星球车及空间机械臂——地面运动性能测试的微低重力模拟方法及应用

宇航空间机构大多工作于微低重力场中，因而微低重力模拟成为避免航天器过载受损、确保地面实验结果有效的必要条件。由于无法长时间、大范围模拟微低重力场，因此如何准确模拟宇航空间机构在微低重力场中的运动性能成为国际航天领域公认的地面实验瓶颈问题。 啥尔滨工业大学宇航空间机构及控制研究中心结合我国载人航天与探月工程等国家科技重大专项的需求，主要以星球车、空间机械臂等典型复杂宇航空间机构为对象，通过开展宇航空间机构微低重力模拟的理论与工程应用研究，提出了基于重力场-悬吊力等效转换的多自由度宇航空间机构微低重力模拟方法，发明了具有三转动自由度被动自适应功能的悬吊力等效施加机构以及悬吊点三平动自由度的高精度力位混合跟踪控制技术，研制出星球车、机械臂等复杂宇航空间机构的悬吊式微低重力模拟系统。为中国“首次火星探测任务”的火星车、“空间站核心舱”大型机械臂等型号产品的地面运动性能模拟测试提供了不可或缺的技术支撑。本书正是基于上述研究撰写的。本书适合科研院所、高等院校从事宇航空间机构微低重力模拟研究的工程设计人员、教师以及在校研究生阅读和参考。

第1章 绪论
1.1 引言
1.2 星球车的工作环境
1.2.1 月球车的工作环境
1.2.2 火星车的工作环境
1.3 空间机械臂的工作环境
1.4 原有的微低重力模拟方法
1.4.1 抛物线飞行法
1.4.2 落塔法
1.4.3 去除质量法
1.4.4 气浮法
1.4.5 水浮法
1.4.6 传统悬吊法
1.5 原有微低重力模拟方法存在的问题
1.5.1 原有微低重力模拟方法的比较
1.5.2 传统悬吊法存在的问题
1.6 微低重力模拟系统组成
1.6.1 悬吊力等效施加子系统
1.6.2 位姿检测子系统
1.6.3 二维跟踪控制子系统
1.6.4 恒悬吊力控制子系统
1.7 本章小结
参考文献
第2章 星球车地面运动测试的悬吊式低重力模拟方法
2.1 引言
2.2 星球车动力学模型的建立
2.2.1 广义坐标的选取
2.2.2 轮地力轮地接触压力至广义力的映射
2.2.3 拉格朗日算子的构成
2.3 重力场-悬吊力等效转换模型的建立
2.3.1 悬吊力的约束条件
2.3.2 关节链及参数定义
2.3.3 关节链的重力势能
2.3.4 关节链的悬吊力势能
2.3.5 模型的表达式
2.4 悬吊力的解系
2.4.1 单关节链的悬吊力解系
2.4.2 多关节链的悬吊力解系
2.4.3 分叉关节链的悬吊力解系
2.4.4 差速器耦合关节链的悬吊力解系
2.4.5 悬吊力解系小结
2.5 星球车的单索悬吊式低重力模拟方法
2.5.1 单索“悬吊式低重力模拟”模型
2.5.2 摇臂-转向架式六轮星球车单索悬吊的轮地接触压力分析
2.5.3 六轮车单索补偿的仿真验证
2.5.4 基于轮地力的悬吊力计算和校正
2.6 本章小结
第3章 机械臂地面运动测试的悬吊式微重力模拟方法
3.1 引言
3.2 机械臂和星球车微低重力模拟的关系
3.3 机械臂多吊点悬吊力模型的建立
3.3.1 符号定义
3.3.2 坐标系的建立及变换矩阵
3.3.3 地面测试不进行微重力模拟时悬吊力模型的建立
3.3.4 地面测试进行微重力模拟时悬吊力模型的建立
3.4 机械臂多吊点悬吊力模型的优化
3.4.1 优化模型建立
3.4.2 优化方法分析
3.4.3 优化过程和结果分析
3.5 本章小结
参考文献
第4章 具有被动自适应功能的悬吊力等效施加机构
4.1 引言
4.2 星球车悬吊力等效施加机构
4.2.1 平行全等体的性质
4.2.2 平行吊架设计
4.3 机械臂悬吊力等效施加机构
4.3.1 悬吊机构原理分析
4.3.2 悬吊机构结构设计
4.4 本章小结
参考文献
第5章 基于视觉的位姿检测方法
5.1 引言
5.2 基于视觉的位姿检测子系统总体方案
5.2.1 位姿检测子系统总体方案
5.2.2 位姿检测子系统的硬件选型与设计
5.3 基于视觉的位姿检测子系统的测量原理
5.3.1 测量数学模型
5.3.2 位姿解算算法
5.3.3 图像特征点坐标定位算法
5.4 本章小结
第6章 双层冗余二维跟踪控制方法
6.1 引言
6.2 二维跟踪控制子系统总体设计
6.2.1 二维跟踪控制子系统方案设计
6.2.2 机械结构及电气设计
6.3 双层冗余的二维跟踪控制方法
6.3.1 数学模型的建立
6.3.2 电动机选型
6.3.3 算法设计
6.4 二维跟踪控制子系统性能分析
6.4.1 影响二维跟踪控制子系统精度的因素分析
6.4.2 二维控制系统仿真分析
6.5 本章小结
参考文献
第7章 主被动复合的恒悬吊力控制方法
7.1 引言
7.2 主被动复合的恒悬吊力控制子系统动力学模型
7.2.1 动力学建模及动态特性分析
7.2.2 恒悬吊力系统动力学仿真分析
7.3 恒悬吊力子系统控制算法
7.3.1 恒悬吊力子系统控制策略设计
7.3.2 恒拉力系统开环传递函数辨识
7.3.3 恒悬吊力子系统带宽设计
7.3.4 恒悬吊力子系统闭环谐振抑制分析
7.4 恒悬吊力子系统测试
7.4.1 弹簧、扭杆刚度测定
7.4.2 阶跃激励响应测试
7.4.3 匀速、匀加速激励响应测试
7.4.4 正弦激励响应测试
7.4.5 漂浮载荷激励测试
7.5 本章小结
参考文献
第8章 火星车低重力模拟系统研制
8.1 系统总体要求
8.2 位姿检测子系统
8.2.1 子系统总体设计
8.2.2 位姿检测子系统可靠性分析
8.3 二维跟踪控制子系统
8.3.1 子系统总体设计
8.3.2 机械设计
8.3.3 电气设计
8.4 恒悬吊力控制子系统
8.4.1 子系统总体设计
8.4.2 机械设计
8.4.3 电气设计
8.5 悬吊力等效施加机构
8.5.1 悬吊力等效施加机构的组成
8.5.2 吊点的位置调节
8.6 系统总成
8.7 本章小结
第9章 七自由度大型机械臂微重力模拟系统研制
9.1 功能要求及性能指标要求
9.2 总体方案设计
9.3 位姿检测子系统
9.3.1 位姿检测子系统功能
……