一种对飞行器地面仿真系统平动机构高精度姿态控制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种对飞行器地面仿真系统平动机构高精度姿态控制方法，属于空间飞行器地面仿真系统运动控制及测量领域。本发明专利技术步骤一、如果首次平动机构运动从正方向运动到零位时，当运动方向从正向往反向改变时，将设定的规划位置减去间隙大小，当从反向往正向运动切换时，在设定的规划位置加上间隙大小；步骤二、齿轮齿条间隙的测量；步骤三、电机每转一圈运动的平动距离修正方法公式进行推导；步骤四、消除齿轮齿条间隙；步骤五、修正电机每转一圈运动的平动距离步。通过本发明专利技术的方法，其位置精度由原先未经过修正处理的0～0.51mm到现在修正后的‑0.1479～0.1375mm，提高了大于0.2mm的位置精度，本发明专利技术的控制方法具有简单、易操作、精度高的优点。

High precision attitude control method for translational mechanism of aircraft ground simulation system

The invention provides a high-precision attitude control method for a translational mechanism of a ground simulation system of an aerial vehicle, which belongs to the field of motion control and measurement of a space vehicle ground simulation system. The present invention, if the first step of a translational motion from the positive direction to zero, when the motion direction is reversed from the yearning, the planning position minus gap size set, when to move forward from the reverse switch, the gap in the planning position plus size measurement; step two, gear rack space the translation method of distance correction formula; step three, motor each turn motion was derived; step four, eliminate the gear rack gap; step five, translational distance correction of motor circle motion per revolution. Through this method, the position accuracy has not been modified from the original 0 to 0.51mm to now revised 0.1479 ~ 0.1375mm, improve the position accuracy is greater than 0.2mm, the control method of the invention has advantages of simple structure, easy operation, high precision.

【技术实现步骤摘要】
一种对飞行器地面仿真系统平动机构高精度姿态控制方法
本专利技术涉及一种对飞行器地面仿真系统平动机构高精度姿态控制方法，属于空间飞行器地面仿真系统运动控制及测量领域。
技术介绍
