空間機械手電聯(lián)試系統(tǒng)的設(shè)計與研究.pdf

1、空間機械手電聯(lián)試系統(tǒng)可以使研究人員充分利用計算機的計算能力及可視化手段對空間機器人在太空中的動態(tài)特性進行研究，并借助地面實驗平臺驗證其建模和控制算法的正確性。本文主要研究并實現(xiàn)了空間機械手電聯(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械手系統(tǒng)的上位控制計算機和動力學(xué)仿真計算機互連進行聯(lián)試，檢測空間機械手系統(tǒng)各個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。本文主要創(chuàng)新之處在于硬件結(jié)構(gòu)上的設(shè)計。相對于傳統(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利用兩個控制器來實現(xiàn)冗余的方式不同。本文利用獨立CAN控制器SJA1000，通過和一個模擬開關(guān)74HC4052芯片連接來控制兩路CAN總線。本文的另一個創(chuàng)新點是液晶顯示模塊的接口電路，通過一個簡單的跳線方式，使得液晶顯示模塊能同時和DSP與CPLD連接，而不用對它們單獨設(shè)計連接電路，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方面： 第一，建立的空間機械手的數(shù)學(xué)模型，對其進行運動學(xué)分析，推導(dǎo)出運動學(xué)正變換和逆變換的公式，并對機器人軌跡規(guī)劃作了簡單介紹，提出兩種關(guān)節(jié)空間路徑規(guī)劃的算法。 第二，建立了直流無刷電機的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)機械手系統(tǒng)中所選用電機的參數(shù)在MATLAB中進行了建模仿真。根據(jù)電機的實際特性和機器人控制的要求，設(shè)計了伺服系統(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。對所建立的位置伺服控制系統(tǒng)在MATLAB中進行了建模仿真，初步分析了伺服系統(tǒng)的動態(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)計了電模擬器運行的硬件電路平臺。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、硬件電路主要器件的選型論證、電路各模塊的原理設(shè)計、在系統(tǒng)可編程的CPLD邏輯電路設(shè)計、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)計和顯示模塊軟件的開發(fā)及優(yōu)化。對液晶顯示模塊的接口分別提供了和DSP及CPLD相連的方式，通過跳線來選擇連接方式。 第五，在DSP的CCS開發(fā)編譯環(huán)境下進行了電模擬器的軟件設(shè)計實現(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組織的。軟件框架中主要包括主控管理流程設(shè)計、CAN總線通訊底層收發(fā)軟件、高層應(yīng)用軟件的設(shè)計和伺服控制軟件的實現(xiàn)等。 最后，對電聯(lián)試系統(tǒng)進行了測試，相關(guān)性能測試包括單板測試以及關(guān)節(jié)模擬器和手眼