空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)非線性因素對(duì)指向精度的影響【優(yōu)秀課程畢業(yè)設(shè)計(jì)帶任務(wù)書+開題報(bào)告+外文翻譯】

空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)非線性因素對(duì)指向精度的影響【2K-H行星輪系】

空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)非線性因素對(duì)指向精度的影響

摘  要

隨著航天事業(yè)的高速發(fā)展以及空間機(jī)械臂的廣泛應(yīng)用，致使人們對(duì)天線指向精度的要求也在逐漸提高，而空間機(jī)械臂作為天線系統(tǒng)核心部件，對(duì)于天線機(jī)構(gòu)的指向行為有著重要影響。因此，本文通過調(diào)研大量文獻(xiàn)與國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)處非線性因素的影響做了進(jìn)一步研究。本文以行星輪系作為空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)為主要研究對(duì)象，側(cè)重分析行星輪系的非線性因素對(duì)指向精度的影響。

本文選取2K-H行星輪系作為行星輪系的研究對(duì)象，在已有的行星輪系動(dòng)力學(xué)建模方法的基礎(chǔ)上，引入等效彈簧阻尼模型，建立了行星輪系的平移-扭轉(zhuǎn)耦合模型，進(jìn)而分析了行星輪系中非線性因素的計(jì)算。為了進(jìn)一步研究天線指向行為所受的影響，根據(jù)行星輪系的動(dòng)力學(xué)模型，建立了含行星輪系的天線動(dòng)力學(xué)模型，明確了關(guān)節(jié)處非線性因素對(duì)天線指向精度的影響。基于不同的非線性因素對(duì)天線指向行為的影響，使用ADAMS動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)關(guān)節(jié)非線性因素進(jìn)行了模擬仿真，得出了行星輪系非線性因素影響指向精度的結(jié)果。進(jìn)而繪制了天線偏移量的波動(dòng)曲線，直觀地反應(yīng)了天線指向精度所受影響，并提出了規(guī)律性結(jié)論。這對(duì)于提高天線精度和降低機(jī)械臂制造成本有著重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞　指向精度；非線性因素；行星輪系；ADAMS軟件

Effect of Space Manipulator Joint Nonlinear Factors on Pointing Accuracy

Abstract

  With the rapid development of aerospace industry and the wide application of space manipulator, the requirement of pointing accuracy to the antenna is gradually increasing, and the space manipulator has the important influence on the pointing behavior of the antenna mechanism as the core component of the antenna system. Therefore, based on the investigation of a large number of literature and the status research at home and abroad, this paper makes further research on the influence of nonlinear factors in the joints of the manipulator. In this paper, the planetary gear train is used as the space arm joint as the main research object, focusing on the analysis of the nonlinear factors of the planetary gear train on the precision of the impact.

  In this paper, the 2K-H planetary gear train is selected as the planetary gear train. Based on the existing dynamic modeling method of planetary gear train, the equivalent spring damping model is introduced to establish, the coupled model of planetary gear system is established, and then the nonlinear factors in planetary gear train are analyzed. In order to studying the influence of the antenna pointing behavior, the antenna dynamics model of the planetary gear train is established according to the dynamic model of the planetary gear train, and the influence of the nonlinear factors on the pointing accuracy of the antenna is clarified. Based on the influence of different nonlinear factors on the pointing behavior of the antenna, the non-linear factors of the joint are simulated by ADAMS, and the result of the accuracy of the nonlinear factors of the planetary gear train is obtained. And then we draws the fluctuation curve of the antenna offset, intuitively reflects the influence of the antenna pointing precision, and puts forward the regular conclusion. This has important guiding significance for improving the antenna accuracy and reducing the manufacturing cost of the manipulator.