随着载人航天技术的快速发展，空间对接技术已成为各国十分关注的问题。空间对接技术是建立载人空间站必须解决的关键技术，也是我国航天事业进一步发展迫切需要解决的问题。空间飞行器地面仿真系统作为空间对接过程半物理仿真试验系统的关键设备之一，其运动位置误差直接影响仿真系统的精度，因此设计出一种运动姿态高精度控制方法具有极强的现实意义。空间飞行器地面仿真系统分为转动机构和平动机构两部分，平动机构包括X轴、Y轴、Z轴三个自由度的运动姿态。飞行器地面仿真系统的平动机构是由伺服电机、减速机、齿轮齿条的机械结构组成，为了达到高精度的控制效果传统的控制方式是在各个方向固定的导轨上安装光栅尺，移动部分安装读数头的方案，这种控制方式相对复杂，成本较高，没有充分利用伺服电机配有的高精度高分辨率编码器的作用。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种对飞行器地面仿真系统平动机构高精度姿态控制方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种对飞行器地面仿真系统平动机构高精度姿态控制方法，步骤如下：步骤一、如果首次平动机构运动从正方向运动到零位时，当运动方向从正向往反向改变时，将设定的规划位置减去间隙大小，此后只要运动方向不改变无需处理此间隙，当从反向往正向运动切换时，在设定的规划位置加上间隙大小，但首次平动机构运动从负方向运动到零位时，当运动方向从正向往反向改变时，将设定的规划位置加上间隙大小，此后只要运动方向不改变无需处理此间隙，当从反向往正向运动切换时，在设定的规划位置减去间隙大小；步骤二、齿轮齿条间隙的测量，将平动机构从正方向运动到零位，利用激光跟踪仪记录此坐标(x0+，y0+，z0+)，再从负方向运动到零位(x0-，y0-，z0-)，计算两个坐标的距离此距离即为此位置下齿轮齿条间隙，在其他位置同样利用此方法，求出整个传动机构的齿轮齿条间隙大小；步骤三、电机每转一圈运动的平动距离修正方法公式推导如下，已知减速机的减速比α、齿轮分度圆直径D，控制平动机构等间距运行，利用激光跟踪仪测量出等间距运动下对应的实际坐标(xi，yi，zi)，计算出各个位置到起始位置的实际距离，公式如下电机转一圈平动机构运动的平动距离理论值l＝πD/α(2)规划位置对应的距离设定为s(i)＝step·i(3)根据公式(2)、(3)，得到给定位置电机所运动的圈数表达式c＝l/s＝πD/(s·step·i)(4)实际运动过程位置误差为error(i)＝a(i)-s(i)(5)利用最小二乘法将error拟合为一条直线errorfit＝errork(1)·x+errork(2)(6)计算出修正后的规划位置fitpos＝errorfit+s(7)求出修正后电机每转一圈的运动的平动距离，即对各个位置计算出来的kadjust求平均步骤四、消除齿轮齿条间隙的步骤如下：(1)将激光跟踪仪安装到三脚架上，并将激光跟踪仪调至水平状态；(2)将光学靶球和靶球座固定到飞行器地面仿真系统平动机构负载台面上；(3)首先利用激光跟踪仪多次测量同一个位置，计算其重复性大小，判断光学靶球是否被固定住，检查其机械台体是否有松动情况；(4)上述步骤无问题后，计算齿轮齿条间隙大小；(5)初次启动飞行器地面仿真设备时，将平动机构从正方向运动到零位，当运动方向从正向往反向切换时，将设定规划位置减去间隙大小，当从反向往正向运动时，设定规划位置加上间隙；步骤五、下面修正电机每转一圈运动的平动距离步骤如下：(1)重复消除此间隙的步骤一、二、三；(2)上述过程无问题后，设定平动机构运动行程为2m，将平动机构运动到起始位置，利用激光跟踪仪测量此点作为第一个位置坐标点；(3)平动机构运动到位置100mm位置，激光跟踪仪再次测量此位置坐标，以100mm为步长依次运动并测量坐标，当运动到位置2m时，作为最后一个测量点；(4)利用上述公式，已知减速机减速比25，齿轮分度圆直径168mm，利用公式(2)计算出电机每转一圈对应的距离为21.1008mm，再对激光跟踪仪测量的坐标整理出各个位置坐标到第一个点的距离，利用上述公式计算出修正后kadjust的值；(5)将kadjust值带入控制程序里，重复步骤二，重新利用激光跟踪仪进行测量，再继续修正kadjust的值，直至计算出来的误差没有趋势项，计算出来的位置误差分布均匀时完成对kadjust值修正，即结束对电机每转一圈运动的平动距离的修正。通过本专利技术的一种对飞行器地面仿真系统平动机构高精度姿态控制方法的修正，其位置精度由原先未经过修正处理的0～0.51mm到现在修正后的-0.1479～0.1375mm，提高了大于0.2mm的位置精度，本专利技术的控制方法具有简单、易操作、精度高的优点。附图说明图1为空间飞行器地面仿真系统平动机构机械总装图。图2为伺服电机、减速器、齿轮齿条装配图。图3为激光跟踪仪对空间飞行器地面仿真系统平动机构位置姿态测量示意图。图4为平动机构正向运动时齿隙存在情况示意图。图5为平动机构反向运动时齿隙存在情况示意图。图6为电机每转一圈对应的平动距离第一次测量位置误差曲线图(修正前)。图7为电机每转一圈对应的平动距离修正后测量位置误差曲线图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术做进一步的详细说明：本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本专利技术的保护范围不限于下述实施例。