基于线驱动并联机构的FAST馈源平台位姿测量方法

"中国天眼"——500 m口径球面射电望远镜(Five hundred meter aperture spherical radio telescope,FAST)日前已投入使用,其独创的光机电一体化馈源支撑方案使得结构重量降低2个数量级。在6根柔索对馈源舱进行初步定位的基础上,舱内的AB轴机构和精调Stewart平台支撑起馈源平台,并进行实时位姿补偿以实现馈源对天文目标的高精度跟踪。为避免通过各级驱动关节反馈值计算馈源平台位姿时,不能反映杆件弹性变形、铰链间隙引入的馈源平台误差,提出一种基于线驱动并联机构的馈源平台6自由度位姿直接测量方法,研究了测量系统的数学模型,利用机构构型的特点简化了线驱动并联机构的位姿正解算法。通过将简化后的位姿正解算法与传统6自由度机构位姿正解算法进行对比,验证了该方法的有效性和实时性;进一步分析了基于该方法的测量系统误差来源,得出了机构参数的误差映射关系。数值仿真结果表明:基于线驱动并联机构6自由度位姿测量系统具有误差平均效应,通过拉线连接点优化布局能够达到0.5 mm和0.025°的测量精度。     

大型射电望远镜馈源舱对Stewart平台扰动的响应

Stewart平台作为馈源位姿精调机构安装在大型射电望远镜的悬挂馈源舱中 ,与悬索对馈源舱位姿的粗调机构一起 ,构成馈源位姿的两级调整系统。模拟了当Stewart平台对馈源位姿进行精调时 ,馈源舱由于Stewart平台反作用力的扰动而产生的位移响应。根据模拟分析结果和观测精度要求 ,提出了保证馈源位姿两级调整方案成功实施的改进设计     

Stewart机构大幅主动减振耦合控制实验研究

以大射电望远镜馈源减振实验平台为基础,研究将Stewart机构作为大幅多自由度主动减振机构的控制问题.提出了基于Stewart机构运动学的控制方案.两级耦合控制实验的结果得出了控制精度与馈源运动速度之间的关系,证明了该控制方案可以满足FAST需要的减振精度要求.     

FAST馈源精调试验平台运动精度分析

设计了一种基于Stewart平台构型的大射电望远镜馈源精调试验平台,从关节位置误差和驱动杆长度误差两个方面讨论了这个试验平台的运动精度问题,得到了平台末端的位姿误差数学模型,仿真结果证明这种构型可以满足馈源精调试验平台的运动精度要求.     

FAST 50m模型馈源支撑系统的结构参数优化

对大射电望远镜50 m缩比模型的索驱动馈源支撑系统三级结构及参数进行优化设计。考虑到馈源支撑系统的天顶角指标从40°增加到60°的技术要求,改变二级模型结构,提出了三级索驱动馈源支撑系统结构,由馈源舱,AB轴,Stewart平台三部分构成,为了降低索拉力差,馈源舱的调整角度设计为20°,AB轴调整40°,Stewart平台调整定位精度。对馈源舱,AB轴的结构参数做了优化设计。并依优化结果,制造了新的三级索驱动馈源支撑系统的50 m缩比模型进行测试验证。     

大射电望远镜馈源舱系统Stewart平台的技术研究

FAST大射电望远镜以中科院国家天文台为研制总体,其Stewart平台作为馈源舱内部接收机平台的精调机构,用于减少和抑制整个馈源舱的风激扰动影响,并对馈源运动轨迹进行精调定位。基于目前馈源舱系统的设计输入,完成了Stewart平台的构型选择和参数确定,进而分别从下平台、上平台和伸缩支杆三方面进行Stewart平台的详细结构设计。在结构设计的基础上,利用有限元分析软件ANSYS分别对下平台、上平台和伸缩支杆进行了力学分析。结果表明,该Stewart平台满足设计需求。     

LT50m缩比模型舱索系统与Stewart平台动力学耦合分析

安装在大型射电望远镜(LT)悬挂馈源舱中的精调Stewart平台子系统与舱索粗调子系统之间存在动力学耦合，通过在LT原六索设计方案中增加下拉主动索系构成八索方案可以提高舱索系统的刚度，降低两级调整系统之间的耦合。在两级调整系统耦合动力学模型的基础上，针对LT50m模型的六索和八索设计方案进行了刚柔混合多体系统动力学仿真。结果表明，八索设计方案能够显著地降低二者之间的耦合，是系统解耦的一种有效途径。     

