六自由度绳牵引并联机构的运动控制研究与实现

摘要

将绳牵引并联机构支撑系统引入低速风洞试验，大大改善了传统硬式支撑对空气流场的干扰状况。本文对这种绳牵引并联机构在风洞动态试验要求下的运动控制系统和数据采集系统展开了研究，分析了机构的运动学模型，搭建了伺服系统、运动控制系统和数据采集系统硬件，编写了整个系统软件，并对系统的试验能力进行了检验。本文的主要工作和成果如下:
　　首先，在欧美坐标系下定义了机构的坐标系和欧拉姿态角，进而根据坐标变换相关理论描述了原理样机的齐次坐标变换形式。以此为基础，建立了基于防脱绳万向滑轮的原理样机精确运动学模型，为更加精确的运动控制奠定了理论基础。
　　其次，建立了第二代WDPSS-8原理样机，包括设计、搭建和调试了伺服系统及相应的电气系统、PMAC运动控制系统、位姿测量系统等硬件系统。介绍了各个硬件子系统的组成结构和工作原理，为原理样机实现良好的动态试验性能奠定了硬件基础。
　　再次，在各个子系统硬件的基础上，完成了控制软件的编写。利用Tilcon开发了上位机操作界面，编写了运动控制程序框架，运用Windows多线程技术解决了PMAC通信速度问题，编写了姿态角采集程序、OpenGL三维仿真显示程序和绳拉力采集程序。为WDPSS-8原理样机提供了人机交互、运动控制、数据采集、仿真显示等各系统集成控制环境。
　　最后，通过试验考察了原理样机的性能，对角度和频率跟踪精度分别进行了对比分析，并针对试验误差的变化情况阐述了可能的误差来源，验证了飞行器进行风洞动态试验在机电控制上的可行性。
　　本文的研究实现了基于低速风洞动态试验的绳牵引并联机构运动控制与测量，同时为课题的更深入研究打下了良好的基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 绳牵引并联机构研究概况

1．2 本文研究的背景及主要内容

第二章 WDPSS-8原理样机运动学分析

2．1 原理样机的坐标系与参数描述

2．1．1 机构坐标描述

2．1．2 飞行器姿态角描述

2．2 坐标变换

2．2．1 常用坐标变换

2．2．2 原理样机的齐次坐标变换

2．3 机构运动学

2．3．1 运动学位置逆解

2．3．2 运动学速度逆解

2．4 本章小结

第三章 系统硬件设计与调试

3．1 原理样机的总体硬件结构

3．2 伺服系统硬件及参数调试

3．2．1 伺服电动机

3．2．2 伺服驱动器

3．2．3 电气系统

3．3 PMAC系统硬件及参数调试

3．3．1 PMAC运动控制系统总体结构

3．3．2 PMAC运动控制卡

3．3．3 控制接线

3．3．4 硬件限位

3．3．5 PMAC参数调试

3．4 位姿测量系统硬件

3．4．1 航姿参考系统(AHRS)

3．4．2 位姿测量系统硬件组成

3．5 绳拉力采集系统硬件

3．6 本章小结

第四章 控制系统软件开发

4．1 Tilcon图形界面开发

4．1．1 Tilcon的组成原理

4．1．2 运动控制程序界面

4．1．3 Tilcon主程序框架

4．2 基于多线程的PMAC运动控制

4．2．1 Windows多线程技术

4．2．2 PMAC与应用程序通信

4．2．3 PMAC命令

4．2．4 轴运动控制

4．2．5 静导数试验运动控制

4．2．6 动导数试验运动控制

4．3 数据采集

4．3．1 位姿数据采集与显示

4．3．2 绳拉力采集

4．4 本章小结

第五章 控制试验

5．1 风洞试验

5．2 动态运动控制试验

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读学位期间发表的成果目录

致谢