一种空间机械臂全状态动力学半物理仿真系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种动力学物理仿真方法，特别是一种空间机械臂全状态动力学半物理仿真系统。
【背景技术】
[0002]空间机械臂的构型对于空间发射任务来说是非常重要的，合理的构型设计不仅可以降低机械臂在发射过程中的空间占用情况，减轻系统质量，减小发射费用，更重要的是可以减小对星体的姿态扰动，降低空间机械臂对支撑锁紧机构的要求，减轻整个系统的复杂程度，提高整个系统的可靠性。空间机械臂工作在微重力，地面模拟空间微重力环境无法实现对机械臂完整工作空间的全状态动力学仿真，通过ADAMS建立空间机械臂微重力环境下的动力学模型，结合机械臂控制器实现空间机械臂在微重力环境下的全状态仿真与控制器设计、调试对空间机械臂的研制有着重要意义。
[0003]目前，采用一体化联合仿真分析多应用于测试控制系统响应特性以及跟随性能等虚拟数字样机仿真方面，并没有基于实际控制器对空间机械臂微重力动力学虚拟数字样机进行半物理仿真。我国目前也没有一种针对空间机械臂全状态动力学快速物理仿真的方法。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供了一种空间机械臂全状态动力学半物理仿真系统，为实际空间机械臂机械结构强度设计、空间机械臂传动系统选型设计提供了依据，并对轨迹规划算法进行仿真验证，辅助基于空间机械臂能量优化的运动规划。
[0005]—种空间机械臂全状态动力学半物理仿真系统，包括空间机械臂控制器模块、总线数据转换模块、空间机械臂联合解算模块和解算结果显示及后处理模块；
[0006]空间机械臂控制器模块:接收外部智能识别系统传来的控制信号，对控制信号进行滤波，并将滤波后的控制信号进行空间机械臂末端运动轨迹计算，生成轨迹控制指令，将轨迹控制指令作为控制参数总线信号，输出至总线数据转换模块；并将接收到的外部智能识别系统传来的控制信号传输至解算结果显示及后处理模块；
[0007]总线数据转换模块:接收从空间机械臂控制器模块传来的控制参数总线信号，并将控制参数总线信号转换为计算机可识别的控制信号，将控制信号传输出至空间机械臂联合解算模块；
[0008]空间机械臂联合解算模块:采用MATLAB/S頂ULINK解算软件建立电机模型，MATLAB/SIMULINK解算软件接收总线数据转换模块传来的控制信号，并将控制信号进行闭环差分运算，将闭环差分运算得结果放大后生成电压控制信号，将电压控制信号输入电机模型，由电机模型将控制信号转换成力矩信号；采用ADAMS软件建立空间机械臂动力学模型；将力矩信号输出至ADAMS软件建立的空间机械臂动力学模型，由空间机械臂动力学模型输出空间机械臂角速度和速度参数至MATLAB/S頂ULINK解算软件，MATLAB/SIMULINK解算软件通过对空间机械臂角速度和速度参数进行闭环反馈控制解算，解算出空间机械臂角位移和位移的解算数据，并将解算数据输出至解算结果显示及后处理模块。
[0009]解算结果显示及后处理模块:接收空间机械臂联合解算模块空间机械臂角位移和位移的解算数据，将解算数据生成解算结果图。
[0010]在上述的一种空间机械臂全状态动力学半物理仿真系统，具体包括如下步骤:
[0011]步骤(一)、空间机械臂控制器模块接收外部智能识别系统传来的控制信号，对控制信号进行滤波，并将滤波后的控制信号进行空间机械臂末端运动轨迹计算，生成轨迹控制指令，将轨迹控制指令作为控制参数总线信号，输出至总线数据转换模块；并将接收到的外部智能识别系统传来的控制信号传输至解算结果显示及后处理模块；
[0012]步骤(二)、总线数据转换模块接收从空间机械臂控制器模块传来的控制参数总线信号，并将控制参数总线信号转换为计算机可识别的控制信号，将控制信号传输出至空间机械臂联合解算模块；