宏微并联机器人系统自适应交互PID监督控制

500m口径球面射电望远镜(Five hundred meter aperture spherical radio telescope,FAST)的馈源支撑与指向跟踪机构由宏微并联机器人系统构成,大跨度柔索驱动的宏并联机器人保证系统的大工作空间,精密电动缸驱动的Stewart平台作为微并联机器人保证系统的末端精度并扩展其伺服带宽。为了降低宏并联机器人的柔性对末端定位精度的影响,提出基于并联机构学原理的三维机动目标解耦跟踪预测算法,对馈源舱的运动进行跟踪预测。引入自适应交互算法解决PID参数的实时调整,设计自适应交互PID监督控制器,根据馈源舱的预测运动和馈源平台的目标轨迹产生电动缸规划级控制量。此外,在电动缸执行级采用带前馈的数字伺服滤波器实现电动缸的高精度轨迹跟踪。FAST50m缩尺模型试验表明,结合解耦预测算法对馈源舱的运动预测,自适应交互PID监督控制器效果良好,能够确保宏微并联机器人系统在以期望的跟踪速度运行时,获得完全满足控制要求的定位精度和指向精度。     

FAST馈源舱系统动态特性联合仿真研究

对某500m口径球面射电望远镜(FAST)馈源舱系统进行了联合仿真,首先建立了整个馈源舱系统的Adams舱索模型、机构的运动学反解以及外界风扰的数学模型,利用Adams和MATLAB进行了联合仿真,得到了馈源舱系统的动态特性,验证了在存在外界风扰时馈源舱系统控制的可行性。证明了所设计的馈源舱系统满足设计要求,为所设计的馈源舱机构达到系统要求的精度提供了重要保障。论文的研究内容对并联柔性系统在实际工程中的应用实践具有重要的指导意义。     

Stewart平台对大型射电望远镜反作用力的研究

Stewart平台作为馈源位置和姿态精调系统被安装在大型射电望远镜的悬挂馈源舱中。本文推导了计算馈源舱中的 Stewart平台对舱体反作用力的公式 ,分析了馈源舱体姿态 ,Stewart平台的质量、调整速度与反作用力间的关系。研究结果为设计馈源舱与 Stewart平台的质量比 ,消除平台对舱体的动力影响打下了基础     

FAST 馈源舱动力学设计及扰动抑制技术

为了实现500 m 口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST）的高精度指向观测,对柔性基础上的馈源舱控制精度进行了系统研究。通过轻量化高刚度的结构设计、运动与控制联合仿真、半实物仿真试验以及现场调试等措施,保证了馈源舱的动力学性能。通过 AB 轴和Stewart 组成的二次调整装置,采用大范围、高精度和高采样率的测量控制技术实现了馈源舱在百米大尺度空间内,克服高空风扰、钢索振动及自身的运动耦合等影响,将馈源定位于瞬时焦点。     

大射电望远镜馈源舱的结构分析与数据处理

采用通用有限元软件ANSYS建立了馈源舱的有限元模型,基于APDL语言实现了馈源舱在全工作空间内不同姿态的参数化建模。对位于典型姿态的馈源舱结构进行了有限元分析,得到了馈源舱在不同姿态下的刚度变形。通过对全工作空间内不同姿态下馈源舱的刚度分析,得到了不同姿态下馈源舱中各个关键点的变形量,同时给出了单一姿态标定后馈源舱由于刚度变形引入的系统误差,为馈源舱在全工作空间内的控制精度和定位精度分析提供重要参考。     

FAST馈源支撑系统位姿分配方法研究

为实现五百米口径球面射电望远镜(Five-hundred meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST)馈源支撑系统馈源终端的高精度轨迹跟踪及防止馈源支撑索力超限,研究了馈源支撑系统星形框架和AB轴机构对目标终端位姿的分配算法。首先,根据馈源支撑系统机构特征,综合馈源舱的重心时变及其采用的回照策略,建立了带有馈源舱回照策略的考虑馈源舱重心时变的悬索牵引并联系统力学模型。然后,为解决AB轴机构与星形框架间的运动耦合问题,设计了两种馈源支撑系统位姿分配算法:优先保障六索索力均衡的位姿分配算法和优先保障馈源接收终端定位精度的位姿分配算法。最后,通过仿真对两种算法在馈源终端定位精度和索力分布情况两个方面的性能进行分析。仿真结果表明:前一算法能使六索索力分配均匀,但是引入了最大1.2°的馈源接收终端指向误差,已超出工程指向精度范围。后一算法的六索索力波动较大,但索力没超限或虚牵,能保证馈源接收终端的位姿,此算法满足工程需求。     

