空間機(jī)械手電聯(lián)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、空間機(jī)械手電聯(lián)試系統(tǒng)可以使研究人員充分利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力及可視化手段對(duì)空間機(jī)器人在太空中的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，并借助地面實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證其建模和控制算法的正確性。本文主要研究并實(shí)現(xiàn)了空間機(jī)械手電聯(lián)試系統(tǒng)的重要組成部分——電模擬器，通過電模擬器與空間機(jī)械手系統(tǒng)的上位控制計(jì)算機(jī)和動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算機(jī)互連進(jìn)行聯(lián)試，檢測(cè)空間機(jī)械手系統(tǒng)各個(gè)部件接口傳遞信息的正確性及其在軌執(zhí)行任務(wù)的能力。本文主要?jiǎng)?chuàng)新之處在于硬件結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)。相對(duì)于傳統(tǒng)的CAN通訊結(jié)構(gòu)，在

2、電模擬器中，本文構(gòu)建了三路CAN總線通訊結(jié)構(gòu)。在中央控制器的內(nèi)部CAN結(jié)構(gòu)中，我們提出了冗余雙CAN結(jié)構(gòu)。和傳統(tǒng)的冗余雙CAN利用兩個(gè)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)冗余的方式不同。本文利用獨(dú)立CAN控制器SJA1000，通過和一個(gè)模擬開關(guān)74HC4052芯片連接來(lái)控制兩路CAN總線。本文的另一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)是液晶顯示模塊的接口電路，通過一個(gè)簡(jiǎn)單的跳線方式，使得液晶顯示模塊能同時(shí)和DSP與CPLD連接，而不用對(duì)它們單獨(dú)設(shè)計(jì)連接電路，極大地提高了電路的靈活性并節(jié)省

3、了大量的電路空間。 論文的主要工作包括如下幾個(gè)方面： 第一，建立的空間機(jī)械手的數(shù)學(xué)模型，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，推導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)學(xué)正變換和逆變換的公式，并對(duì)機(jī)器人軌跡規(guī)劃作了簡(jiǎn)單介紹，提出兩種關(guān)節(jié)空間路徑規(guī)劃的算法。 第二，建立了直流無(wú)刷電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)機(jī)械手系統(tǒng)中所選用電機(jī)的參數(shù)在MATLAB中進(jìn)行了建模仿真。根據(jù)電機(jī)的實(shí)際特性和機(jī)器人控制的要求，設(shè)計(jì)了伺服系統(tǒng)的總體模型，并逐步建立了包含電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的三

4、環(huán)PID控制器。對(duì)所建立的位置伺服控制系統(tǒng)在MATLAB中進(jìn)行了建模仿真，初步分析了伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，并根據(jù)仿真初步確定了三環(huán)PI調(diào)節(jié)器的控制參數(shù)。 第三，設(shè)計(jì)了電模擬器運(yùn)行的硬件電路平臺(tái)。研制關(guān)節(jié)模擬器和手眼視覺模擬器的主要工作包括硬件電路總體方案的設(shè)計(jì)、硬件電路主要器件的選型論證、電路各模塊的原理設(shè)計(jì)、在系統(tǒng)可編程的CPLD邏輯電路設(shè)計(jì)、PCB制板，以及硬件電路的調(diào)試、修改和優(yōu)化等。 第四，完成了液晶顯示模塊的接口

5、設(shè)計(jì)和顯示模塊軟件的開發(fā)及優(yōu)化。對(duì)液晶顯示模塊的接口分別提供了和DSP及CPLD相連的方式，通過跳線來(lái)選擇連接方式。 第五，在DSP的CCS開發(fā)編譯環(huán)境下進(jìn)行了電模擬器的軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。電模擬器的軟件組織結(jié)構(gòu)是通過循環(huán)等待加中斷的方式來(lái)組織的。軟件框架中主要包括主控管理流程設(shè)計(jì)、CAN總線通訊底層收發(fā)軟件、高層應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)和伺服控制軟件的實(shí)現(xiàn)等。 最后，對(duì)電聯(lián)試系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，相關(guān)性能測(cè)試包括單板測(cè)試以及關(guān)節(jié)模擬器和手眼