抓捕工具控制器及伺服控制策略研究

发布时间：2020-08-20 15:13

【摘要】：为了保持太空活动的可持续发展,各国开始发展在轨服务技术。在轨捕获技术是在轨服务的前提和关键。本文针对用于在轨捕获的机械臂末端执行器,即抓捕工具,研制了抓捕工具的控制器,制定了抓捕工具的伺服控制策略,并进行了地面试验,验证了抓捕工具的捕获性能。本文首先进行了抓捕工具的传感器系统设计和电气系统设计。抓捕工具设计集成了视觉、位置、电流及温度多种传感器,具有丰富的感知能力,能够充分感知自身状态以及捕获目标状态。针对空间的复杂条件,抓捕工具的电气系统具有高可靠性、高集成度、低功耗的特点。其次,分析了抓捕工具的捕获过程,将其分为三个阶段:合拢阶段、拖动阶段和锁紧阶段。根据各个阶段的功能需求,提出了速度控制和力矩控制的复合伺服控制策略。在合拢和拖动阶段采用速度控制,在锁紧阶段采用力矩控制。速度控制采用速度环和电流环双闭环控制,保证了速度响应的快速性。力矩控制采用基于锁紧力模型的前馈控制。为了简化系统,通过检测母线电流,重构电机相电流,进而完成电流环闭环。在Simulink中建立了伺服控制模型,并进行了控制仿真。然后,完成了基于反熔丝FPGA的控制器设计。采用硬件编程语言,实现了AD转换器SPI接口采集功能、监测位输入接口采集功能、直流无刷电机的PWM方波调制、实时计算电机转速、电机速度环和电流环的PI调节、电机抱闸的控制及与外部串口总线通讯。通过Modelsim对各个模块进行了仿真验证。最后,进行了抓捕工具控制器性能测试和捕获实验。搭建了控制器测试实验平台,对电流环和速度环进行性能测试,结果表明电流响应和速度响应均能够满足捕获功能的需求。搭建了模拟捕获实验平台,进行了捕获实验,实验证明抓捕工具能够在规定时间内完成对目标的捕获。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP241
【图文】：

对接环

图 1-1 FREND 抓捕对接环DS 项目演示系统(OEDS) 由美国国防高级研究计划局提出，服务方面的技术可行性，包括卫星加油和各种机器星组成，服务卫星和目标卫星，如图 1-2 所示，于EDS 的捕获系统由一个六自由度的机械臂和末端执标卫星[13]。OEDS 通过捕获系统演示了自主在轨卫星获、停泊、加油和组件转移。RT-OLEV 项目LEV(smart orbital life extension vehicle)是由欧洲 O 公司、西班牙 Sener 公司及瑞典 SPACE 公司联合开旨在延长地球静止轨道通信卫星的寿命。SMART-的方式来抓捕目标卫星的远地点喷管，如图 1-3 所示紧机构、末梢传感器、感应传感器和激光传感器组成入卫星喷管内，其末端冠状扩展机构深入喷管的喉部

卫星,目标卫星,扩展机构,喷管

（2） OEDS 项目轨道快车演示系统(OEDS) 由美国国防高级研究计划局提出，旨在证明自主技术在轨道卫星服务方面的技术可行性，包括卫星加油和各种机器人操作[12] [13]。OEDS 由两个卫星组成，服务卫星和目标卫星，如图 1-2 所示，于 2007 年 3 月发射升空[13]。OEDS 的捕获系统由一个六自由度的机械臂和末端执行器组成，用于捕获和服务目标卫星[13]。OEDS 通过捕获系统演示了自主在轨卫星服务所需的技术：交会、捕获、停泊、加油和组件转移。（3）SMART-OLEV 项目SMART-OLEV(smart orbital life extension vehicle)是由欧洲 OSSL 公司、德国Kayser-Threde 公司、西班牙 Sener 公司及瑞典 SPACE 公司联合开发的一项研究计划[14,15]，该计划旨在延长地球静止轨道通信卫星的寿命。SMART-OLEV 采用伸缩臂与抓捕工具的方式来抓捕目标卫星的远地点喷管，如图 1-3 所示。抓捕工具主要由冠状扩展锁紧机构、末梢传感器、感应传感器和激光传感器组成。该机构在伸缩臂带动下插入卫星喷管内，其末端冠状扩展机构深入喷管的喉部，然后扩展机构张开，锁紧喷管喉部，从而完成抓捕。

卫星,相机,目标,过程

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