LT50 m模型柔性Stewart平台的运动精度分析

基于刚柔混合多体系统动力学的模态综合法研究了LT50 m模型中精调稳定Stewart平台的动力学问题,计算了支腿弹性变形对Stewart平台定位精度的影响。仿真结果表明,在LT50 m模型中,相对于实验获得的支腿进给误差和Stewart平台固有的加工制造误差对系统定位精度造成的影响,支腿的弹性变形可以忽略不计。     

柔索悬挂Stewart平台振动控制及稳定性研究

在柔索悬挂条件下,利用多体动力学与控制理论以及特征系统实现算法(eigensystem realization algorithm,ERA),研究了Stewart平台的基平台受到扰动时其末端执行器的控制稳定性问题,提出了相应的控制策略.用自行研制的多体动力学与控制仿真软件分析了不同弹性系数在柔索悬挂条件下Stewart平台的动态特性,并用ERA对系统的模态进行了比较,获得了动力学上可控的悬挂支撑方案.以数值仿真分析结果为基础设计了柔索悬挂Stewart平台的试验方案,对实际控制效果进行了研究,验证了数值仿真结果的正确性.     

输入不确定的6自由度悬索并联机器人位置控制

大射电望远镜工程中,六根大跨度的悬索被用来牵引馈源舱,实现馈源舱大范围的位置和姿态空间扫描运动。基于此,考虑到舱索系统的惯性主要集中在馈源舱上,且舱体运行速度缓慢以及索结构间的强耦合的特点,基于牛顿欧拉方程和舱索非线性准静态静平衡方程,建立馈源舱动力学模型。将悬索模型的误差视为外部对馈源舱系统的未知扰动,利用扩张状态观测器(ESO)对馈源舱的各阶状态及未知扰动进行有效的估计,在此基础上提出具有强鲁棒性自抗扰滑模控制器,并证明该控制器的稳定性。数值结果说明了方法的可行性和有效性。     

柔索悬挂Stewart平台振动控制及稳定性研究

在柔索悬挂条件下,利用多体动力学与控制理论以及特征系统实现算法（eigensystem realization algorithm,ERA）,研究了Stewart平台的基平台受到扰动时其末端执行器的控制稳定性问题,提出了相应的控制策略。用自行研制的多体动力学与控制仿真软件分析了不同弹性系数在柔索悬挂条件下Stewart平台的动态特性,并用ERA对系统的模态进行了比较,获得了动力学上可控的悬挂支撑方案。以数值仿真分析结果为基础设计了柔索悬挂Stewart平台的试验方案,对实际控制效果进行了研究,验证了数值仿真结果的正确性。

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索系馈源支撑结构控制方法的研究

大射望远镜(LT)采用六根大跨度的钢索驱动馈源舱完成大范围扫描跟踪。针对系统中的索结构之间强耦合以及模型变结构的特点,基于非参数自适应技术,提了一种具有神经网络自适应反馈控制的方法。该方法对于馈源舱做空间轨迹跟踪时索质量时变具有一定的鲁帮性。LT50m模型实验结果表明馈源舱的定位精度达到1．5cm。     

高功率激光装置中靶的定位调试

为了提高高功率激光装置中靶定位调试的效率和精度,提出了一种仿真初调和实验误差分析相结合的靶定位调试方法。该方法采用3-CCD传感器进行定位监测,利用OpenGL成像技术实现CCD仿真图像的采集,并对目标靶、送靶机构等进行虚拟构建。基于仿真实验分析了实际系统中靶定位的误差来源,包括图像检测误差、3-CCD传感器的装校误差及送靶机构的定位误差等。靶定位算法的调试和初步验证在仿真系统中独立进行,实现了理想条件下的零误差定位调整;调试后的算法在实际系统中的靶定位精度小于±5μm,角度误差为±0.015°。由于仿真初调可脱离实验平台进行,故有效地提高了工程效率。提出的调试方法在实际系统中的定位精度满足高功率激光打靶的要求。     

舱段水平对接系统的误差分析

作为航天器总装过程中的关键程序,舱段对接属于高精度装配。为了分析基于并联机构的舱段对接技术是否满足高精度需求,首先利用D-H法建立了并联机构定位误差与末端输出误差之间的传递模型。然后,结合实际工程模型进行仿真分析,得到并联机构定位误差对末端输出的影响规律。最后根据分析结果,提出了改善并联机构定位误差的补偿方案,从而确保基于并联机构的水平对接技术满足航天器舱段的未来发展需求。