一种柔性关节机械臂复合轴光电跟踪系统及其控制方法

控制;调节装置的制造及其应用技术1.本发明涉及一种光电跟踪系统及其控制方法，具体涉及一种柔性关节机械臂复合轴光电跟踪系统及其控制方法。背景技术：2.随着太空领域探测需求的不断提升，高精度光电跟踪系统被越来越多地应用于航天领域，光电跟踪系统主要用于克服各种干扰因素的影响，保证视轴稳定指向目标，从而实现稳像功能。3.光电跟踪系统是传动系统、传感器、控制算法以及光机架构的综合体，在空间中，光电跟踪系统大多采用卫星本体直接驱动的方式，然而由于卫星本身具有较大的体积、质量和柔性附件(如太阳帆板)，因此其结构基频普遍较低，导致采用卫星本体直接驱动的光电跟踪系统的响应速度较慢，另外，采用卫星本体直接驱动的光电跟踪系统的控制精度有限。因此采用卫星本体直接驱动光电跟踪系统的方式，难以满足光电跟踪系统的视轴快速移动以及高精度的稳像控制要求。技术实现要素：4.本发明的目的是解决现有技术中采用卫星本体直接驱动光电跟踪系统的方式难以满足光电跟踪系统的视轴快速移动以及高精度的稳像控制要求的技术问题，而提供一种柔性关节机械臂复合轴光电跟踪系统及其控制方法。5.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：6.一种柔性关节机械臂复合轴光电跟踪系统，其特殊之处在于：包括控制单元、连接在外部机构上的柔性关节机械臂、连接在柔性关节机械臂末端的精跟踪子轴以及安装于精跟踪子轴上的光学负载；7.所述光学负载包括沿光路依次设置的分光镜和ccd；8.所述柔性关节机械臂包括方位电机和第一谐波减速器、俯仰电机和第二谐波减速器、横滚电机和第三谐波减速器以及同轴设置的方位轴、俯仰轴和横滚轴；9.所述方位电机与外部机构连接，方位电机的输出端与第一谐波减速器的输入端连接，第一谐波减速器的输出端与方位轴的关节端连接，方位轴的连接端与俯仰电机连接，俯仰电机的输出端与第二谐波减速器的输入端连接，第二谐波减速器的输出端与俯仰轴的关节端连接，俯仰轴的连接端与横滚电机连接，横滚电机的输出端与第三谐波减速器的输入端连接，第三谐波减速器的输出端与横滚轴的关节端连接，横滚轴的连接端与精跟踪子轴连接，且横滚轴与精跟踪子轴的连接处安装有速率陀螺；10.所述方位轴、俯仰轴和横滚轴的关节端均安装有关节端测角器，所述方位电机、俯仰电机和横滚电机上均安装有电机端测角器；11.所述控制单元包括粗跟踪控制器和精跟踪控制器，所述方位电机、俯仰电机、横滚电机、关节端测角器、电机端测角器和速率陀螺均接入粗跟踪控制器，所述精跟踪子轴接入精跟踪控制器。12.进一步地，所述方位轴、俯仰轴和横滚轴的传递函数为：[0013][0014][0015]式中：ωl为方位轴或俯仰轴或横滚轴的关节端角速度；ωm为方位电机或俯仰电机或横滚电机的角速度；jm为方位电机或俯仰电机或横滚电机的标称转动惯量；jl为方位轴或俯仰轴或横滚轴的关节端标称转动惯量；s为拉普拉斯算子；为等效谐振频率；ref参考信号；ωa为反谐振频率。[0016]进一步地，等效谐振频率[0017]反谐振频率[0018]式中：ks第一谐波减速器或第二谐波减速器或第三谐波减速器的刚度；为方位电机或俯仰电机或横滚电机的等效转动惯量；n为第一谐波减速器或第二谐波减速器或第三谐波减速器的减速比；kal为方位轴或俯仰轴或横滚轴的关节端加速度反馈系数。[0019]进一步地，方位电机或俯仰电机或横滚电机的等效转动惯量[0020]式中：为方位电机或俯仰电机或横滚电机的加速度反馈系数。