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關鍵技術。飛船與空間站的成功對接依賴于對接機構的可靠工作，為了驗證對接機構工作的可靠性以及考查空間惡劣環(huán)境對對接機構工作性能的影響，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構的對接過程，具有更強的通用性，因此成為地面試驗的首選方案。
　　在空間對接半物理仿真系統(tǒng)中，六自由度平臺被用來實現(xiàn)兩航天器相對運動。因此本文

2、從動力學、控制策略和誤差標定等幾個方面對六自由度平臺進行深入研究。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)的工程實踐具有重要的指導意義。
　　六自由度平臺是一種多變量和本質非線性的復雜系統(tǒng)，其運動學及動力學分析是平臺結構設計以及液壓驅動機構設計的前提。本文首先采用坐標變換和矩陣微分的方法進行六自由度平臺的運動學分析，然后建立不考慮支腿慣性的簡化六自由度平臺動力學模型，再通過分析支腿的運動方式，提出一種改進的基于牛頓

3、-歐拉法的完整動力學模型。由于該模型考慮支腿繞其軸線的轉動，對典型的6-UPS并聯(lián)機構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)的動力學模型由于忽略支腿繞自身轉軸的轉動，對支腿運動的描述較為粗糙。
　　六自由度平臺的另一個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)最終達到的性能指標。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、前饋補償等。由于在六自由度運動模擬器的實際使用中經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改善平臺對正弦輸入的響應品質，并用實驗證明其有效性。
　　在六自由度平臺的加工制造和裝配過程中，不可避免地產生結構參數的誤差，直接影響了對接模擬的真實性。針對六自由度平臺的運動精度問題，本文闡述誤差產生的原因，提出一種基于三坐標測量儀的低成本標定方法。然后通過仿真討論用該方法標定后平臺的位姿精度能夠達

5、到的量級。最后將此方法應用于實際平臺的標定，驗證該方法的有效性。
　　在得到一個性能優(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)的設計方案，提出系統(tǒng)的動力學解算方案并以此為基礎構建動力學仿真大回路。對大回路仿真系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行分析表明，要獲得良好的穩(wěn)定性，運動平臺本身的頻寬與被模擬運動的固有頻率應滿足一定的關系。
　　為了在實際建造原型系統(tǒng)前驗證其可行性，本文用ADAMS建立

6、原型系統(tǒng)的虛擬樣機并進行對接仿真。然后建立兩航天器的數字模型，并把它的對接仿真結果作為評價半物理仿真逼真程度的標準。仿真表明，虛擬樣機能夠較真實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行對接實驗，較真實地再現(xiàn)兩航天器在空間對接過程中的相對運動、相互作用力和可能出現(xiàn)的問題。從而為研制用于測試實際對接機構的功能完善的空間對接