空間機械臂關節(jié)非線性因素對指向精度的影響【2K-H行星輪系優(yōu)秀課程畢業(yè)設計帶任務書+開題報告+外文翻譯】

空間機械臂關節(jié)非線性因素對指向精度的影響【優(yōu)秀課程畢業(yè)設計帶任務書+開題報告+外文翻譯】

空間機械臂關節(jié)非線性因素對指向精度的影響【2K-H行星輪系】

空間機械臂關節(jié)非線性因素對指向精度的影響

摘  要

隨著航天事業(yè)的高速發(fā)展以及空間機械臂的廣泛應用，致使人們對天線指向精度的要求也在逐漸提高，而空間機械臂作為天線系統(tǒng)核心部件，對于天線機構(gòu)的指向行為有著重要影響。因此，本文通過調(diào)研大量文獻與國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎上，針對機械臂關節(jié)處非線性因素的影響做了進一步研究。本文以行星輪系作為空間機械臂關節(jié)為主要研究對象，側(cè)重分析行星輪系的非線性因素對指向精度的影響。

本文選取2K-H行星輪系作為行星輪系的研究對象，在已有的行星輪系動力學建模方法的基礎上，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，進而分析了行星輪系中非線性因素的計算。為了進一步研究天線指向行為所受的影響，根據(jù)行星輪系的動力學模型，建立了含行星輪系的天線動力學模型，明確了關節(jié)處非線性因素對天線指向精度的影響?；诓煌姆蔷€性因素對天線指向行為的影響，使用ADAMS動力學軟件對關節(jié)非線性因素進行了模擬仿真，得出了行星輪系非線性因素影響指向精度的結(jié)果。進而繪制了天線偏移量的波動曲線，直觀地反應了天線指向精度所受影響，并提出了規(guī)律性結(jié)論。這對于提高天線精度和降低機械臂制造成本有著重要指導意義。

關鍵詞　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 空間機械臂減速器綜述及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1

1.2.1 行星輪系減速器國外研究現(xiàn)狀 1

1.2.2 行星輪系減速器國內(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節(jié)的影響 4

第2章 行星輪系動力學模型 6

2.1 動力學模型的確立與假設 6

2.2 齒輪側(cè)隙的計算 8

2.3 嚙合誤差的計算 9

2.4 摩擦力的計算 10

2.5 耦合誤差的計算 11

2.6 本章小節(jié) 12

第3章 含行星輪系的天線動力學模型 13

3.1 含行星輪系的天線動力學模型 13

3.1.1 星載天線結(jié)構(gòu)模型簡圖及其假設 13

3.1.2 星載天線動力學建模 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 單個行星輪系對天線動力學影響的研究 16

