月球车跟踪装置伺服控制系统研究

论文摘要

月球车跟踪装置是一种位于着陆器上,借助于视觉伺服控制来实现对月球车跟踪及导航的装置。装置的跟踪精度主要取决于伺服控制系统的控制品质。本文以“985”二期工程“月球车视觉导航实验装置”这一项目为背景,对该装置的伺服控制进行了设计与仿真,主要内容有如下几个方面。首先根据系统的性能指标要求,在分析了系统的稳态和动态性能的基础上,确定了系统的控制方案,建立伺服控制系统各环节的数学模型,对视觉平台的控制方程进行了简化处理,消除了方位轴和俯仰轴之间的力矩耦合,得到了相互独立的方位轴和俯仰轴的控制方程。然后对方位轴和俯仰轴分别进行了控制系统的设计工作。位置控制器采用经典可靠的数字PID控制方法,利用稳态边界法实现了PID参数的整定,并基于Matlab/Simulink进行了控制系统的仿真,对仿真结果进行了分析。最后建立了低速跟踪情况下的摩擦模型,并用微分前馈的方法实现摩擦补偿,消除摩擦对跟踪精度的影响,提高了跟踪精度。仿真结果表明引入微分前馈后,对月球车的跟踪精度有了很大的提高,从而验证了这一方法的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源和研究背景
• 1.2 视觉伺服控制方法综述
• 1.2.1 视觉伺服控制系统的结构
• 1.2.2 视觉伺服控制系统的分类
• 1.2.3 基于位置的视觉伺服控制结构
• 1.2.4 基于图像的视觉伺服控制结构
• 1.3 视觉伺服系统的国内外研究现状
• 1.4 本文的主要内容
• 第2章 跟踪装置组成和工作原理
• 2.1 跟踪装置结构和工作原理
• 2.1.1 跟踪装置总体结构
• 2.1.2 跟踪系统工作原理
• 2.2 伺服控制构成
• 2.2.1 执行电动机
• 2.2.2 电机驱动器
• 2.2.3 减速器和数字编码器
• 2.2.4 伺服控制卡和工控机
• 2.2.5 图像传感器
• 2.3 本章小结
• 第3章 跟踪装置控制系统数学模型的建立
• 3.1 直流电机数学模型
• 3.1.1 直流电机模型
• 3.1.2 直流电机负载模型
• 3.2 功率放大器的模型
• 3.3 跟踪装置的动力学模型
• 3.3.1 跟踪装置的转动动力学方程
• 3.3.2 控制方程式的解耦简化
• 3.4 本章小结
• 第4章 跟踪装置伺服控制系统设计和仿真
• 4.1 控制性能指标和系统参数
• 4.2 控制方法
• 4.2.1 PID控制算法
• 4.2.2 前馈复合控制方法
• 4.3 方位通道的控制设计
• 4.3.1 速度环设计
• 4.3.2 位置环设计
• 4.3.3 方位跟踪仿真结果与分析
• 4.4 俯仰通道控制设计
• 4.4.1 速度环设计
• 4.4.2 位置环设计
• 4.4.3 俯仰跟踪仿真结果与分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 摩擦分析
• 5.1 伺服系统的摩擦现象
• 5.2 跟踪装置摩擦分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明
• 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书
• 哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理
• 致谢