基于LEON3处理器的空间机械臂控制研究

论文摘要

空间技术的发展，带来了大量的空间工作任务，训练宇航员完成这些空间任务是目前的主要手段。但空间机器人，特别是空间机械臂的出现，正慢慢减轻宇航员的工作，它们也正逐步代替宇航员进行危险的舱外作业。中央控制器，作为空间机械臂的主要控制设备，成为空间机械臂性能发挥的主要瓶颈之一。本文首先确定了适用于航天任务的中央控制器硬件方案，选择多款高性能的抗辐照处理器以备后期选用。在此基础上，为了节约成本，设计了用于地而测试的基于普通商业器件的中央控制器，性能与航天用的中央控制器相同或相近。文中对中央控制器各部分硬件做了详细的介绍和说明。中央控制器的主处理器选择XILINX FPGA，嵌入LEON 3处理器，工作频率为100MHz以上，主要负责控制空间机械臂的正逆运动学计算以及轨迹规划等工作。LEON 3处理器外部扩展的ALTERA FPGA主要负责通讯任务。在中央控制器上运行并测试了基本的机械臂控制算法，验证中央控制器用于实时控制的可行性。使用硬件描述语言编写了扩展的ALTERA FPGA各功能模块，包括与LEON 3处理器之间的接口、U A RT通讯模块、通讯控制模块等。最后，本文使用MATLA日对空间机械臂进行了运动学仿真，进一步验证了控制算法的正确性。使用牛顿一拉夫逊方法对空间机械臂的轨迹进行了避障优化，研究了轨迹规划方法在空间机械臂控制上的应用。本文还给出了基于LEON 3处理器的空间机械臂的控制流程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状分析
• 1.2.1 空间机械臂的发展现状
• 1.2.2 星载计算机的发展现状
• 1.2.3 课题的主要研究内容
• 第2章 空间机械臂中央控制器的设计
• 2.1 引言
• 2.2 星载计算机系统简介
• 2.3 中央控制器方案概述
• 2.3.1 空间机械臂的整体控制方案
• 2.3.2 基于TSC695的中央控制器性能分析
• 2.3.3 处理器平台选择
• 2.3.4 LEON 3处理器核
• 2.4 中央控制器处理器系统的设计
• 2.4.1 FPGA配置电路及调试接口
• 2.4.2 LEON 3处理器核外围电路
• 2.4.3 存储器电路设计
• 2.5 扩展FPGA的选择
• 2.6 通讯模块的设计
• 2.6.1 RS422通讯模块设计
• 2.6.2 RS485和ILVDS通讯模块设计
• 2.6.3 CA N总线通讯模块设计
• 2.7 电源模块的设计
• 2.8 其它模块
• 2.9 本章小结
• 第3章 中央控制器模块设计及EDAC功能实现
• 3.1 引言
• 3.2 LEON 3处理器核的嵌入
• 3.3 中央控制器操作系统
• 3.4 扩展FPGA与LEON 3接口模块设计
• 3.5 EDAC功能的设计与实现
• 3.5.1 EDAC功能原理
• 3.5.2 EDAC模块电路的实现及功能仿真
• 3.6 EDAClP核
• 3.7 本章小结
• 第4章 控制对象的分析与仿真实验
• 4.1 引言
• 4.2 空间机械臂模型
• 4.3 机械臂正逆运动学计算
• 4.4 机械臂运动学仿真
• 4.4.1 基于牛顿-拉夫逊的二维轨迹优化
• 4.4.2 基于牛顿-拉夫逊的二维轨迹优化
• 4.5 基于LEON 3处理器的控制流程
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