吊丝主动重力补偿系统设计与研究

论文摘要

吊丝主动重力补偿系统是针对空间机器人性能评估而设计的一种可提供零重力(或微重力)太空模拟环境的机械控制系统。如何提供逼真的太空模拟环境也是诸多学者关注的一个重要内容,随着中国探月工程的进展,对月球车的地面太空模拟实验也成了当前急需要解决的一个问题。针对在地球上模拟月球表面的低重力环境,对月球车地面实验进行重力补偿,本课题提出了吊丝式天车结构的重力补偿方案,并依此方案设计了二自由度天车机构,同时确定了机构的驱动方式。分析了月球车位移的测量方案,确定了通过测量吊丝摆角测量月球车位移的方案,依此方案设计并制作了用于高精度测量吊丝摆动角度的摆角传感器,实验表明,摆角传感器可将吊丝摆动角度测量精度提高到小数点后三位以上。建立了摆角传感器和水平随动系统的数学模型,分别对速度和位移增量两种控制策略进行了仿真分析。基于dSPACE半物理仿真实验平台,应用ControlDesk虚拟平台对摆角传感器进行了死区和参数标定实验,使用标定的参数建立了水平随动系统控制实验模型,并分别对速度、位移增量和位置闭环三种控制策略进行了实验研究。实验结果表明,位移增量和位置闭环两种控制策略均具有较好的平稳性、快速性和准确性,并具有很高的水平随动跟踪精度,在任意位移输入下能保证吊丝始终保持与竖直方向极小的夹角。同时,实验结果也证明了用此种方法建立大型的、高精度的吊丝式微重力实验环境的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的目的及意义
• 1.2 国外发展概况
• 1.3 国内发展现状
• 1.4 论文主要工作内容
• 第2章 系统总体方案
• 2.1 系统设计要求
• 2.2 系统总体结构设计
• 2.2.1 水平随动系统设计
• 2.2.2 重力补偿系统设计
• 2.3 系统驱动方式选择
• 2.3.1 水平行走小车驱动方式
• 2.3.2 重力补偿系统驱动方式
• 2.4 水平随动系统驱动装置设计
• 2.5 控制系统方案
• 2.6 本章小结
• 第3章 摆角传感器方案与设计
• 3.1 月球车位移测量方案
• 3.1.1 直接测量
• 3.1.2 间接测量
• 3.2 吊丝摆角测量原理
• 3.3 吊丝摆角传感器设计
• 3.4 摆角传感器测量线性化与误差分析
• 3.4.1 摆角传感器测量线性化及线性化误差
• 3.4.2 光电编码器分辨率误差
• 3.4.3 摆角传感器阻力引入的测量误差
• 3.5 本章小结
• 第4章 系统控制策略及仿真
• 4.1 摆角传感器建模
• 4.2 水平随动系统建模与仿真
• 4.2.1 系统数学模型
• 4.2.2 各环节参数计算
• 4.2.3 系统控制器设计
• 4.2.4 随动系统控制策略与仿真
• 4.3 重力补偿系统建模与仿真
• 4.3.1 系统数学模型
• 4.3.2 仿真分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验研究
• 5.1 dSPACE半物理仿真系统
• 5.1.1 半物理仿真技术
• 5.1.2 dSPACE半物理仿真系统
• 5.2 实验系统
• 5.3 最大速度实验
• 5.4 摆角传感器标定实验
• 5.4.1 实验原理与装置
• 5.4.2 标定实验
• 5.5 随动系统控制策略实验
• 5.5.1 速度控制策略实验
• 5.5.2 位移增量控制策略实验
• 5.5.3 位置闭环控制策略实验
• 5.5.4 控制策略对比分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