[0021]进一步地，所述第一谐波减速器或第二谐波减速器或第三谐波减速器中柔性齿轮的输出力矩tfs满足如下公式：[0022][0023]式中：△θfs为柔性齿轮的弹性变形；cfs为柔性齿轮局部刚度系数；kfs0为柔性齿轮的名义刚度。[0024]进一步地，所述精跟踪子轴为音圈电机驱动的快反镜。[0025]进一步地，所述音圈电机为四个，且四个音圈电机为四点对称式布置。[0026]进一步地，所述音圈电机的输出长度变化△lmax与快反镜中反射镜的转动角度θ满足如下关系：[0027][0028]式中：ra为任一音圈电机与四个音圈电机对称中心的距离。[0029]同时，本发明还提供了一种柔性关节机械臂复合轴光电跟踪系统的控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：[0030]1)、通过粗跟踪控制器控制柔性关节机械臂对光学负载的视轴进行大范围调整，将视轴指向跟踪目标所在方位的附近；[0031]2)、通过粗跟踪控制器控制柔性关节机械臂带动光学负载在小范围内进行扫描搜索跟踪目标；[0032]3)、当搜索到跟踪目标后，通过光学负载的分光镜对跟踪目标进行成像，并通过ccd获得跟踪目标的第一脱靶量；[0033]4)、利用跟踪目标的脱靶量形成图像闭环控制，通过粗跟踪控制器控制柔性关节机械臂运动将跟踪目标拉入到视场中心位置；[0034]5)、当跟踪目标进入视场中心后，精跟踪控制器工作，通过ccd获得的第二脱靶量消除高频抖动的影响，使跟踪目标稳定在视场中心；[0035]6)、连续对跟踪目标进行跟踪，直至跟踪任务完成。[0036]与现有技术相比，本发明的有益效果是：[0037]1、本发明采用通过第一谐波减速器、第二谐波减速器和第三谐波减速器分别间接驱动方位轴、俯仰轴和横滚轴的柔性关节机械臂作为粗跟踪子轴，将音圈电机驱动的快反镜作为精密级子轴，共同组成复合轴跟踪系统，发挥优势互补，可以获取低功耗、小体积、轻质量、高精度、稳定的跟踪性能。[0038]2、本发明采用的系统传递函数能够有效抑制柔性关节机械臂的惯量耦合和机械谐振。[0039]3、本发明采用谐波减速器间接驱动的柔性关节机械臂代替传统直驱跟踪架结构，能够极大降低口径空间光学系统驱动机构的体积、功耗和质量，为大口径空间光学系统的运输和在轨组装提供便利。[0040]4、本发明采用多柔体建模法建立谐波减速器的精细化模型，并基于所建立的模型估计精确的关节力矩，进而完成关节端的加速度反馈。附图说明[0041]图1是本发明一种柔性关节机械臂复合轴光电跟踪系统实施例的结构示意图；[0042]图2是本发明一种柔性关节机械臂复合轴光电跟踪系统实施例中光学负载以及fsm的结构示意图；[0043]图3是本发明一种柔性关节机械臂复合轴光电跟踪系统实施例中第一谐波减速器、第二谐波减速器或第三谐波减速器的控制原理图；[0044]图4是本发明一种柔性关节机械臂复合轴光电跟踪系统实施例中双加速度反馈的原理框图；[0045]图5是本发明一种柔性关节机械臂复合轴光电跟踪系统实施例中第一谐波减速器、第二谐波减速器或第三谐波减速器柔性传动的原理图；[0046]图6是本发明一种柔性关节机械臂复合轴光电跟踪系统实施例中快反镜音圈电机的布置图；[0047]图7是本发明一种柔性关节机械臂复合轴光电跟踪系统中控制单元的控制原理框图；[0048]图8是本发明一种柔性关节机械臂复合轴光电跟踪系统实施例中粗跟踪控制器的控制原理图；(关节端控制律和电机端控制律均采用pid控制器)[0049]图9是本发明一种柔性关节机械臂复合轴光电跟踪系统实施例中精跟踪控制器的控制原理图。