Keywords　Pointing accuracy, nonlinear factor, planetary gear train, ADAMS

目錄

摘  要 I

Abstract II

第1章 緒論 1

1.1 課題研究的背景和意義 1

1.2 空間機(jī)械臂減速器綜述及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1

1.2.1 行星輪系減速器國(guó)外研究現(xiàn)狀 1

1.2.2 行星輪系減速器國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 2

1.3 天線指向精度的影響因素 3

1.3.1 影響行星輪系減速器的非線性因素 4

1.3.2 行星輪系減速器作為關(guān)節(jié)的影響 4

第2章 行星輪系動(dòng)力學(xué)模型 6

2.1 動(dòng)力學(xué)模型的確立與假設(shè) 6

2.2 齒輪側(cè)隙的計(jì)算 8

2.3 嚙合誤差的計(jì)算 9

2.4 摩擦力的計(jì)算 10

2.5 耦合誤差的計(jì)算 11

2.6 本章小節(jié) 12

第3章 含行星輪系的天線動(dòng)力學(xué)模型 13

3.1 含行星輪系的天線動(dòng)力學(xué)模型 13

3.1.1 星載天線結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)圖及其假設(shè) 13

3.1.2 星載天線動(dòng)力學(xué)建模 14

3.2 本章小節(jié) 14

第4章 ADAMS的數(shù)值仿真與結(jié)果比較 15

4.1 單個(gè)行星輪系對(duì)天線動(dòng)力學(xué)影響的研究 16

4.1.1 齒側(cè)間隙對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析 16

4.1.2 嚙合誤差對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析 17

4.1.3 摩擦因素對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析 18

4.1.4 耦合誤差對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析 19

4.1.5 本節(jié)小結(jié) 22

4.2 兩個(gè)行星輪系對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的耦合研究 22

4.2.1 側(cè)隙對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析 22

4.2.2 嚙合誤差對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析 23

4.2.3 摩擦因素對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析 27

4.2.4 耦合誤差對(duì)天線動(dòng)力學(xué)影響分析 29

4.2.5 本節(jié)小結(jié) 34

結(jié)論 35

致謝 36

參考文獻(xiàn) 37

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- 1 - 附錄 A . 2002： 65 A is is of as or an is It is is to of CD to of CD CD of to of is a to is to of is 1. is a a A to be 0I , by A is by CD DC A as to of - 2 - an is a be of a in is is on of of be by To of of is it is to of on of of to up if is to As of of of in to be so as to In we to a to A be of of On is to of a be is to be to of is as In , we of on In , is In , 2. of on he of CD of is ???? ?? ij (1) q.(l), it is or to of to as is of of to be ne to be in to l'of is if is To s an is as a 1* 0cm 0,000 5% 3 - E 0%, 000 In of if EA * of of EA of in . f?e- 0e- no be by is by to is or to if be if is of of as if is 9x9 in in . n of SF is at a at SF to a of to In N=10 of is be to in by be As is of is to be If in , be of is in . is is to in be to In we of is If of is is to 4 - in is of of is is to to to 4. he of is to of in (a) of at b) of on (c) of .1 0.2 to of 00 a 000e- 0e' 00e- As is of is to as in As of is to of in on As Q (1), be by of of is In on of % of 5. on to of a be to in to of to be in on at NR it to be 5 - is 附錄 B 基于降噪模型的方法提高指向精度 . 