基于气浮台的交会对接仿真控制系统设计与实现

论文摘要

伴随着科学技术的飞速发展以及人类探索太空步伐的进行,外层太空的国际战略地位就显得日益重要起来,空间的交会对接技术已经成为了在太空中建立大型的空间站以及完成空间操作的必不可少的任务,交会对接地面试验平台是验证交会对接任务近程阶段制导与控制策略重要而有效的手段。本文主要工作是实现了五自由度交会对接气浮仿真台的软硬件功能,并且设计了相应的姿态和位移控制器。首先,设计了基于TI公司的F2812 DSP芯片的气浮台控制系统电路板,完成了以nRF24L01为基础的无线网络设计并辅助以AT89S51单片机系统和地面工控机构成的监控系统,实现了系统硬件电气平台的搭建。其次,根据所设计的硬件系统和所要完成的交会对接任务需要,利用C/C++语言,实现了基于DSP、单片机以及地面工控计算机的软件程序设计,并分别对程序的各个子模块进行了可行性测试,而且对整个软件系统做了初步的整体调试。最后,根据姿态控制的任务要求,结合罗德里格参数方法设计了基于线性反馈的姿态控制器。在位移控制方面,则根据所要完成的对接任务,建立了气浮台的平移运动追踪误差方程,采用自抗扰控制技术（ADRC）设计了位移控制器,从仿真的效果来看两者均达到系统预期的控制要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.1.1 交会对接的目的与意义
• 1.1.2 国内外研究现状
• 1.2 本文的主要内容及结构安排
• 第2章 硬件系统功能设计
• 2.1 引言
• 2.2 控制系统总体结构
• 2.3 控制器系统单元设计
• 2.4 DSP最小系统设计
• 2.4.1 DSP供电电路设计
• 2.4.2 晶振和JTAG接口设计
• 2.4.3 电源和复位电路设计
• 2.4.4 SRAM设计
• 2.5 扩展功能设计
• 2.5.1 RS232 通信接口设计
• 2.5.2 RS485 通信接口设计
• 2.5.3 无线模块通信接口设计
• 2.5.4 CAN总线通信接口设计
• 2.5.5 对接锥信号控制电路设计
• 2.5.6 PWM信号调理电路设计
• 2.5.7 A/D转换模块设计
• 2.6 地面监控信息交换单元设计
• 2.7 执行机构单元
• 2.8 本章小结
• 第3章 软件系统功能设计
• 3.1 引言
• 3.2 CAN总线接口模块程序设计
• 3.3 PWM发生模块程序设计
• 3.4 无线通信模块接口程序设计
• 3.5 地面监控模块程序设计
• 3.6 本章小结
• 第4章 五自由度气浮台姿态运动控制系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 五自由度气浮台姿态数学模型分析
• 4.2.1 定义坐标系
• 4.2.2 气浮台姿态动力学方程
• 4.2.3 气浮台姿态运动学方程
• 4.2.4 气浮台姿态运动状态方程
• 4.3 罗德里格参数描述的气浮台运动学模型
• 4.3.1 由欧拉角到罗德里格参数的转换关系
• 4.3.2 由罗德里格参数到欧拉角的转换关系
• 4.3.3 基于罗德里格参数的气浮台姿态控制系统建模
• 4.4 本章小结
• 第5章 五自由度气浮台平移运动控制系统设计
• 5.1 引言
• 5.2 五自由度气浮台平移运动跟踪误差动力学方程
• 5.3 基于自抗扰控制技术的控制器设计
• 5.3.1 跟踪微分器
• 5.3.2 扩张状态观测器
• 5.3.3 状态误差反馈控制律
• 5.4 五自由度气浮台平移运动跟踪误差仿真
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