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

1、隨著對空間探索的深入,空間機器人系統(tǒng)逐漸成為開發(fā)太空資源的有效工具,尤其是空間大型機械臂在國際空間站的建設和維護中發(fā)揮了不可替代的作用?？臻g大型機械臂具有輸出力矩大、工作空間大、控制精度高、設計壽命長、可靠性要求高等特點,因此,與其相關的各種設計和控制技術都具有很大的挑戰(zhàn)性。隨著我國載人空間站建設步伐的推進,空間大型機械臂技術受到了國家相關部門的高度重視,已經成為國內航天領域的一大研究熱點。本文在“空間大型機械臂地面原理樣機的研制”項目

2、支持下,著重對該系統(tǒng)的關鍵部件——關節(jié)控制系統(tǒng)進行了深入研究,旨在研制出一種具有高可靠性、高精度、強容錯能力等特點的關節(jié)控制系統(tǒng),并在此基礎上圍繞機械臂關節(jié)高精度位置控制技術、振動抑制策略,以及機械臂笛卡爾空間的軌跡規(guī)劃方法等問題展開深入研究。
　　針對空間大型機械臂壽命長和可靠性要求高,但在軌維護困難等特點,提出了一種基于 FPGA-FPGA的可重構關節(jié)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在 FPGA內嵌的微處理器支持下,利用軟硬件結合的方法實現了

3、 CAN通訊管理、傳感器信息采集與處理、電機驅動、運動控制、軌跡規(guī)劃等復雜功能,兼具冷備份和熱備份兩種控制結構的優(yōu)點,且能夠在主份和備份子控制系統(tǒng)之間發(fā)生多個不重合故障的情況下,通過重組優(yōu)質資源來維持關節(jié)功能的完備性。在同樣計算假設條件下,相對于傳統(tǒng)冷備份控制結構,電機伺服單元的可靠性從92.25％提高到了95.9%。在此基礎上,針對空間環(huán)境特點,設計了電源管理系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng),并采取相應的抗輻射措施,從設計角度盡可能地提高了關節(jié)控制

4、系統(tǒng)的可靠性。
　　為了實現雙繞組永磁同步電機的高效、容錯控制,本文以單繞組工作情況為基礎,利用VHDL語言在FPGA控制器上通過硬件邏輯實現了電機電流的抗飽和矢量閉環(huán)控制?？刂浦芷谛∮?0μs,有利于提高系統(tǒng)的響應速度和抗干擾能力,進而提出了一種新的雙繞組永磁同步電機容錯矢量控制方法,既實現兩套繞組電流均衡控制,又能夠在單個控制器發(fā)生故障的情況下維持電機的不間斷運行,從而使電機伺服系統(tǒng)的容錯能力得到進一步的提高。同時,本文設計了

5、貫穿關節(jié)控制器、機械臂中央控制器、宇航員三個層次的故障檢測與容錯策略,實現了故障的實時檢測和容錯處理,從運行控制的角度保證了機械臂工作的安全性。
　　為了提高柔性關節(jié)輸出端的位置控制精度,本文設計了一種級聯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)構成,具有全局漸進穩(wěn)定性。實驗結果表明,該控制器能夠在關節(jié)發(fā)生較大柔性變形的情況下保證關節(jié)輸出端的位置控制精度。此外,本文利用機械臂名義

6、計算力矩信息,從力矩傳感器反饋信息中分離出由振動引起的力矩分量,然后將該分量用于關節(jié)振動的負反饋控制。實驗結果表明,此項措施能夠快速抑制關節(jié)的柔性振動,且基本不影響軌跡跟蹤精度。
　　由于空間機械臂與其載體之間存在動力學耦合,利用逆廣義雅可比矩陣的方法雖然可以實現自由漂浮空間機械臂末端位姿的規(guī)劃,但無法約束機械臂運動對載體姿態(tài)產生的擾動影響。為解決這一問題,實現機械臂末端在笛卡爾空間多位置點約束條件下運動路徑的優(yōu)化設計,本文首先利