2002： 65 摘要 ： 本文 提出了一種提高質(zhì)心精度，從而提高指向精度的新方法。精確的質(zhì)心估計(jì)對(duì)于自由空間光通信來說至關(guān)重要，其中參考光源（例如恒星或上行鏈路信標(biāo)）的光子數(shù)量受到限制。已知質(zhì)心精度與 比例。在光期間各種噪聲源的存在可能導(dǎo)致質(zhì)心估計(jì)的顯著劣化。噪聲源包括 取噪聲，背景光，雜散光和 理電子元件 。 減少噪聲和背景偏差影響的最廣泛使用的方法之一是閾值法，其在質(zhì)心計(jì)算之前從質(zhì)心窗中減去固定閾值。相反，這里提出的方法利用點(diǎn)模型來導(dǎo)出用于截?cái)嘈盘?hào)邊界外的噪聲的信號(hào)邊界。 本文的方法 有效地減少了偏差和隨機(jī)誤差 ，所提出的方法的有效性通過模擬證明。 關(guān)鍵詞 ： 指向 ； 質(zhì)心估計(jì) ； 光通信 準(zhǔn)確的質(zhì)心估計(jì)是基于信標(biāo)的指點(diǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵任務(wù)。最近的一項(xiàng)研究表明，深空光通信的質(zhì)心誤差（隨機(jī)和偏差誤差）需要小于 1/20 像素，而允許的總指向誤差（ I 1/16 像素。兩種重心錯(cuò)誤，隨機(jī)和偏見受到各種來源的影響。隨機(jī)誤差由 取噪聲，散粒噪聲，暗電流和 非均勻背景光如雜散光和地球背景圖像存在時(shí)，會(huì)發(fā)生偏差錯(cuò)誤。 降低噪聲和偏差的常規(guī)方法包括歸一化零交叉的閾值和重心。對(duì)于閾值法，從質(zhì)心窗中減去估計(jì)的閾值，這相當(dāng)于執(zhí)行偏置減法并消除噪聲。當(dāng)閾值取出大部分偏 差和噪聲時(shí)，該方法可以有效。然而，一般來說，簡(jiǎn)單的閾值是無效的，因?yàn)殚撝等Q于圖像的亮度，并且可以通過閾值處理改變形成對(duì)象的像素的數(shù)量。為了避免這個(gè)問題，提出了使用過零點(diǎn)進(jìn)行重心估計(jì)。這種方法的局限性在于，它僅適用于質(zhì)心估計(jì)，并對(duì)每個(gè)像素承擔(dān)相等的權(quán)重。 - 6 - 為了減少噪聲的影響，同樣的目的是建議在信號(hào)峰值周圍僅使用 9 個(gè)像素。只有信號(hào)被限制在這個(gè)小的局部區(qū)域，這種截?cái)嗪?jiǎn)化了加速重心計(jì)算，而不影響質(zhì)心精度。然而，正如所指出的那樣，寬信號(hào)的截?cái)囡@著地影響了質(zhì)心估計(jì)的精度。因此，需要仔細(xì)選擇質(zhì)心估計(jì)中使用的像素 數(shù)，以免犧牲質(zhì)心精度。 本文中，我們提出使用斑點(diǎn)模型來確定哪些像素用于質(zhì)心估計(jì)?？梢詮墓鈱W(xué)系統(tǒng)（光學(xué)系統(tǒng)的 表征中構(gòu)建斑點(diǎn)模型。在質(zhì)心窗口上，通常比信標(biāo)光斑尺寸大幾個(gè)像素，以允許信標(biāo)運(yùn)動(dòng)，可以從斑點(diǎn)模型和測(cè)量的噪聲水平估計(jì)束斑的近似信號(hào)邊界。一旦識(shí)別邊界，信號(hào)邊界的像素可以設(shè)置為零，有效地消除了光束外的所有噪聲和偏差。本文的結(jié)構(gòu)如下。在第 2 節(jié)中，我們將介紹噪聲對(duì)質(zhì)心精度的影響。在第 3 節(jié)中，介紹了基于模型的降噪方法。在第 4 節(jié)中，給出了仿真結(jié)果。 的點(diǎn)的質(zhì)心方程（亮度中心）是 已知 的： ???? ?? ij (2從（ 2以看出，隨著坐標(biāo)朝向邊緣增加，由于較大的加權(quán)因子，靠近質(zhì)心窗口邊緣的噪聲或偏置主導(dǎo)了質(zhì)心誤差。本文最重要的 部分 之一。 因此，為了減少 要增加信號(hào)或者需要降低噪聲。如果信號(hào)相對(duì)大于噪聲，噪聲的影響很小，反之亦然。為了說明這一點(diǎn)，讓我們舉一個(gè)例子，其中點(diǎn)信號(hào)是低的。對(duì)于可能需要恒星作為信標(biāo)源的深空光通信，具有 30 厘米望遠(yuǎn)鏡的 11 星的最小信號(hào)為 10,000 光子，系統(tǒng)效率為 25％。假定 0％，則轉(zhuǎn)換為 5000 個(gè)電子。在該示例中，如果不明顯地截?cái)嘈盘?hào)，則質(zhì)心窗尺寸的減小顯著改善了質(zhì)心精度。 *。 所示。假設(shè)是相同的固定每像素噪聲，范圍 50e，無背 景信號(hào)。 通過重心算法可以減輕偏差，是由不均勻的信號(hào)分布引起的，其中包括雜散光和背景圖像。這對(duì)應(yīng)于望遠(yuǎn)鏡指向地球或靠近太陽的情況。即使應(yīng)用背景減法，也會(huì)留下一些偏差，特別是如果閾值低于背景信號(hào)的最大值。