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空间大型机械臂关节控制系统及轨迹规划研究

郭闯强  
【摘要】:随着对空间探索的深入,空间机器人系统逐渐成为开发太空资源的有效工具,尤其是空间大型机械臂在国际空间站的建设和维护中发挥了不可替代的作用。空间大型机械臂具有输出力矩大、工作空间大、控制精度高、设计寿命长、可靠性要求高等特点,因此,与其相关的各种设计和控制技术都具有很大的挑战性。随着我国载人空间站建设步伐的推进,空间大型机械臂技术受到了国家相关部门的高度重视,已经成为国内航天领域的一大研究热点。本文在“空间大型机械臂地面原理样机的研制”项目支持下,着重对该系统的关键部件——关节控制系统进行了深入研究,旨在研制出一种具有高可靠性、高精度、强容错能力等特点的关节控制系统,并在此基础上围绕机械臂关节高精度位置控制技术、振动抑制策略,以及机械臂笛卡尔空间的轨迹规划方法等问题展开深入研究。 针对空间大型机械臂寿命长和可靠性要求高,但在轨维护困难等特点,提出了一种基于FPGA-FPGA的可重构关节控制系统。该系统在FPGA内嵌的微处理器支持下,利用软硬件结合的方法实现了CAN通讯管理、传感器信息采集与处理、电机驱动、运动控制、轨迹规划等复杂功能,兼具冷备份和热备份两种控制结构的优点,且能够在主份和备份子控制系统之间发生多个不重合故障的情况下,通过重组优质资源来维持关节功能的完备性。在同样计算假设条件下,相对于传统冷备份控制结构,电机伺服单元的可靠性从92.25%提高到了95.9%。在此基础上,针对空间环境特点,设计了电源管理系统和温度控制系统,并采取相应的抗辐射措施,从设计角度尽可能地提高了关节控制系统的可靠性。 为了实现双绕组永磁同步电机的高效、容错控制,本文以单绕组工作情况为基础,利用VHDL语言在FPGA控制器上通过硬件逻辑实现了电机电流的抗饱和矢量闭环控制。控制周期小于50μs,有利于提高系统的响应速度和抗干扰能力,进而提出了一种新的双绕组永磁同步电机容错矢量控制方法,既实现两套绕组电流均衡控制,又能够在单个控制器发生故障的情况下维持电机的不间断运行,从而使电机伺服系统的容错能力得到进一步的提高。同时,本文设计了贯穿关节控制器、机械臂中央控制器、宇航员三个层次的故障检测与容错策略,实现了故障的实时检测和容错处理,从运行控制的角度保证了机械臂工作的安全性。 为了提高柔性关节输出端的位置控制精度,本文设计了一种级联型非线性抗饱和全闭环控制器,由带速度前馈的非线性位置环、二自由度抗饱和速度环以及抗饱和电流环构成,具有全局渐进稳定性。实验结果表明,该控制器能够在关节发生较大柔性变形的情况下保证关节输出端的位置控制精度。此外,本文利用机械臂名义计算力矩信息,从力矩传感器反馈信息中分离出由振动引起的力矩分量,然后将该分量用于关节振动的负反馈控制。实验结果表明,此项措施能够快速抑制关节的柔性振动,且基本不影响轨迹跟踪精度。 由于空间机械臂与其载体之间存在动力学耦合,利用逆广义雅可比矩阵的方法虽然可以实现自由漂浮空间机械臂末端位姿的规划,但无法约束机械臂运动对载体姿态产生的扰动影响。为解决这一问题,实现机械臂末端在笛卡尔空间多位置点约束条件下运动路径的优化设计,本文首先利用改进三次样条函数对机械臂末端运动轨迹进行参数化,将机械臂运动对载体姿态的扰动量表达为关于样条函数插值点以及相邻约束位姿之间运动时间的目标函数,继而采用遗传算法实现目标函数全局优化处理。仿真结果表明,该方法能够在多个目标位姿约束条件下,有效减小空间机械臂运动对载体姿态产生的扰动影响。


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