基于液壓六自由度平臺的空間對接半物理仿真系統(tǒng)研究.pdf

1、航天器的空間對接是建立空間站之前必須突破的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。飛船與空間站的成功對接依賴于對接機(jī)構(gòu)的可靠工作，為了驗(yàn)證對接機(jī)構(gòu)工作的可靠性以及考查空間惡劣環(huán)境對對接機(jī)構(gòu)工作性能的影響，模擬空間環(huán)境下航天器對接全過程的地面試驗(yàn)是必不可少的?？臻g對接半物理仿真系統(tǒng)可以模擬大小不同的航天器以及各類對接機(jī)構(gòu)的對接過程，具有更強(qiáng)的通用性，因此成為地面試驗(yàn)的首選方案。
　　在空間對接半物理仿真系統(tǒng)中，六自由度平臺被用來實(shí)現(xiàn)兩航天器相對運(yùn)動。因此本文

2、從動力學(xué)、控制策略和誤差標(biāo)定等幾個(gè)方面對六自由度平臺進(jìn)行深入研究。而對這些問題的探討對于建立高精度的空間對接半物理仿真系統(tǒng)的工程實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。
　　六自由度平臺是一種多變量和本質(zhì)非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，其運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)分析是平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及液壓驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提。本文首先采用坐標(biāo)變換和矩陣微分的方法進(jìn)行六自由度平臺的運(yùn)動學(xué)分析，然后建立不考慮支腿慣性的簡化六自由度平臺動力學(xué)模型，再通過分析支腿的運(yùn)動方式，提出一種改進(jìn)的基于牛頓

3、-歐拉法的完整動力學(xué)模型。由于該模型考慮支腿繞其軸線的轉(zhuǎn)動，對典型的6-UPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)而言消除了理論上的誤差，是一種精確的模型。相比之下，傳統(tǒng)的動力學(xué)模型由于忽略支腿繞自身轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，對支腿運(yùn)動的描述較為粗糙。
　　六自由度平臺的另一個(gè)重要研究方向是六自由度平臺的控制策略研究，控制策略將直接決定系統(tǒng)最終達(dá)到的性能指標(biāo)。本文介紹六自由度平臺兩種基本的控制策略，并針對其在本課題中的具體用途，著重研究基于鉸點(diǎn)空間的控制策略及提高系統(tǒng)性能

4、的方法，包括動壓反饋校正、前饋補(bǔ)償?shù)?。由于在六自由度運(yùn)動模擬器的實(shí)際使用中經(jīng)常采用小幅值正弦波作為輸入信號，本文提出一種幅相控制技術(shù)改善平臺對正弦輸入的響應(yīng)品質(zhì)，并用實(shí)驗(yàn)證明其有效性。
　　在六自由度平臺的加工制造和裝配過程中，不可避免地產(chǎn)生結(jié)構(gòu)參數(shù)的誤差，直接影響了對接模擬的真實(shí)性。針對六自由度平臺的運(yùn)動精度問題，本文闡述誤差產(chǎn)生的原因，提出一種基于三坐標(biāo)測量儀的低成本標(biāo)定方法。然后通過仿真討論用該方法標(biāo)定后平臺的位姿精度能夠達(dá)

5、到的量級。最后將此方法應(yīng)用于實(shí)際平臺的標(biāo)定，驗(yàn)證該方法的有效性。
　　在得到一個(gè)性能優(yōu)良的六自由度平臺后，建立空間對接半物理仿真系統(tǒng)成為可能。本文闡述能夠體現(xiàn)其主要功能的原型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，提出系統(tǒng)的動力學(xué)解算方案并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建動力學(xué)仿真大回路。對大回路仿真系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析表明，要獲得良好的穩(wěn)定性，運(yùn)動平臺本身的頻寬與被模擬運(yùn)動的固有頻率應(yīng)滿足一定的關(guān)系。
　　為了在實(shí)際建造原型系統(tǒng)前驗(yàn)證其可行性，本文用ADAMS建立

6、原型系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)并進(jìn)行對接仿真。然后建立兩航天器的數(shù)字模型，并把它的對接仿真結(jié)果作為評價(jià)半物理仿真逼真程度的標(biāo)準(zhǔn)。仿真表明，虛擬樣機(jī)能夠較真實(shí)地模擬兩航天器對接的全過程，說明本文提出的半物理原型系統(tǒng)能夠有效模擬航天器的空間對接過程。最后，本文建立空間對接半物理仿真原型系統(tǒng)，并針對不同的對接初始條件進(jìn)行對接實(shí)驗(yàn)，較真實(shí)地再現(xiàn)兩航天器在空間對接過程中的相對運(yùn)動、相互作用力和可能出現(xiàn)的問題。從而為研制用于測試實(shí)際對接機(jī)構(gòu)的功能完善的空間對接