如圖 2示顯示，即使 峰值值作為最大偏置值，如果質(zhì)心窗口尺寸較大，則在本例中為 9素，可能會(huì)引起相當(dāng)大的偏差誤差。 - 7 - 圖 2真中使用的通風(fēng)模式點(diǎn) 在點(diǎn)模型的構(gòu)建中， 間量化）。這在 了一定的決議之外，預(yù)期更好的解決方案的好處將會(huì)減少。在本文中，使用 N = 10。一旦構(gòu)建了現(xiàn)貨模型的數(shù)據(jù)庫(kù)，就可以使用每個(gè)模型來確定測(cè)得的斑點(diǎn)圖像（被噪聲損壞）中哪些像素應(yīng)被截?cái)?。如圖所示，使用標(biāo)準(zhǔn)（亮度中心）質(zhì)心算法獲得粗略質(zhì)心估計(jì)。該質(zhì)心用于確定應(yīng)使用哪個(gè)點(diǎn)模型。如果粗略質(zhì)心估計(jì)中的誤差超過像素運(yùn)動(dòng)由 可以選擇不正確的點(diǎn)模型。第 4 節(jié)給出了不正確的點(diǎn)模型的影響。 一旦確定 了斑點(diǎn)模型，下一個(gè)任務(wù)是估計(jì)質(zhì)心窗口中存在的噪聲水平?？梢杂泻芏喾椒▉碜罴训毓烙?jì)噪音水平。在本文中，我們使用四條邊線的簡(jiǎn)單均值。該噪聲水平與斑點(diǎn)模型進(jìn)行比較。如果斑點(diǎn)模型的像素值小于噪聲水平，則使用像素位置來截?cái)噘|(zhì)心窗口中的像素。 一旦這個(gè)過程在斑點(diǎn)模型和質(zhì)心窗口的整個(gè)像素上完成，噪聲的截?cái)嗑屯瓿闪恕Ｗ詈蟮娜蝿?wù)是將標(biāo)準(zhǔn)中心算法應(yīng)用于截?cái)噘|(zhì)心窗口以獲得新的質(zhì)心值。 仿真的目的是顯示基于模型的降噪方法在質(zhì)心估計(jì)中的有效性。為此目的，調(diào)查了 3 例。 這些是： 1. 在給定的各種噪聲水平下的三個(gè)重音算法（包括基于模型）的比較； 素， 素的不正確模型和等于 素的總信號(hào)用于顯示基于模型的方法。 對(duì)于固定噪聲值，運(yùn)行 100 次算法，噪聲從 10 等于 1001 西格瑪值從 10e'到 100e 當(dāng)量的高斯噪聲）增加。如圖所示，基于模型的算法優(yōu)于其他兩種方法：標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)心和閾值法?；谀Ｐ偷姆椒ǖ膬?yōu)點(diǎn)不僅在于質(zhì)心越小越好，而且它們對(duì)噪聲的抵抗力也在兩個(gè)圖 中都表現(xiàn)出來。隨著噪- 8 - 聲的增加，標(biāo)準(zhǔn)和閾值方法的質(zhì)心誤差也增加。然而，基于模型的方法表現(xiàn)出幾乎穩(wěn)定的誤差。 這次模擬的目的是比較斑點(diǎn)圖像中的偏差對(duì)三個(gè)質(zhì)心方法的影響。在公式 (2顯而易見的是，即使是基于模型的方法也將受背景偏差的影響，除非進(jìn)行偏差的完全消除。在仿真中，基于總信號(hào)的 峰值像素值選擇偏置值。最大偏差從峰值像素值的 化到 1%。如預(yù)期的，基于模型的方法優(yōu)于其他兩個(gè)在偏置值和質(zhì)心誤差之間呈線性關(guān)系的方法。 本文提出了一種基于斑點(diǎn)模型的新方法來改善點(diǎn)源圖像的質(zhì)心估計(jì)。 新方 法假定斑點(diǎn)模型可用于截?cái)鄿y(cè)量點(diǎn)中的噪聲和偏差，從而改善質(zhì)心估這次，基于模型的算法在每個(gè)噪聲級(jí)別運(yùn)行了 100 次，這三種情況：第一種使用與真實(shí)點(diǎn)模型不同的 素的不正確的斑點(diǎn)模型，第二種是 素不同，第三個(gè)是 素不同。 在優(yōu)選實(shí)施例中，信息獲取和傳輸設(shè)備 720 的第二分支包括朝向待掃描表面?zhèn)鬏敼獾?11，然后將其朝向透鏡反射其他光學(xué)裝置 721 并且連接到光學(xué)傳感器 于計(jì)算機(jī)操縱所得數(shù)據(jù)。 光信息優(yōu)選地被轉(zhuǎn)換成為與測(cè)量的光能的強(qiáng)度成比例的電壓 。 傳感器可用于此目的包括但不限于電荷耦合器件（ 接觸式圖像傳感器（ 轉(zhuǎn)換后光信息轉(zhuǎn)換為電壓， 23 將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，依次傳輸?shù)綄Ｓ脿顟B(tài)機(jī) 724。目的是驗(yàn)證模型的魯棒性基于方法。總體而言，性能受斑點(diǎn)模型的準(zhǔn)確性影響，但是，隨著噪聲的增加，這種區(qū)別并不明顯。 還有一些對(duì)于 素不同的斑點(diǎn)模型，可以看出改進(jìn)。 這個(gè)改進(jìn)是由于附加噪聲增加了噪聲電平，從而限制了使用的像素?cái)?shù)量質(zhì)心計(jì)算。西格瑪和平均誤差在像素的 1/50 附近計(jì)。進(jìn)行模擬以證明所提出的噪聲和偏差方法的有效性。與標(biāo) 準(zhǔn)的重心和較高級(jí)的閾值法相比，基于模型的方法精度優(yōu)于原型。有意使用不正確的光點(diǎn)模型的模擬中，對(duì)其性能的影響很小，特別是在高噪聲水平。由于該方法適用于低信噪比信號(hào)，因此可能被證明對(duì)于深空任務(wù)至關(guān)重要，其中強(qiáng)光信號(hào)不容易獲得。