一种环形桁架三维随动系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种环形桁架三维随动系统的控制方法，其具体包括如下步骤：S1：以m根绳索具有n自由度索并联系统为研究对象建立坐标系；S2：建立系统广义力平衡模型；S3：计算索并联系统的广义力W：S4：通过判断m根索组成的拉力矢量T是否满足如下关系：T

【技术实现步骤摘要】
一种环形桁架三维随动系统及其控制方法


[0001]本专利技术涉及模拟试验平台
，更为具体地，本专利技术涉及一种环形桁架三维随动系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]地外天体低重力模拟试验平台是首次火星探测的地面验证试验的关键设施之一，其为火星、月球、行星探测器的悬停、避障点火着陆实验等提供了低重力的模拟环境。
[0003]当前低重力模拟试验平台的随动系统主要有以下两种：
[0004]第一种是大转动臂随动系统。其随动架构采用极坐标形式，在旋转机械臂上安装平移小车及升降卷筒机构，通过测量位置和速度控制小车和旋臂运动实现在水平面的位置跟随，控制卷筒位置和速度实现垂直方向的拉力跟随。该方案的驱动系统比较简单，但是受旋转机械臂及小车机构和卷筒机构惯量及结构强度限制，仅适合于几十公斤载荷和数米内空间范围的低重力模拟。
[0005]第二种是移动桁车式随动系统。其实现方式是在移动式桁车上安装平移小车及卷筒机构，通过桁车、平移小车和卷筒机构的联动，实现低重力模拟。该方案采用的桁车结构提高了系统的结构强度，可以增加平移小车及卷筒机构的负载能力以及运动范围，使试验载荷可以达到数百公斤及数十米的低重力模拟空间范围，但是由于移动式桁车结构巨大，其重量通常达到数百吨，使得系统的平移速度及加速度受到限制。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足之处，本专利技术的目的在于提出环形桁架三维随动系统及其控制方法，所述三维随动系统包括索并联驱动系统、水平随动系统和拉力调节系统。根据本专利技术的三维随动系统为一种二级串联快速随动系统，其中并联驱动系统提供大范围、高速度的三维位置随动，为一级随动，水平随动系统提供探测器水平位置精确随动，拉力调节系统实现探测器拉力的精确随动，为二级随动。
[0007]本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种环形桁架三维随动系统的控制方法，其具体包括如下步骤：
[0009]S1：以m根绳索具有n自由度索并联系统为研究对象建立坐标系，所述坐标系包括坐标系局部坐标系P
‑
XYZ和全局固定坐标系O
‑
XYZ；
[0010]S2：根据第i根索张力方向的单位矢量、第i根索力作用点在快速随动圆盘局部坐标系中的位置矢径以及m根索组成的拉力矢量，建立系统广义力平衡模型；
[0011]S3：计算索并联系统的广义力W：
[0012]S4：通过判断m根索组成的拉力矢量T是否满足如下关系：T
min
≤T≤ T
max
，确保各拉索不虚牵，转入S5；
[0013]S5：以张力最小方差minf(T)为目标对所建立的索系统广义力平衡模型进行优化；
[0014]S6：计算索并联驱动系统力控工作空间；
[0015]S7：建立索并联驱动系统随动控制方程；确定随动平台在所处位置运动状态下各钢丝绳的张力大小，通过控制伺服电机位移与张力，可以实现索并联驱动系统随动控制；
[0016]S8：建立水平快速随动系统控制模型，根据吊绳倾角，计算修正偏差位移，通过伺服电机带动伺服驱动机构驱动快速随动平台，使吊绳倾角保持与重力场一致；
[0017]S9：设置拉力变化曲线，确定伺服电机工作在力矩模式，进行拉力闭环反馈控制。
[0018]优选地，局部坐标系P
‑
XYZ的坐标原点P位于快速随动圆盘几何对称中心，全局固定坐标系O
‑
XYZ的坐标原点0在试场地面驱动系统的对称中心，坐标轴Z正向垂直向上。
[0019]优选地，工作空间，具体计算方法如下：
[0020]1)对索并联驱动预设工作空间以合理长度划分网格点；
[0021]2)提取一个网格点位姿参数X，计算结构矩阵J；
[0022]3)判断结构矩阵是否满秩，即rank(J)＝n是否成立，如果不满秩，则该位姿点不属于工作空间，如果满秩，进入下一步；
[0023]4)运用索力优化方法计算得到优化结果，检查索力是否满足 T
min
≤T≤T
max
条件，若满足，则该点属于工作空间，若不满足，则该点不属于工作空间；
[0024]5)返回步骤2)，提取另一网格点重复3)～5)，直到所有网格点计算完毕，即可确定系统工作空间范围。