本实施例所涉及的一种对飞行器地面仿真系统平动机构高精度姿态控制方法：如图1所示，平动机构包括X轴、Y轴、Z轴三个自由度的运动姿态组成，执行机构采用伺服电机、减速机、齿轮齿条的机械结构方式，如图2所示。影响平动机构运动姿态精度包括以下两个参数，一个是机械结构中齿轮齿条本身的间隙，一个是控制系统中定义一个量纲常数电机每转一圈平动机构运动的平动距离。本实施例使用的激光跟踪仪是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器，其精度达到±10μm，满足对平动机构位置姿态测量要求。下面介绍消除这两个参数对平动机构姿态位置精度的影响，首先介绍消除机械结构中齿轮齿条间隙，由于齿轮齿条自身存在一个间隙才能使其正常工作，于此同时这个间隙又会影响平动机构位置精度，具体消除此间隙的步骤如下。1、将激光跟踪仪安装到三脚架上，并将激光跟踪仪调至水平状态；2、将光学靶球和靶球座固定到飞行器地面仿真系统平动机构负载台面上，如图3所示；3、首先利用激光跟踪仪多次测量同一个位置，计算其重复性大小，判断光学靶球是否被固定住，检查其机械台体是否有松动情况；4、上述步骤无问题后，计算齿轮齿条间隙大小，将平动机构从正方向运动到零位，利用激光跟踪仪记录此坐标(x0+，y0+，z0+)，再从负方向运动到零位(x0-，y0-，z0-)，计算两个坐标的距离此距离即为齿轮齿条间隙大小。5、利用上述方法在位置为500mm、1000m、1500mm、2000mm等位置重复步骤4，计算出齿轮齿条间隙平均值lcx，测量点越多，计算出来的误差越小。6、如图4和图5所示，给出正向运动、反向运动间隙存在位置。初次启动飞行器地面仿真设备时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对飞行器地面仿真系统平动机构高精度姿态控制方法，其特征在于，步骤一、如果首次平动机构运动从正方向运动到零位时，当运动方向从正向往反向改变时，将设定的规划位置减去间隙大小，此后只要运动方向不改变无需处理此间隙，当从反向往正向运动切换时，在设定的规划位置加上间隙大小，但首次平动机构运动从负方向运动到零位时，当运动方向从正向往反向改变时，将设定的规划位置加上间隙大小，此后只要运动方向不改变无需处理此间隙，当从反向往正向运动切换时，在设定的规划位置减去间隙大小；步骤二、齿轮齿条间隙的测量，将平动机构从正方向运动到零位，利用激光跟踪仪记录此坐标(x

【技术特征摘要】
1.一种对飞行器地面仿真系统平动机构高精度姿态控制方法，其特征在于，步骤一、如果首次平动机构运动从正方向运动到零位时，当运动方向从正向往反向改变时，将设定的规划位置减去间隙大小，此后只要运动方向不改变无需处理此间隙，当从反向往正向运动切换时，在设定的规划位置加上间隙大小，但首次平动机构运动从负方向运动到零位时，当运动方向从正向往反向改变时，将设定的规划位置加上间隙大小，此后只要运动方向不改变无需处理此间隙，当从反向往正向运动切换时，在设定的规划位置减去间隙大小；步骤二、齿轮齿条间隙的测量，将平动机构从正方向运动到零位，利用激光跟踪仪记录此坐标(x0+，y0+，z0+)，再从负方向运动到零位(x0-，y0-，z0-)，计算两个坐标的距离此距离即为此位置下齿轮齿条间隙，在其他位置同样利用此方法，求出整个传动机构的齿轮齿条间隙大小；步骤三、电机每转一圈运动的平动距离修正方法公式推导如下，已知减速机的减速比α、齿轮分度圆直径D，控制平动机构等间距运行，利用激光跟踪仪测量出等间距运动下对应的实际坐标(xi，yi，zi)，计算出各个位置到起始位置的实际距离，公式如下电机转一圈平动机构运动的平动距离理论值l＝πD/α(2)规划位置对应的距离设定为s(i)＝step·i(3)根据公式(2)、(3)，得到给定位置电机所运动的圈数表达式c＝l/s＝πD/(s·step·i)(4)实际运动过程位置误差为error(i)＝a(i)-s(i)(5)利用最小二乘法将error拟合为一条直线errorfit＝errork(1)·x+errork(2)(6)计算出修正后的规划位置fitpos＝errorfit+s(7)求出修正后电机每转一圈的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王常虹，孟祥瑞，马广程，夏红伟，曹天倚，杨智科，薛智文，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23