空間大型機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)及軌跡規(guī)劃研究.pdf

1、隨著對(duì)空間探索的深入,空間機(jī)器人系統(tǒng)逐漸成為開(kāi)發(fā)太空資源的有效工具,尤其是空間大型機(jī)械臂在國(guó)際空間站的建設(shè)和維護(hù)中發(fā)揮了不可替代的作用?？臻g大型機(jī)械臂具有輸出力矩大、工作空間大、控制精度高、設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)、可靠性要求高等特點(diǎn),因此,與其相關(guān)的各種設(shè)計(jì)和控制技術(shù)都具有很大的挑戰(zhàn)性。隨著我國(guó)載人空間站建設(shè)步伐的推進(jìn),空間大型機(jī)械臂技術(shù)受到了國(guó)家相關(guān)部門(mén)的高度重視,已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)航天領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。本文在“空間大型機(jī)械臂地面原理樣機(jī)的研制”項(xiàng)目

2、支持下,著重對(duì)該系統(tǒng)的關(guān)鍵部件——關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究,旨在研制出一種具有高可靠性、高精度、強(qiáng)容錯(cuò)能力等特點(diǎn)的關(guān)節(jié)控制系統(tǒng),并在此基礎(chǔ)上圍繞機(jī)械臂關(guān)節(jié)高精度位置控制技術(shù)、振動(dòng)抑制策略,以及機(jī)械臂笛卡爾空間的軌跡規(guī)劃方法等問(wèn)題展開(kāi)深入研究。
　　針對(duì)空間大型機(jī)械臂壽命長(zhǎng)和可靠性要求高,但在軌維護(hù)困難等特點(diǎn),提出了一種基于 FPGA-FPGA的可重構(gòu)關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在 FPGA內(nèi)嵌的微處理器支持下,利用軟硬件結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了

3、 CAN通訊管理、傳感器信息采集與處理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制、軌跡規(guī)劃等復(fù)雜功能,兼具冷備份和熱備份兩種控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),且能夠在主份和備份子控制系統(tǒng)之間發(fā)生多個(gè)不重合故障的情況下,通過(guò)重組優(yōu)質(zhì)資源來(lái)維持關(guān)節(jié)功能的完備性。在同樣計(jì)算假設(shè)條件下,相對(duì)于傳統(tǒng)冷備份控制結(jié)構(gòu),電機(jī)伺服單元的可靠性從92.25％提高到了95.9%。在此基礎(chǔ)上,針對(duì)空間環(huán)境特點(diǎn),設(shè)計(jì)了電源管理系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng),并采取相應(yīng)的抗輻射措施,從設(shè)計(jì)角度盡可能地提高了關(guān)節(jié)控制

4、系統(tǒng)的可靠性。
　　為了實(shí)現(xiàn)雙繞組永磁同步電機(jī)的高效、容錯(cuò)控制,本文以單繞組工作情況為基礎(chǔ),利用VHDL語(yǔ)言在FPGA控制器上通過(guò)硬件邏輯實(shí)現(xiàn)了電機(jī)電流的抗飽和矢量閉環(huán)控制。控制周期小于50μs,有利于提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和抗干擾能力,進(jìn)而提出了一種新的雙繞組永磁同步電機(jī)容錯(cuò)矢量控制方法,既實(shí)現(xiàn)兩套繞組電流均衡控制,又能夠在單個(gè)控制器發(fā)生故障的情況下維持電機(jī)的不間斷運(yùn)行,從而使電機(jī)伺服系統(tǒng)的容錯(cuò)能力得到進(jìn)一步的提高。同時(shí),本文設(shè)計(jì)了

5、貫穿關(guān)節(jié)控制器、機(jī)械臂中央控制器、宇航員三個(gè)層次的故障檢測(cè)與容錯(cuò)策略,實(shí)現(xiàn)了故障的實(shí)時(shí)檢測(cè)和容錯(cuò)處理,從運(yùn)行控制的角度保證了機(jī)械臂工作的安全性。
　　為了提高柔性關(guān)節(jié)輸出端的位置控制精度,本文設(shè)計(jì)了一種級(jí)聯(lián)型非線性抗飽和全閉環(huán)控制器,由帶速度前饋的非線性位置環(huán)、二自由度抗飽和速度環(huán)以及抗飽和電流環(huán)構(gòu)成,具有全局漸進(jìn)穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該控制器能夠在關(guān)節(jié)發(fā)生較大柔性變形的情況下保證關(guān)節(jié)輸出端的位置控制精度。此外,本文利用機(jī)械臂名義

6、計(jì)算力矩信息,從力矩傳感器反饋信息中分離出由振動(dòng)引起的力矩分量,然后將該分量用于關(guān)節(jié)振動(dòng)的負(fù)反饋控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,此項(xiàng)措施能夠快速抑制關(guān)節(jié)的柔性振動(dòng),且基本不影響軌跡跟蹤精度。
　　由于空間機(jī)械臂與其載體之間存在動(dòng)力學(xué)耦合,利用逆廣義雅可比矩陣的方法雖然可以實(shí)現(xiàn)自由漂浮空間機(jī)械臂末端位姿的規(guī)劃,但無(wú)法約束機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)對(duì)載體姿態(tài)產(chǎn)生的擾動(dòng)影響。為解決這一問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端在笛卡爾空間多位置點(diǎn)約束條件下運(yùn)動(dòng)路徑的優(yōu)化設(shè)計(jì),本文首先利