(位置环控制器和速度环控制器均采用pid控制器)[0050]图中，1-航空器，2-减震器，3-方位轴，4-俯仰轴，5-横滚轴，6-精跟踪子轴；[0051]θlr表示方位轴或俯仰轴或横滚轴的关节端参考角度，θmr表示方位电机、俯仰电机和横滚电机的参考角度；el＝θl-θlr表示方位轴或俯仰轴或横滚轴的关节端跟踪误差；em＝θm-θmr表示方位电机或俯仰电机或横滚电机的电机端跟踪误差；al*表示方位轴或俯仰轴或横滚轴的关节端加速度参考，am*表示方位电机或俯仰电机或横滚电机的加速度参考；dl表示方位轴或俯仰轴或横滚轴末端的等效扰动力矩；dm表示施加在方位电机或俯仰电机或横滚电机上的未知外部扰动；θl表示方位轴或俯仰轴或横滚轴的关节端角位置；θm表示方位电机或俯仰电机或横滚电机的电机端角位置；fsm表示快反镜；γl表示方位轴或俯仰轴或横滚轴上的模型不确定性，γm表示方位电机或俯仰电机或横滚电机的模型不确定性；表示方位轴或俯仰轴或横滚轴的关节端角速度，kwg表示谐波发生器的刚度，jin表示方位电机、俯仰电机或横滚电机转子、方位电机轴、俯仰电机轴或横滚电机轴和与方位电机轴、俯仰电机轴或横滚电机轴连接的谐波发生器的总惯性，tft表示摩擦力矩。具体实施方式[0052]为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的柔性关节机械臂复合轴光电跟踪系统及其控制方法作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。[0053]在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。[0054]如图1-图9所示，本发明柔性关节机械臂复合轴光电跟踪系统，包括控制单元、连接在外部机构上的柔性关节机械臂、连接在柔性关节机械臂末端的精跟踪子轴以及安装于精跟踪子轴上的光学负载，在本实施例中，柔性关节机械臂是连接在航空器1上的，在本发明的其他实施例中，也可以将柔性关节机械臂连接在车载机构、船载机构、地面或机载机构中。[0055]如图1和图3所示，柔性关节机械臂包括方位电机和第一谐波减速器、俯仰电机和第二谐波减速器、横滚电机和第三谐波减速器以及同轴设置的方位轴3、俯仰轴4和横滚轴5；方位电机通过减震器2与航空器1连接，方位电机的输出端与第一谐波减速器的输入端连接，第一谐波减速器的输出端与方位轴3的关节端连接，方位轴3的连接端与俯仰电机连接，俯仰电机的输出端与第二谐波减速器的输入端连接，第二谐波减速器的输出端与俯仰轴4的关节端连接，俯仰轴4的连接端与横滚电机连接，横滚电机的输出端与第三谐波减速器的输入端连接，第三谐波减速器的输出端与横滚轴5的关节端连接，横滚轴5的连接端与精跟踪子轴连接，且横滚轴5与精跟踪子轴的连接处安装有速率陀螺，速率陀螺为光纤陀螺、激光陀螺或mems陀螺等；方位轴3、俯仰轴4和横滚轴5的关节端均安装有关节端测角器，方位电机、俯仰电机和横滚电机上均安装有电机端测角器，关节端测角器和电机端测角器均采用编码器对关节端的转动角度或电机的转动角度进行测量；如图7、图8和图9所示，控制单元包括粗跟踪控制器和精跟踪控制器，方位电机、俯仰电机、横滚电机、关节端测角器、电机端测角器和速率陀螺均接入粗跟踪控制器，精跟踪子轴接入精跟踪控制器。