[0013]步骤(三)、空间机械臂联合解算模块采用MATLAB/S頂ULINK解算软件建立电机模型，MATLAB/S頂ULINK解算软件接收总线数据转换模块传来的控制信号，并将控制信号进行闭环差分运算，将闭环差分运算得结果放大后生成电压控制信号，将电压控制信号输入电机模型，由电机模型将控制信号转换成力矩信号；采用ADAMS软件建立空间机械臂动力学模型；将力矩信号输出至ADAMS软件建立的空间机械臂动力学模型，由空间机械臂动力学模型输出空间机械臂角速度和速度参数至MATLAB/S頂ULINK解算软件，MATLAB/SIMULINK解算软件通过对空间机械臂角速度和速度参数进行闭环反馈控制解算，解算出空间机械臂角位移和位移的解算数据，并将解算数据输出至解算结果显示及后处理模块。
[0014]步骤(四)、解算结果显示及后处理模块接收空间机械臂联合解算模块空间机械臂角位移和位移的解算数据，将解算数据生成解算结果图。
[0015]在上述的一种空间机械臂全状态动力学半物理仿真系统，所述步骤(三)中，ADAMS软件建立空间机械臂动力学模型的步骤包括:a、打开ADAMS仿真软件，在ADAMS/View中新建模型，导入.x_t格式的三维模型；b、对工作环境进行设置，勾选去除重力对话框中Gravity ;c、导入的三维模型中自带质量属性，删除质量为零的多余部件；d、在ADAMS工具栏中选择Connectors打开约束库，对机械臂各关节上壳体和下壳体之间施加旋转约束，对各关节和臂杆之间施加固定约束，对末端执行器中的手指驱动板和壳体之间施加平移约束，对三个手指和驱动板及壳体之间施加相应的旋转约束和单副约束；e、在工具栏中选择Mot1ns打开驱动库，对关节施加旋转驱动实现空间机械臂动力学模型的建立。
[0016]在上述的一种空间机械臂全状态动力学半物理仿真系统，所述步骤(一)中，空间机械臂控制器模块包括管控单元、计算单元和通信单元；通信单元接收外部智能识别系统传来的控制信号，将控制信号传输至管控单元，管控单元对控制信号进行滤波和数据预处理，并将滤波和数据预处理后的控制信号传至计算单元，计算单元对进行轨迹计算生成轨迹控制指令，将轨迹控制指令作为控制参数总线信号，输出至总线数据转换模块。
[0017]在上述的一种空间机械臂全状态动力学半物理仿真系统，所述步骤(三)中，采用ADAMS软件建立的空间机械臂动力学模型，加速度参数设为10 4g。
[0018]在上述的一种空间机械臂全状态动力学半物理仿真系统，所述步骤(三)中，采用ADAMS软件建立的空间机械臂动力学模型，以ADAMS/Control模块为接口模块，实现将动力学模型与MATLAB/S頂ULINK解算软件的连接，ADAMS/Control模块将空间机械臂动力学模型输出的空间机械臂角速度和速度参数转换为MATLAB/S頂ULINK解算软件可识别的参数，输入MATLAB/S頂ULINK解算软件。
[0019]在上述的一种空间机械臂全状态动力学半物理仿真系统，其特征在于:所述步骤(二)中，总线数据转换模块采用双冗余热备份设计，通讯速率适用范围250-1024K，时间抖动土 1ms ο
[0020]本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0021](1)本发明首创针对空间机械臂微重力环境的全工作空间动力学半实物仿真方法，采用ADMAS软件建立空间机械臂动力学模型，基于MATLAB/Simulink解算软件建立机械臂伺服控制系统仿真环境，以实际机械臂控制器与MATLAB之间实现数据通讯与交互，实现对空间机械臂的控制和状态仿真。为实际空间机械臂机械结构强度设计、空间机械臂传动系统选型设计提供了依据，并对轨迹规划算法进行仿真验证，辅助基于空间机械臂能量优化的运动规划；
[0022](2)本发明空间机械臂控制器模块，采用管控单元和计算单元物理分离、逻辑耦合的设计方法，提高了控制器对单一运算单元的性能依赖，减轻了单一运算单元的运算负荷和逻辑复杂程度，降低了控制器核心部件选型难度。使控制器设计结构更较简单，逻辑更加清晰，系统可靠性提高。通讯单元采用高速工业现场总线双冗余热备份设计，提高了通信可靠性和稳定性，减轻了通讯系统对复杂通讯协议的依赖；
[0023](3)本发明以MATLA