作大范围运动空间柔性机械臂动力学建模与控制的研究

发布时间：2017-04-01 17:04

  本文关键词：作大范围运动空间柔性机械臂动力学建模与控制的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着航天技术的发展,空间机械臂的应用越来越广泛。本文针对环绕目标航天器飞行的载体位姿受控的空间柔性机械臂系统动力学建模与控制进行研究。本文首先采用传统混合坐标法对空间柔性机械臂系统进行动力学建模,分别利用假设模态法和有限元法描述机械臂的柔性变形,基于Lagrange方程建立系统在惯性坐标系下的动力学模型;然后结合空间柔性机械臂系统环绕目标航天器飞行的相对运动动力学方程对惯性坐标系下的动力学模型进行修正;再根据空间柔性机械臂系统的逆运动学和三次样条插值规划机械臂抓取目标航天器过程中系统的载体位姿以及机械臂关节角的轨迹;最后根据奇异摄动法设计控制器。仿真结果表明所设计的控制器能够对系统载体位姿和机械臂关节角实现轨迹跟踪,并且对机械臂的振动有良好的抑制效果。为揭示中线耦合变形与大范围运动的耦合效应对空间柔性机械臂振动的影响,先研究作大范围转动的一维悬臂梁。仿真结果表明,由于传统混合坐标法建模时未考虑中线耦合变形,当悬臂梁的转动角速度大于其横向振动的一阶固有频率时,悬臂梁系统出现负刚度,振动发散;而考虑中线耦合变形的耦合动力学模型的纵向振动与横向振动仍然稳定,与实际情况相符。对于空间柔性机械臂系统,由于在抓取目标航天器的过程中机械臂的角速度远小于其自身横向振动的一阶固有频率,因此考虑中线耦合变形的动力学模型与传统混合坐标法模型的仿真结果几乎一致。考虑中线耦合的建模方法对机械臂振动的描述更准确,可以应用于未来可能出现的柔性机械臂高速转动的情况。为进一步对所建立的动力学模型以及所设计的控制器进行验证,本文基于ADAMS虚拟样机动力学仿真环境,结合ANSYS有限元分析软件,建立载体位姿受控的空间柔性机械臂系统虚拟样机,借助ADAMS与MATLAB间的数据交互接口,建立ADAMS-MATLAB联合仿真平台,完成了空间柔性机械臂系统虚拟样机联合仿真实验。虚拟样机仿真实验的结果与自编程序数值仿真结果高度吻合,证明了本文所建立空间柔性机械臂系统动力学模型的正确性与所设计控制器的有效性。
【关键词】：空间柔性机械臂 假设模态法 有限元法 中线耦合变形 轨迹跟踪 振动抑制
【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】：2015
【分类号】：TP241
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSRACT5-12
• 注释表12-13
• 缩略词13-14
• 第一章 绪论14-27
• 1.1 引言14-15
• 1.2 空间机械臂的研究现状15-18
• 1.3 空间柔性机械臂的建模理论18-23
• 1.3.1 柔性多体系统动力学建模理论的发展18-19
• 1.3.2 描述柔性体变形的方法19-20
• 1.3.3 柔性多体系统动力学建模方法20-23
• 1.4 空间柔性机械臂的控制理论23-26
• 1.4.1 轨迹跟踪控制23-24
• 1.4.2 振动抑制24-26
• 1.5 本文的研究内容及章节安排26-27
• 第二章 基于传统方法的空间柔性机械臂系统动力学建模与控制27-53
• 2.1 引言27
• 2.2 问题描述27-29
• 2.3 假设模态法29-33
• 2.3.1 惯性系下的动力学模型29-32
• 2.3.2 相对运动坐标系下的修正动力学模型32-33
• 2.4 有限元法33-39
• 2.4.1 惯性系下的动力学模型33-37
• 2.4.2 相对运动坐标系下的修正动力学模型37-39
• 2.5 空间柔性机械臂系统的轨迹规划39-45
• 2.5.1 规划载体质心运动轨迹及姿态角39
• 2.5.2 规划机械臂的关节角39-45
• 2.6 控制器设计45-48
• 2.6.1 轨迹跟踪控制器设计47
• 2.6.2 机械臂振动抑制控制器设计47-48
• 2.7 数值仿真48-51
• 2.7.1 轨迹规划的数值仿真48-49
• 2.7.2 两种建模方法下仿真结果的对比49-51
• 2.8 本章小结51-53
• 第三章 作大范围运动悬臂梁的动力学性质研究53-59
• 3.1 引言53
• 3.2 悬臂梁的动力学模型53-56
• 3.3 数值仿真56-58
• 3.4 本章小结58-59
• 第四章 考虑柔性机械臂中线耦合变形的系统动力学建模与控制59-67
• 4.1 引言59
• 4.2 考虑柔性机械臂中线耦合变形的系统动力学模型59-63
• 4.2.1 惯性系下的动力学模型59-62
• 4.2.2 相对运动坐标系下的修正动力学模型62-63
• 4.3 数值仿真63-66
• 4.4 本章小结66-67
• 第五章 空间柔性机械臂系统虚拟样机动力学建模与控制仿真67-77
• 5.1 引言67-68
• 5.2 空间柔性机械臂系统虚拟样机模型68-71
• 5.2.1 基于ANSYS柔性机械臂建模68
• 5.2.2 ANSYS导出模态中性文件68-69
• 5.2.3 ADAMS建立刚柔耦合模型69-71
• 5.3 基于ADAMS和MATLAB的联合仿真71-76
• 5.3.1 MATLAB控制方案72-73
• 5.3.2 联合仿真实验结果73-74
• 5.3.3 联合仿真与自编有限元数值仿真结果对比74-76
• 5.4 本章小结76-77
• 第六章 总结与展望77-79
• 6.1 研究工作总结77-78
• 6.2 不足之处与研究展望78-79
• 参考文献79-83
• 致谢83-84
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文84-85
• 附录85-101

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本文编号：280959