4.1.1 齒側(cè)間隙對天線動力學的影響分析 16

4.1.2 嚙合誤差對天線動力學的影響分析 17

4.1.3 摩擦因素對天線動力學的影響分析 18

4.1.4 耦合誤差對天線動力學的影響分析 19

4.1.5 本節(jié)小結(jié) 22

4.2 兩個行星輪系對天線動力學的耦合研究 22

4.2.1 側(cè)隙對天線動力學的影響分析 22

4.2.2 嚙合誤差對天線動力學的影響分析 23

4.2.3 摩擦因素對天線動力學的影響分析 27

4.2.4 耦合誤差對天線動力學影響分析 29

4.2.5 本節(jié)小結(jié) 34

結(jié)論 35

致謝 36

參考文獻 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)心估計對于自由空間光通信來說至關重要，其中參考光源（例如恒星或上行鏈路信標）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致質(zhì)心估計的顯著劣化。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模型來導出用于截斷信號邊界外的噪聲的信號邊界。 本文的方法 有效地減少了偏差和隨機誤差 ，所提出的方法的有效性通過模擬證明。 關鍵詞 ： 指向 ； 質(zhì)心估計 ； 光通信 準確的質(zhì)心估計是基于信標的指點系統(tǒng)的關鍵任務。最近的一項研究表明，深空光通信的質(zhì)心誤差（隨機和偏差誤差）需要小于 1/20 像素，而允許的總指向誤差（ I 1/16 像素。兩種重心錯誤，隨機和偏見受到各種來源的影響。隨機誤差由 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，會發(fā)生偏差錯誤。 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。對于閾值法，從質(zhì)心窗中減去估計的閾值，這相當于執(zhí)行偏置減法并消除噪聲。當閾值取出大部分偏 差和噪聲時，該方法可以有效。然而，一般來說，簡單的閾值是無效的，因為閾值取決于圖像的亮度，并且可以通過閾值處理改變形成對象的像素的數(shù)量。為了避免這個問題，提出了使用過零點進行重心估計。這種方法的局限性在于，它僅適用于質(zhì)心估計，并對每個像素承擔相等的權(quán)重。 - 6 - 為了減少噪聲的影響，同樣的目的是建議在信號峰值周圍僅使用 9 個像素。只有信號被限制在這個小的局部區(qū)域，這種截斷簡化了加速重心計算，而不影響質(zhì)心精度。然而，正如所指出的那樣，寬信號的截斷顯著地影響了質(zhì)心估計的精度。因此，需要仔細選擇質(zhì)心估計中使用的像素 數(shù)，以免犧牲質(zhì)心精度。 本文中，我們提出使用斑點模型來確定哪些像素用于質(zhì)心估計?？梢詮墓鈱W系統(tǒng)（光學系統(tǒng)的 表征中構(gòu)建斑點模型。在質(zhì)心窗口上，通常比信標光斑尺寸大幾個像素，以允許信標運動，可以從斑點模型和測量的噪聲水平估計束斑的近似信號邊界。一旦識別邊界，信號邊界的像素可以設置為零，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 要增加信號或者需要降低噪聲。如果信號相對大于噪聲，噪聲的影響很小，反之亦然。為了說明這一點，讓我們舉一個例子，其中點信號是低的。對于可能需要恒星作為信標源的深空光通信，具有 30 厘米望遠鏡的 11 星的最小信號為 10,000 光子，系統(tǒng)效率為 25％。假定 0％，則轉(zhuǎn)換為 5000 個電子。在該示例中，如果不明顯地截斷信號，則質(zhì)心窗尺寸的減小顯著改善了質(zhì)心精度。 *。 所示。假設是相同的固定每像素噪聲，范圍 50e，無背 景信號。 通過重心算法可以減輕偏差，是由不均勻的信號分布引起的，其中包括雜散光和背景圖像。這對應于望遠鏡指向地球或靠近太陽的情況。即使應用背景減法，也會留下一些偏差，特別是如果閾值低于背景信號的最大值。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，可能會引起相當大的偏差誤差。 - 7 - 圖 2真中使用的通風模式點 在點模型的構(gòu)建中， 間量化）。這在 了一定的決議之外，預期更好的解決方案的好處將會減少。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，就可以使用每個模型來確定測得的斑點圖像（被噪聲損壞）中哪些像素應被截斷。如圖所示，使用標準（亮度中心）質(zhì)心算法獲得粗略質(zhì)心估計。該質(zhì)心用于確定應使用哪個點模型。如果粗略質(zhì)心估計中的誤差超過像素運動由 可以選擇不正確的點模型。第 4 節(jié)給出了不正確的點模型的影響。 一旦確定 了斑點模型，下一個任務是估計質(zhì)心窗口中存在的噪聲水平?？梢杂泻芏喾椒▉碜罴训毓烙嬙胍羲?。在本文中，我們使用四條邊線的簡單均值。該噪聲水平與斑點模型進行比較。如果斑點模型的像素值小于噪聲水平，則使用像素位置來截斷質(zhì)心窗口中的像素。 一旦這個過程在斑點模型和質(zhì)心窗口的整個像素上完成，噪聲的截斷就完成了。最后的任務是將標準中心算法應用于截斷質(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 素的總信號用于顯示基于模型的方法。 對于固定噪聲值，運行 100 次算法，噪聲從 10 等于 1001 西格瑪值從 10e'到 100e 當量的高斯噪聲）增加。如圖所示，基于模型的算法優(yōu)于其他兩種方法：標準質(zhì)心和閾值法。基于模型的方法的優(yōu)點不僅在于質(zhì)心越小越好，而且它們對噪聲的抵抗力也在兩個圖 中都表現(xiàn)出來。隨著噪- 8 - 聲的增加，標準和閾值方法的質(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圖像中的偏差對三個質(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，除非進行偏差的完全消除。在仿真中，基于總信號的 峰值像素值選擇偏置值。最大偏差從峰值像素值的 化到 1%。如預期的，基于模型的方法優(yōu)于其他兩個在偏置值和質(zhì)心誤差之間呈線性關系的方法。 本文提出了一種基于斑點模型的新方法來改善點源圖像的質(zhì)心估計。 新方 法假定斑點模型可用于截斷測量點中的噪聲和偏差，從而改善質(zhì)心估這次，基于模型的算法在每個噪聲級別運行了 100 次，這三種情況：第一種使用與真實點模型不同的 素的不正確的斑點模型，第二種是 素不同，第三個是 素不同。 在優(yōu)選實施例中，信息獲取和傳輸設備 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裝置 721 并且連接到光學傳感器 于計算機操縱所得數(shù)據(jù)。 光信息優(yōu)選地被轉(zhuǎn)換成為與測量的光能的強度成比例的電壓 。 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)字數(shù)據(jù)，依次傳輸?shù)綄Ｓ脿顟B(tài)機 724。目的是驗證模型的魯棒性基于方法。總體而言，性能受斑點模型的準確性影響，但是，隨著噪聲的增加，這種區(qū)別并不明顯。 還有一些對于 素不同的斑點模型，可以看出改進。 這個改進是由于附加噪聲增加了噪聲電平，從而限制了使用的像素數(shù)量質(zhì)心計算。西格瑪和平均誤差在像素的 1/50 附近計。進行模擬以證明所提出的噪聲和偏差方法的有效性。與標 準的重心和較高級的閾值法相比，基于模型的方法精度優(yōu)于原型。有意使用不正確的光點模型的模擬中，對其性能的影響很小，特別是在高噪聲水平。由于該方法適用于低信噪比信號，因此可能被證明對于深空任務至關重要，其中強光信號不容易獲得。