大型空间机械臂动力学建模与稳定控制策略

发布时间：2017-03-19 07:05

  本文关键词：大型空间机械臂动力学建模与稳定控制策略，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着人类对于空间探索的不断深入,在轨空间站作为人类空间探索极其重要的实验平台正逐渐朝着大型化、复杂化的方向发展。下一阶段我国载人航天的重要工作便是大型空间站的建设,大型空间机械臂对于空间站的建设与日常维护会起到非常重要的作用。本文基于此背景,研究七自由度空间机械臂携带大质量负载下的稳定控制策略,为未来空间站建设过程中机械臂辅助工作时的运动控制提供一些借鉴。本文的主要研究内容和成果如下:第一,在对七自由度空间机械臂构型分析的基础上,建立了一套杆件坐标系,分析并求解了七自由度空间机械臂的正运动学与正逆雅可比矩阵,并针对机械臂冗余自由度进行了轨迹优化,运用五次插值规划保证了关节运动过程中加速度不会突变,运用关节速度优化方法合理分配了各关节运动速度,从轨迹规划层面保证了机械臂运动控制的稳定性。第二,针对空间环境微重力的特点,利用空间向量法建立了七自由度空间机械臂漂浮基座下的动力学模型,对链式无根多体系统进行了求解,得到了机械臂、末端负载以及空间站基座之间的耦合关系,为实现空间机械臂的前馈控制打下了基础。第三,针对空间机械臂关节采用的永磁同步电机进行了研究,建立了永磁同步电机动力学模型,得到了关节负载力矩到电机电流的映射以及电机电流到电机电压的映射。并对电机参数提出了辨识算法,能通过实验校准模型参数,为关节前馈控制提供了条件。第四,针对机械臂工作过程中,关节力矩会发生大范围快速变化的情况,提出采用基于系统动力学与关节动力学的多前馈控制策略,能够实现关节控制上的位置、速度、加速度连续,减少力矩冲击,并加快了末端大负载下的运动响应速度,提高了机械臂运动的稳定性。最后,针对空间机械臂控制算法的地面验证,设计了一套半实物仿真验证系统。能够验证空间机械臂在真空高低温以及失重的环境下,末端带动大负载进行运动时的稳定控制效果。仿真和实验结果验证了空间机械臂稳定控制算法的有效性。
【关键词】：空间机械臂 稳定控制 轨迹规划 前馈控制 半实物仿真
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP241
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 本论文研究的目的和意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-22
• 1.2.1 国内外大型空间机械臂研究现状11-16
• 1.2.2 大型空间机械臂控制方法研究现状16-18
• 1.2.3 地面仿真验证系统研究现状18-22
• 1.3 本论文的主要研究工作22-24
• 第2章 七自由度空间机械臂轨迹优化24-38
• 2.1 七自由度空间机械臂运动学24-27
• 2.2 七自由度机械臂雅可比矩阵计算27-30
• 2.2.1 雅可比矩阵参考坐标系的变换28
• 2.2.2 线速度与角速度求解28-30
• 2.2.3 七自由度空间机械臂逆雅可比矩阵计算30
• 2.3 冗余自由度轨迹优化30-37
• 2.3.1 轨迹规划及优化目标31-32
• 2.3.2 五次插值规划32-35
• 2.3.3 七自由度机器人轨迹优化的算法分析35-36
• 2.3.4 轨迹优化应用36-37
• 2.4 小结37-38
• 第3章 机械臂整体漂浮基动力学模型38-50
• 3.1 动力学建模方法比较38-39
• 3.2 动力学量的空间矢量表示39-42
• 3.2.1 基本变量表示40
• 3.2.2 基本转换矩阵40-41
• 3.2.3 单刚体运动方程41-42
• 3.3 漂浮基动力学计算原理42-46
• 3.4 漂浮基动力学模型计算46-49
• 3.5 小结49-50
• 第4章 关节电机动力学模型50-62
• 4.1 永磁同步电机数学模型50-56
• 4.2 关节电机动力学模型56-58
• 4.2.1 关节负载力矩到电机电流的映射57
• 4.2.2 电机电流到电机电压的映射57-58
• 4.3 永磁电机动力学模型参数辨识58-61
• 4.3.1 永磁同步电机定子电阻辨识方法59-60
• 4.3.2 永磁同步电机转子磁链f? 的辨识60
• 4.3.3 永磁同步电机定子电感qL的辨识60-61
• 4.4 小结61-62
• 第5章 双动力学前馈控制策略62-69
• 5.1 传统的关节控制算法62-64
• 5.1.1 普通PID三环控制策略62-63
• 5.1.2 带有力矩环前馈的PID控制策略63-64
• 5.2 基于双动力学前馈的控制策略64-67
• 5.2.1 速度环前馈控制64-65
• 5.2.2 电流环前馈控制65-66
• 5.2.3 关节负载力矩前馈控制66
• 5.2.4 整体控制策略66-67
• 5.3 小结67-69
• 第6章 实验设计及分析69-90
• 6.1 实验系统设计69-74
• 6.1.1 整体方案69-70
• 6.1.2 仿真系统设计70-72
• 6.1.3 实物验证平台设计72-74
• 6.2 仿真结果及分析74-89
• 6.2.1 轨迹优化实验74-76
• 6.2.2 漂浮基动力学计算准确率实验76-80
• 6.2.3 电机动力学模型参数辨识与模型验证80-83
• 6.2.4 双动力学多前馈稳定控制实验83-87
• 6.2.5 半物理仿真系统整体控制实验87-89
• 6.3 小结89-90
• 结论90-92
• 参考文献92-99
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单99-100
• 致谢100

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4 ;瑞典开发出不怕水的医用微型机械臂[N];中国信息报;2000年

5 王晓晨 潘晨;让中国“臂”炫舞太空[N];中国航天报;2012年

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7 通讯员 祁登峰 记者 付毅飞;“玉兔”机械臂成功实施首次科学探测[N];科技日报;2014年

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  本文关键词：大型空间机械臂动力学建模与稳定控制策略，由笔耕文化传播整理发布。

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