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基于ADAMS与MATLAB的Stewart次镜平台联合仿真

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卖家[上传人]：论****

文档编号：554264

上传时间：2017-03-29

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1、基于镜平台联合仿真摘要：提高空间相机成像质量的有效方法。为验证确性、提高设计效率，本文基于口技术，建立了台机械与控制系统机电混合模型，进行了机电联合仿真研究。首先，对镜平台进行了运动学理论分析，建立了运动学数学模型；然后，在将立了机电联合系统模型；最后，以典型的阶跃位姿轨迹信号，对真结果表明，真参数和数据为键词：镜；并联机构；运动学；动力学；虚拟样机；In to of of a a of of on s of of of of of of by it in of by a as of a of 言空间相机受发射冲击、振动及在轨温度环境变化、应力释放等因素影响，可能会引起主次镜相对位置的误差及次镜倾斜，造成相机的成像质量下降。为保证主次镜光路的精确重合与对准，需要对次镜的位置与姿态做实时调整。六自由度联机构作为次镜调整机构，具有高精度、高刚度、高稳定性，误差小，摩擦小，动态性能好等优点 1但并联机构是一个多输入、多输出系统，杆间耦合性强，控制过程复杂。在制造镜平台的实物之前，须对并联机构机械系统和控制系统进行仿真研究，为其结构优化、控制器设计、模拟运动提供理论依据和主要参数。传

2、统的机电系统设计是分别设计机械和控制系统，在物理样机测试时第一次将两个设计结果结合起来，容易发生机械和控制系统不匹配问题，设计修改量大，设计效率低。因此，急需一种从设计伊始就同时考虑机械、控制系统，将二者建立在同一仿真模型中进行机电联合仿真的设计方法。联合仿真就是不同的仿真程序在同一步长时刻下交换参数和数据，然后各自进行求解计算的方法。这种方法能够有效结合多种软件的优点，实现并联机构的设计要求，提高设计的效率和质量。以与间进行控制数据交换，本文通过块和接口来实现镜平台的机电联合仿真。1 联机构运动学分析并联机构运动学分析是求解并联机构的输入与输出构件之间的位置、速度、加速度之间的关系。运动学分析是进行动力学分析、结构优化设计、控制策略研究的基础。论基础如图 1 所示，联机构结构由上下两个平台和 6 个并联的、可独立自由伸缩的杆件组成。六根支杆和平台之间通过虎克铰球铰接，通过控制六根支杆长度来实现动平台（上平台）的位姿调整。为了定量地表示动平台各处的坐标，在静平台的综合质心处建立惯性坐标系（静坐标系）坐标原点为 O，在上平台的综合质心处建立连体坐标系（动坐标系）标原点为 P，各坐标

3、系的方向如图 1 所示。将欧拉定理中提到的刚体绕某一轴的有限转动分解为依一定顺序绕连体坐标轴的 3 次有限转动，则每次转过的角度可定义为确定刚体转动前后相对位置的 3 个广义坐标 5。本文选取绕 XYZ 坐标轴的顺序旋转，转动的欧拉角分别为 U、V、W。经过三次旋转之后，由旋转矩阵的性质可以得到公式（1）所示的旋转变换矩阵：(1)(,),( )， )， )， )， )， )。动平台姿态广义坐标为 q=X,Y,Z,U,V,WT 时，各支杆的长度如公式（2）所示：(2) 所示的支杆矢量 l i 为杆长，i=1,2,6。至此，建立了并联机构运动学逆解数学模型。联机构坐标系1 动学仿真为在对镜平台进行运动学仿真研究，须在建立镜平台的虚拟样机模型。供了参数化建模功能，即将所建立模型的特征值都用的设计参数表示，这样，模型就会随着设计参数的修改而自动改变，大大简化了人工修改过程，特别利于机械结构的优化设计。图 2 联机构参数化虚拟样机2 ，将上铰点铰点立了如图 2 所示的参数化虚拟样机模型。为模拟并联机构的运动，还需要给各个部件之间添加正确的约束。静平台与大地之间采用固定副约束，使静

4、平台固定于大地；铰点型铰约束，使支杆的静杆与静平台之间只具有 2 个转动自由度；铰点支杆的动杆与动平台之间只具有 3 个转动自由度；支杆的动杆与静杆之间以移动副约束，使二者之间只具有 1 个平移自由度，实现支杆的伸缩。这样，可以以此虚拟样机为基础，对镜平台进行运动学仿真研究。在动平台中心处同时施加六个自由度的一般点运动激励，使动平台实现沿 X、 Y、 Z 轴的移动以及沿 X、 Y、 Z 轴的旋转，以此来模拟动平台在实际工作中的一般运动。进行运动仿真后得到了如图3 所示的各支杆的长度变化曲线，此即运动学逆解。再根据公式（1）、（2），应用程计算运动学逆解，即各支杆的实时长度。经比较，算支杆实时长度曲线与真得到的曲线误差在 10-5 级，说明两种模型在同一时刻，支杆的伸缩量一致，理论模型和拟样机是正确的，可用此虚拟样机进行机电联合仿真。图 3 运动学逆解3 镜平台机电联合仿真块与制程序之间的联合仿真，实际上是供模型系统方程的参数接口，由制程序提供控制方案、求解控制方程；件可自动建立求解动力学方程 6，由求解器求解系统方程，在求解过程中，每经过一定时间间隔，二者进行一次数据

5、交换。制策略并联机构是个多输入多输出、高度非线性、强耦合系统，其控制问题一直是个难题。并联机构平台依靠合理并且实用的控制策略来充分发挥其性能潜力，控制策略将直接决定系统最终达到的性能指标。在实践中得到广泛应用的还是传统的制算法 7，六自由度联平台最常用的控制策略是基于铰点空间的制。这种控制方法对台的各个单通道系统分别设计制器，即分别控制六个支杆完成各自既定动作来控制动平台位姿。铰点空间制能够充分发挥其结构简单、调试方便的特点，使六自由度平台迅速地运行起来，因此在工程上铰点空间制应用是最广泛的。基于并联机构运动学的铰点空间制框图如图 4 所示。控制过程为，首先根据上平台姿态的目标轨迹用运动学逆解模块计算出每个支杆的目标轨迹，即各支杆的运动学逆解杆长后各支杆的实际长度相减得到杆长误差入到支杆各自的制器，经计算得到各杆位移量指令；位移指令经驱动执行机构驱动各杆运动度；杆长位移传感器将杆长的实际值馈给控制器，实现各杆杆长的位置闭环控制；根据并联机构运动学逆解即平台位姿与杆长的对应关系，实现六杆驱动动平台位姿 q 对目标位姿 I D 控制器 1动平台目标位姿驱动执行机构 1S t e w a r t e w a r I D 控制器 6 驱动执行机构 6杆长位移传感

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