[0025]优选地，S9中，判断试验是否结束，若试验结束则设定为位置控制模式，结束此次控制。若试验未结束，继续进行拉力闭环反馈控制。
[0026]优选地，拉力调节控制系统中电流反馈环节的传递函数为
[0027][0028][0029]式中，G
ief
为电流反馈环节的传递函数、K
ief
为电流反馈环节的传递函数的放大系数、T
ief
为电流反馈环节的延迟时间，G
pwm
为坐标变换、脉宽调制和功放等环节的传递函数、K
pwm
为坐标变换、脉宽调制和功放等环节的放大系数、T
pwm
为坐标变换、脉宽调制和功放等环节的延迟时间。
[0030]优选地，电流环控制器的传递函数为
[0031][0032]其中，K
p
是电流调节器的比例系数，K
i
为电流调节器的时间常数。
[0033]优选地，将电流环校正成I型系统。
[0034]优选地，电流环的简化闭环传递函数G
i
(s)为
[0035][0036]其中，ξ为电流环闭环阻尼比，ω
n
为电流环闭环阻尼比和固有频率，满足
[0037][0038]优选地，速度环控制器的闭环传递函数简化为
[0039][0040]一种环形桁架三维随动系统，其包括索并联驱动系统、水平随动系统和拉力调节系统，水平随动系统提供水平位置跟随，拉力调节系统实现探测器拉力的精确控制。
[0041]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
[0042]本专利技术采用两级随动控制方式，通过索并联驱动系统可以实现在数十米到上百米空间内的高速位置随动，由快速随动平台实现数百公斤载荷的高精度位置和拉力随动，通过两级串联，由粗到精逐级控制方式，实现了大范围、大载荷、高精度的低重力模拟试验目的，降低了系统实现难度，提高了系统精度，满足地外天体低重力模拟试验要求。
附图说明
[0043]本专利技术上述和/或附加方面的优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0044]图1为根据本专利技术实施例的环形桁架三维随动系统的组成示意图。
[0045]图2为根据本专利技术实施例的环形桁架三维随动系统的控制方法的流程示意图。
[0046]图3为根据本专利技术实施例的环形桁架三维随动系统的主提升索驱动系统的结构示意图。
[0047]图4为根据本专利技术实施例的环形桁架三维随动系统的水平随动系统的结构示意图。
[0048]图5为根据本专利技术实施例的环形桁架本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种环形桁架三维随动系统的控制方法，其特征在于，其具体包括如下步骤：S1：以m根绳索具有n自由度索并联系统为研究对象建立坐标系，所述坐标系包括坐标系局部坐标系P
‑
XYZ和全局固定坐标系O
‑
XYZ；S2：根据第i根索张力方向的单位矢量、第i根索力作用点在快速随动圆盘局部坐标系中的位置矢径以及m根索组成的拉力矢量，建立系统广义力平衡模型；S3：计算索并联系统的广义力W：S4：通过判断m根索组成的拉力矢量T是否满足如下关系：T
min
≤T≤T
max
，确保各拉索不虚牵，转入S5；S5：以张力最小方差minf(T)为目标对所建立的索系统广义力平衡模型进行优化；S6：计算索并联驱动系统力控工作空间；S7：建立索并联驱动系统随动控制方程；确定随动平台在所处位置运动状态下各钢丝绳的张力大小，通过控制伺服电机位移与张力，可以实现索并联驱动系统随动控制；S8：建立水平快速随动系统控制模型，根据吊绳倾角，计算修正偏差位移，通过伺服电机带动伺服驱动机构驱动快速随动平台，使吊绳倾角保持与重力场一致；S9：设置拉力变化曲线，确定伺服电机工作在力矩模式，进行拉力闭环反馈控制。2.如权利要求1所述的环形桁架三维随动系统的控制方法，其特征在于，局部坐标系P
‑
XYZ的坐标原点P位于快速随动圆盘几何对称中心，全局固定坐标系O
‑
XYZ的坐标原点O在试场地面驱动系统的对称中心，坐标轴Z正向垂直向上。3.如权利要求2所述的环形桁架三维随动系统的控制方法，其特征在于，工作空间，具体计算方法如下：1)对索并联驱动预设工作空间以合理长度划分网格点；2)提取一个网格点位姿参数X，计算结构矩阵J；3)判断结构矩阵是否满秩，即rank(J)＝n是否成立，如果不满秩，则该位姿点不属于工作空间，如果满秩，进入下一步；4)运用索力优化方法计算得到优化结果，检查索力是否满足T
min
≤T≤T

【专利技术属性】
技术研发人员：董强，陈强，黄科，邢伟，程刚，
申请(专利权)人：中国人民解放军六三九二一部队，
类型：发明
国别省市：