六自由度運動模擬器精度分析及其標定.pdf

1、隨著載人航天技術的發(fā)展，空間對接技術已成為各國十分關注的問題。空間對接技術是建立載人空間站必須解決的關鍵技術，也是我國航天事業(yè)進一步發(fā)展所迫切需要解決的問題。為了有效掌握載人航天技術，并針對對接系統(tǒng)研制以及性能測試中需要解決的關鍵技術，對空間對接過程半物理仿真試驗系統(tǒng)進行研究是非常必要的。六自由度運動模擬器作為空間對接過程半物理仿真試驗系統(tǒng)的關鍵設備之一，其位姿誤差直接影響整個系統(tǒng)的仿真精度。因此，提高六自由度運動模擬器的位姿精度對于空

2、間對接過程半物理仿真試驗研究具有十分重要的意義。為解決六自由度運動模擬器的位姿精度保證問題，本文密切結合空間對接過程半物理仿真技術的需要，針對提高六自由度運動模擬器位姿精度的關鍵問題——精度設計和運動學標定技術進行了深入的研究。
　　本文利用機器人學中的齊次坐標變換方法，以哈爾濱工業(yè)大學電液伺服仿真及試驗系統(tǒng)研究所研制的六自由度運動模擬器為結構模型，將其各條分支鏈作為假想的單分支鏈，根據(jù)運動學方程以及并聯(lián)機構的環(huán)路特性，建立了六自

3、由度運動模擬器的位姿誤差模型。利用此模型，可以對六自由度運動模擬器的位姿精度進行評估，并分析了六自由度運動模擬器位姿誤差的標準差在工作空間內(nèi)的分布規(guī)律，為進一步提高六自由度運動模擬器的位姿精度提供了理論依據(jù)。
　　本文針對六自由度運動模擬器位姿的測量問題，提出了利用三坐標測量機測量運動平臺上三個標準球?qū)潭ㄆ脚_上三個標準球的距離，然后通過計算來確定六自由度運動模擬器的位姿。詳細地分析、研究了位姿測量誤差對三坐標測量機的測量誤差和固

4、定平臺上三個標準球的位置誤差的敏感性。推導出了三坐標測量機的測量誤差、固定平臺上三個標準球的位置誤差對位姿測量誤差的函數(shù)，發(fā)現(xiàn)只要適當?shù)卦龃蠊潭ㄆ脚_上三個標準球之間的相對距離，就能夠有效地降低三坐標測量機的測量誤差和固定平臺上三個標準球的位置誤差對位姿測量的影響，從而提高了位姿測量的準確性。
　　本文研究了六自由度運動模擬器的外部標定技術，提出了基于運動學正、反解的外部標定方法，并完成了全部標定計算工作。首先，以六自由度運動模擬器

5、運動學反解模型為基礎，建立了標定模型，通過最小二乘算法和迭代算法求解六自由度運動模擬器的結構參數(shù)。對影響該標定算法計算精度的因素進行了詳細分析，指出良好的標定方程的系數(shù)矩陣是提高標定算法精度的前提條件。并通過算例和標定實驗驗證該方法的有效性。
　　為了進一步提高六自由度運動模擬器結構參數(shù)的辨識精度，本文提出了以六自由度運動模擬器運動學正解為基礎，結合總體最小二乘參數(shù)辨識方法，建立了包含位姿測量誤差、驅(qū)動腿伸縮長度測量誤差和結構參數(shù)

6、誤差在內(nèi)的標定模型，并給出結構參數(shù)辨識的非線性最小二乘準則函數(shù)以及牛頓-拉夫遜估計算法，討論了雅可比矩陣的求解方法，從而完整地闡明了結構參數(shù)辨識的計算過程。在迭代算法中，初值的選取是很重要的問題，它直接關系到算法是否收斂、是否會陷入局部最優(yōu)解，對此本文提出了以運動學反解的辨識結果作為初值，這不但解決了上述問題，并且由于初值已經(jīng)充分地接近了真值，明顯地減少了迭代次數(shù)，提高了運算速度。對于噪聲引起的病態(tài)矩陣問題，本文采用萊文-伯格算法加以解