动隔振方案28
• 2.3.2 主动隔振建模与分析28-29
• 2.3.3 不同控制律下的隔振特性分析29-33
• 2.4 主被动联合隔振特性分析33-38
• 2.4.1 主被动联合隔振方案33-34
• 2.4.2 主动隔振系统位于有效载荷与被动隔振器之间的建模与分析34-36
• 2.4.3 主动隔振系统位于干扰源与被动隔振器之间的建模与分析36-38
• 2.5 本章小结38-39
• 第三章 六自由度隔振平台的建模与分析39-75
• 3.1 引言39-40
• 3.2 基于 Stewart 机构的控制力矩陀螺隔振平台40-45
• 3.2.1 控制力矩陀螺的振动特性测试40-43
• 3.2.2 隔振平台的技术指标和功能要求43
• 3.2.3 隔振平台的结构形式43-45
• 3.3 刚体的位姿描述45-52
• 3.3.1 旋转矩阵与坐标变换45
• 3.3.2 姿态坐标：欧拉角与四元数45-49
• 3.3.3 姿态分析及其算法49-52
• 3.4 隔振平台的运动学52-58
• 3.4.1 隔振平台的运动学模型52-53
• 3.4.2 基于四元数的正向运动学模型53-55
• 3.4.3 快速正解算法55-56
• 3.4.4 数值仿真56-58
• 3.5 隔振平台的动力学58-67
• 3.5.1 凯恩方法58-59
• 3.5.2 坐标系的建立与位姿描述59-60
• 3.5.3 速度与角速度60-61
• 3.5.4 加速度与角加速度61-62
• 3.5.5 偏速度和偏角速度62-64
• 3.5.6 动力学方程64-65
• 3.5.7 数值仿真65-67
• 3.6 隔振平台的刚柔耦合分析67-73
• 3.6.1 刚柔耦合的概念67
• 3.6.2 刚性构件的柔性化67-69
• 3.6.3 刚柔耦合模型的建立与计算69-73
• 3.7 本章小结73-75
• 第四章 控制力矩陀螺隔振平台的主被动联合隔振75-88
• 4.1 引言75
• 4.2 隔振平台的固有频率分析75-77
• 4.3 隔振平台的被动隔振设计与分析77-82
• 4.3.1 被动隔振的带宽设计77-80
• 4.3.2 阻尼对隔振效果的影响80-82
• 4.4 隔振平台的主被动联合隔振控制82-87
• 4.4.1 PID 控制82-83
• 4.4.2 ADAMS 与 Matlab 联合仿真83-84
• 4.4.3 Stewart 隔振平台的 PID 控制方案84-85
• 4.4.4 隔振平台主被动联合隔振控制85-87
• 4.5 本章小结87-88
• 第五章 总结与展望88-91
• 5.1 总结88-89
• 5.2 展望89-91
• 参考文献91-97
• 致谢97-98
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文98

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

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本文编号：1037090