基于位姿优化的六自由度运动平台的运动学标定

摘要

随着“神州”系列飞船的成功发射，空间交会对接的研究愈发具有重要价值，航天器的空间交会对接技术成为我国当前进行空间探索亟待解决的关键技术。为了确保交会对接的顺利完成，需要在地面上进行大量的仿真实验，而作为半物理仿真系统的核心部件，六自由度运动模拟器的精度是评价系统仿真质量的重要指标之一。为了使六自由度运动平台能够有效、准确地模拟对接飞行器之间的相对运动，对六自由度运动平台的运动精度提出了较高的要求。因此，本课题从研究如何提高六自由度运动模拟器位姿精度的相关技术问题入手，涉及到误差建模、运动学标定及位姿优化选择等方面内容，从减小误差、提高精度的角度对六自由度运动模拟器进行研究，对其今后相关技术的推广应用将起到理论支持作用。本文以哈尔滨工业大学电液伺服仿真及试验系统研究所研制的六自由度运动模拟器为结构模型，根据运动学方程以及并联机构的环路特性，建立了六自由度运动模拟器的位姿误差模型，并研究了六自由度运动模拟器的外部标定技术，提出基于运动学反解的外部标定方法，并完成了全部标定计算工作。首先，以六自由度运动模拟器运动学反解模型为基础，建立了标定模型，通过最小二乘算法和迭代算法求解六自由度运动模拟器的结构参数误差。其次，基于以上误差模型，通过Matlab对标定过程进行仿真，为提高六自由度运动模拟器的位姿精度提供了理论依据。由于测量位姿在运动学标定中具有重要意义，提出了基于遗传算法的位姿选择方案，并通过数值仿真进行验证。最后，拟定了利用三坐标测量机的位姿测量实验及基于反解误差模型的运动学标定实验。参数辨识的数值仿真结果表明本文建立的参数辨识模型简单、求解速度快、精度高；并通过两个位姿组的对比仿真，证实基于遗传算法的位姿优化的可行性。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 空间对接综合试验台组成

1.1.2 六自由度运动模拟器工作原理

1.2 并联机构的理论研究现状

1.2.1 运动学分析

1.2.2 精度分析及误差检测

1.3 研究目标及所做工作

第2章 并联机构运动学

2.1 六自由度运动平台

2.1.1 坐标系的建立

2.1.2 姿态广义坐标的描述

2.2 六自由度运动平台的反解

2.2.1 作动杆铰支点坐标的确定

2.2.2 平台位置反解

2.3 六自由度运动平台的正解

2.3.1 位置正解数值方法研究

2.4 本章小结

第3章 运动学标定

3.1 运动学标定步骤

3.2 六自由度运动平台的误差模型

3.3 参数辨识雅可比矩阵的推导

3.4 误差补偿模型

3.4.1 位姿补偿模型

3.4.2 补偿建模

3.5 本章小结

第4章 位姿选择与标定仿真

4.1 仿真模型

4.2 测量位姿的选择的重要性

4.2.1 雅可比矩阵的评价标准

4.2.2 条件数指标的重要性

4.2.3 遗传算法

4.2.4 Matlab 遗传算法工具箱

4.2.5 位姿优化问题具体算例

4.3 仿真算例

4.3.1 实验台的具体数据

4.3.2 假定测量位姿

4.3.3 假设系统误差

4.3.4 假设测量噪声

4.4 数据结果及分析

4.5 本章小结

第5章 实验方案

5.1 实验工具

5.1.1 三坐标测量机

5.1.2 其他仪器

5.2 位姿测量

5.2.1 六自由度运动模拟器的坐标参考系

5.2.2 测量坐标参考系

5.2.3 位姿测量原理

5.2.4 测量方案

5.3 标定实验

5.3.1 标定的准备

5.3.2 标定的步骤

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