[0056]如图6和图9所示，精跟踪子轴6在本实施例中为音圈电机驱动的快反镜，按照现有技术中的快反镜结构其包括一侧与横滚轴连接的基座、连接在基座另一侧的支撑机构、安装于支撑机构上的多个音圈电机和多个光栅尺以及与多个音圈电机输出端连接的反射镜，如图6所示(θx为反射镜在x轴方向的转动角度，θy为反射镜在y轴方向的转动角度)，音圈电机为四个，采用四点对称驱动布局的方式，四个音圈电机分别为音圈电机a、音圈电机b、音圈电机c和音圈电机d，通过在四个音圈电机设置分别设置光栅尺分别测量四个音圈电机的位移量，光栅尺和四个音圈电机均接入精跟踪控制器，定义四个音圈电机通电后伸长最大位移的二分之一作为初始零位，当音圈电机b与d不动，音圈电机a与c分别伸长和缩短相等位移时，反射镜实现绕x轴的转动，当音圈电机a与c不动，音圈电机b与d分别伸长缩短相等位移时，反射镜实现绕y轴的转动。[0057]音圈电机的输出长度变化△lmax与快反镜中反射镜转动角度θ的关系为：[0058][0059]式中：ra为任一音圈电机距离四个音圈电机的中心对称点的直线距离；[0060]需要说明的是，本实施例中精跟踪子轴的结构仅为本发明的一种优选实施例，在本发明的其他实施例中，精跟踪子轴也可采用现有技术中的压电陶瓷驱动的快反镜、其他驱动形式的快反镜或转动反射镜，也可为轻质小体积的跟踪架结构。[0061]如图2所示，光学负载包括沿光路依次设置的分光镜和ccd，还设有望远镜，光信号通过望远镜进入快反镜fsm中，经过快反镜fsm上的反射镜反射，进入分光镜，光信号的透射光线进入信号探测及信息处理模块，折射光线进入ccd中。[0062]为了提升柔性关节机械臂的控制性能，本发明设计了双加速度反馈控制方法来消除惯量耦合和机械谐振的影响，首先给出单关节柔性关节机械臂传递函数如下：[0063][0064][0065]式中：ωl为方位轴或俯仰轴或横滚轴的关节端角速度；ωm为方位电机或俯仰电机或横滚电机的角速度；ks第一谐波减速器或第二谐波减速器或第三谐波减速器的刚度；n为第一谐波减速器或第二谐波减速器或第三谐波减速器的减速比；s为拉普拉斯算子；jl为方位轴或俯仰轴或横滚轴的关节端的标称转动惯量；jm为方位电机或俯仰电机或横滚电机的标称转动惯量；τm方位电机或俯仰电机或横滚电机的输出力矩；谐振频率反谐振频率惯量比则[0066]如图4所示，为本发明提供的双加速度反馈控制框图，结合单关节柔性机械臂传递函数，可以得到方位轴3、俯仰轴4和横滚轴5传递函数为：[0067][0068][0069]式中：kal为方位轴或俯仰轴或横滚轴的关节端加速度反馈系数；等效谐振频率ref为参考信号；方位电机或俯仰电机或横滚电机的等效转动惯量[0070]可见通过方位电机或俯仰电机或横滚电机的加速度反馈，方位电机或俯仰电机或横滚电机的等效转动惯量变为原来的倍，当系统的关节端转动惯量比r过小或过大时，可以根据公式通过调节参数来获得理想转动惯量比通过改变方位轴或俯仰轴或横滚轴的关节端加速度反馈系数kal来任意配置系统的等效谐振频率，使系统的等效谐振频率落在系统的带宽以外，达到抑制谐振的目的；另一方面，增加方位轴或俯仰轴或横滚轴的关节端加速度反馈能够有效减小惯量耦合带来的影响。[0071]式中：为方位电机或俯仰电机或横滚电机的加速度反馈系数；r为方位轴或俯仰轴或横滚轴的关节端转动惯量比；为理想转动惯量比。