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基于视觉的目标靶定位系统动力学模型与控制研究
其他题名Study of Target Precision Positioning System Dynamics Model and Control Base on Vision
王学伟
学位类型工学博士
导师张文生
2015-05-27
学位授予单位中国科学院大学
学位授予地点中国科学院自动化研究所
学位专业计算机应用技术
关键词机械结构设计 屏蔽罩系统 集中-分布参数模型 精密定位系统 显微视觉控制 Mechanical Structure Design Shroud System Lumped-distributed Model Precision Positioning System Microscopic Visual Control
摘要激光惯性约束核聚变因能量高、无污染且可提供经济、安全的能源,已成为解决未来能源危机的有效途径之一,目标靶精密定位是实现惯性约束核聚变的关键问题之一。首先,当目标靶定位到真空靶室中心附近一个很小的范围内,密封屏蔽罩快速分离;然后,在极短时间内由定位机器人补偿屏蔽罩分离过程引起的目标靶位姿误差。因此,如何完成屏蔽罩的快速分离及如何补偿目标靶位姿误差已成为目标靶定位系统实验研究亟待解决的问题。 本论文在国家自然科学基金支持下,针对屏蔽罩快速分离过程中,目标靶系统振动特性和精密定位等关键技术展开研究。其内容涉及目标靶定位系统的整体机械结构设计、目标靶定位系统力传递特性和振动特性分析、低频扰动下目标靶精密定位和视觉伺服控制算法等方面,其主要研究工作和贡献有: (1)设计了基于齿轮传动机构的快速自开合屏蔽罩系统。由于屏蔽罩系统与目标靶支撑定位机构刚性连接,其机械特性直接影响目标靶定位系统的稳定性和振动性。针对此问题,采用Adams仿真模型、性能测试方案分析了齿轮的机械特性,包括其传动链分析、驱动单元分析等。同时,综合考虑系统设计指标、几何尺寸、成本和裕量等限制条件,设计了基于齿轮传动机构的快速自开合屏蔽罩系统,并完成系统实验平台搭建,其控制系统采用基于PMAC运动控制卡的交流伺服控制。 (2)提出了基于扭转弹性动力学建立屏蔽罩支架模型和横向弹性动力学建立长悬臂模型的方法。由于屏蔽罩快速分离过程中,其支架扭转弹性形变引起的振动会使长悬臂末端产生位置误差。针对该问题,建立屏蔽罩支架的扭转弹性动力学模型和长悬臂横向弹性动力学模型,以分析屏蔽罩系统与长悬臂间的力传递特性,并将传递特性参数化,为目标靶定位系统的分析提供前提条件。通过屏蔽罩静力学实验和长悬臂ANSYS模态分析,证明了所建模型的正确性。 (3)提出了基于集中-分布参数动力学建立目标靶定位系统模型的方法,并利用多目标非线性约束优化算法对系统机械结构参数进行定量化设计。针对目标靶定位系统高伺服带宽的问题,对除屏蔽罩支架和长悬臂以外的结构,采用集中参数法建立动力学模型,并依据力传递特性建立整个目标靶定位系统动力学模型,研究屏蔽罩支架扭转弹性振动引起的长悬臂末端位置误差变化规律。通过实验结果和分析,结构参数优化后的目标靶定位系统的共振频率提高了60%,有效抑制了机械共振,并减小了长悬臂末端位置误差。 (4)提出了基于动态Quasi-Newton算法的目标靶精密定位控制策略。针对低频扰动下,目标靶位姿受到噪声影响的问题,首先,离线估计雅克比矩阵的初值并采用动态Broyden算法在线更新雅克比矩阵,针对更新的雅克比矩阵会出现发散现象,利用迭代最小二乘法提高系统稳定性和响应速度;其次,利用Quasi-Newton算法获取定位机器人各轴运动量的变化值,实现目标靶位姿实时调整。通过实验表明,目标靶定位的位置误差控制在9 μm以内,姿态误差控制在0.01◦以内。
其他摘要Inertial confinement fusion (ICF) has the property of high energy density and can provide clean, economic and secure energy, which has become an effective way to solve the problem of future energy crisis. Target precision positioning is one of the key technologies of ICF. First of all, before the fusion, the target is positioned precisely near the center of the vacuum target chamber and seal shroud is fast removed. Then, in a very short period of time positioning robot is used to compensate error of the target’s pose, caused by the process of the shroud removal. Therefore how to accomplish the task of the shroud removal fast and how to complete high-precision target positioning accurately have become urgent for the target precision positioning system. Supported by the National Nature Science Foundation of China, vibration characteristics of the target precision positioning system and the precise are developed in the progress of the shroud removal. The research contents involve mechanical design for the whole target precision positioning system, force transmission characteristics and vibration analysis of the system, precision positioning and servo-control algorithms of the target in the low-frequency disturbances environment. The main work and contributions are described as follows, (1) The opening and closing shroud system based on gear transmission mechanism is presented. Because the shroud system and support positioning mechanism of the target are rigid connected, mechanical properties of the shroud is directly affect on the stability and vibration of the target. Adams model and performance testing method are adopted to analyze mechanical characters, such as transmission chain, drive unit. Meanwhile, comprehensive considering the design specifications, geometric size, cost and margin of the system, the shroud system based on gear transmission mechanism is completed. The experimental platform is built and its control system uses AC servo based on PMAC, which is the motion control card. (2) The model of the shroud support arm based on torsion elastic dynamics and the long cantilever model which is on the lateral elastic dynamics is developed. For the removal of the shroud fast, positioning error at the end of the long cantilever can cause its support arm’s torsion vibration. The models of the shroud support arm’s torsion elastic dynamics and the long cantilever’s elastic dynamics are established. Both models are used to analyze the force transmis...
其他标识符201118014629091
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ia.ac.cn/handle/173211/6702
专题毕业生_博士学位论文
推荐引用方式
GB/T 7714
王学伟. 基于视觉的目标靶定位系统动力学模型与控制研究[D]. 中国科学院自动化研究所. 中国科学院大学,2015.
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