[0072]双加速度反馈的前提是获得准确的角加速度信息，为了避免增加加速计而使系统的成本和复杂度增加，在此采用估计方式来提取方位电机或俯仰电机或横滚电机的加速度和方位轴或俯仰轴或横滚轴的关节端加速度，其中方位电机或俯仰电机或横滚电机的加速度可通过在电机端测角器上嵌入隆伯格状态观测器估计获得，而方位轴或俯仰轴或横滚轴的关节端加速度则通过估计关节力矩ts等效获取，即：[0073]ts＝jlal；[0074]关节力矩估计的关键在于谐波减速器(指第一谐波减速器、第二谐波减速器或第三谐波减速器)精确模型的建立，前述柔性关节机械臂模型建立过程中，谐波减速器被近似的等效为一个线性弹簧，但是实际的谐波减速器传动特性具有非线性迟滞特性，为了估计精确的关节力矩ts，需对谐波减速器进行精细化建模，谐波减速器由谐波发生器、刚性齿轮和柔性齿轮组成，谐波减速器在传动中的柔性行为如图5所示。[0075]谐波发生器的柔性可由其两侧的角位移差△θwg＝θwgo-θwgi来表示，其中θwgi为谐波发生器的输入端角位移、θwgo为谐波发生器输出端角位移。同理，柔性齿轮的柔性也由其两侧的角位移差△θfs＝θfso-θfsi给出，其中θfsi和θfso分别为柔性齿轮的输入端和输出端角位移。θwgo和θfsi均是不可测的。此外，第三个角位移为柔性齿轮和钢性齿轮啮合间隙造成的运动学误差可由无负载旋转关节测试获得。[0076]柔性齿轮的弹性变形为：[0077][0078]其中cwg，kwg0为待确定的参数，在得到柔性齿轮的弹性变形△θfs后，柔性齿轮的输出力矩tfs可由下式给出：[0079][0080]在实际使用中，在方位电机、俯仰电机和横滚电机上均设置有电流传感器，通过电流传感器测得的电流估计出谐波发生器转矩twg：[0081]twg＝tm-tfm；[0082]式中：cfs为与柔性齿轮局部刚度相关的系数；kfs0为柔性齿轮的名义刚度；cwg为与谐波发生器刚度相关的系数；kwg0为谐波发生器的名义刚度(kfs0、cfs、cwg和kwg0均可根据谐波减速器的厂家说明书确定)；tm为方位电机或俯仰电机或横滚电机的输出力矩，tfm为方位电机或俯仰电机或横滚电机的摩擦力，△θ为谐波减速器输入和输出间的总扭转变形。[0083]所求得的柔轮的输出力矩tfs即为关节力矩ts的准确估计。[0084]在双加速度反馈的基础上，设计外环(速度环、位置环等)控制器，即可实现柔性关节机械臂的高精度控制。[0085]一种柔性关节机械臂复合轴光电跟踪系统的控制方法，基于一种柔性关节机械臂复合轴光电跟踪系统，包括以下步骤：[0086]1)、通过粗跟踪控制器控制柔性关节机械臂对光学负载的视轴进行大范围调整，将视轴指向跟踪目标所在方位的附近；[0087]2)、通过粗跟踪控制器控制柔性关节机械臂带动光学负载在小范围内进行扫描搜索跟踪目标；[0088]3)、当搜索到跟踪目标后，通过光学负载的分光镜对跟踪目标进行成像，并通过ccd获得跟踪目标的第一脱靶量(图7中的脱靶量)；[0089]4)、利用跟踪目标的脱靶量形成图像闭环控制，通过粗跟踪控制器控制柔性关节机械臂运动将跟踪目标拉入到视场中心位置；[0090]5)、当跟踪目标进入视场中心后，精跟踪控制器工作，通过ccd解耦获得跟踪目标的第二脱靶量(图8中的高频小幅值脱靶量，通过解耦获得)消除高频抖动的影响，使跟踪目标稳定在视场中心；[0091]6)、连续对跟踪目标进行跟踪，直至跟踪任务完成。









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