基于卡尔曼滤波的空间转动机构重力卸载装置与方法

技术领域

本发明涉及一种基于卡尔曼滤波的空间转动机构重力卸载装置与方法，属于重力卸载或伺服控制领域。

背景技术

专利“一种主动式重力卸载装置”(发明专利，候鹏，20180504)，提出了一种可实现大型空间可展开机构地面重力补偿、模拟空间失重状态的主动式重力卸载装置，虽然可满足大型多关节空间可展开机构地面重力卸载，具有尺寸小、重量轻、运动行程大的优点，但是由于控制系统复杂、机械结构繁琐，降低了系统的操作性和维护性，增加了系统的成本。

论文“零刚度吊丝悬挂主动重力补偿系统设计”(第九届中国多智能体系统与控制会议，贾娇，20140726)，设计了零刚度吊丝悬挂主动重力补偿系统，对试验航天器所受到的重力进行完全补偿，虽然考虑了水平方向时延、垂直方向的零刚度、钢丝绳的扰动以及悬挂装置对实验航天器的影响，但是由于没有考虑到二维倾角传感器输出偏离平衡位置角度信息的延迟和噪声的干扰，未达到较高的跟踪准确度和补偿精度。

论文“气浮试验台重力卸载精度分析”(机械工程学报第55卷第5期，杨国永，20190520)，设计了一种能够实现分级同步重力卸载的气浮试验台，并保证了两轴能够同时在微重力环境下转动，虽然实现了对驱动机构两个关节的重力分别卸载，但是由于所采用的方法是气浮法限制了负载的重量，无法满足大负载的需求。

基于此，本专利提出一种基于卡尔曼滤波的空间转动机构重力卸载装置与方法。首先，提出一种既能高精度姿态跟踪又能对转台负载恒定重力卸载的空间转动机构重力卸载装置，与传统的方法相比具有结构简单、可操作性维护性高的特点。之后，提出了基于卡尔曼滤波的空间转动机构重力卸载方法，该方法使姿态测量信息通过卡尔曼滤波后具有抗干扰能力强、鲁棒性强、消除噪声影响等优点。最后，针对伺服电机模型以及悬线微小扭转等带来的非线性，采用滑模控制算法对系统进行控制。该方法具有姿态跟踪精度高、承载能力强、控制系统和机械结构简单等优点，可以满足空间转动机构重力卸载的要求。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种基于卡尔曼滤波的空间转动机构重力卸载装置与方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于卡尔曼滤波的空间转动机构重力卸载装置，基于卡尔曼滤波的空间转动机构重力卸载装置包括伺服电机、Z轴电机、旋转平台、拉力传感器、悬线、转台负载、转台和桁架，转台的两侧固定转台负载，桁架下固定伺服电机，伺服电机的轴与旋转平台垂直固定，旋转平台上与转台负载对应的位置固定Z轴电机，Z轴电机和转台负载之间通过悬线和拉力传感器连接。

本发明一种基于卡尔曼滤波的空间转动机构重力卸载装置，所述旋转平台上固定的Z轴电机背对设置。

本发明一种基于卡尔曼滤波的空间转动机构重力卸载装置，所述转台采用T型转台，T型转台带动转台负载做俯仰、偏航两个自由度的运动。

本发明一种基于卡尔曼滤波的空间转动机构重力卸载装置，所述伺服电机和Z轴电机均采用永磁同步电机。

一种基于卡尔曼滤波的空间转动机构重力卸载方法，所述基于卡尔曼滤波的空间转动机构重力卸载方法具体步骤为：

步骤一：当权利要求1-4所述的基于卡尔曼滤波的空间转动机构重力卸载装置工作时，位于转台偏航轴上的位置编码器测量得到偏航姿态角度，将偏航姿态角度经过工控机进行卡尔曼滤波消除延迟和噪声的干扰；

步骤二：将由计划卸载的转台负载重力计算得到的悬线拉力值作为Z轴电机的控制指令，通过悬线上的拉力传感器使悬线拉力始终保持与Z轴电机控制指令相同；

步骤三：在转台负载的重力进行卸载时采用滑模控制对悬线的拉力进行锁定控制。

本发明一种基于卡尔曼滤波的空间转动机构重力卸载方法，其特征在于，所述卡尔曼滤波具体为：将之前得到的最优值与当前的测量值相运算，计算出卡尔曼增益，之后按照相应的比例取出上一次的估计值和传感器的值，得出这一次的输出值，并且更新卡尔曼误差比例系数。

本发明一种基于卡尔曼滤波的空间转动机构重力卸载方法，步骤三的具体过程为：

首先建立，永磁同步电机的模型，式(1)为电压方程：

其中

式(2)为磁链方程

式(3)为电磁转矩方程

T

式(4)为磁链幅值平方方程

其中，

θ

R

ψ

ω

n

D——微分算子；

L

i

ψ

u

i

滑模变量可取式(5)

其中：e

对式(5)微分可得式(6)

为设计滑模控制算法，可令(7)式成立。

又由式(1)-式(4)可知

其中

A

通过求解式(8)可得滑模控制器式(9)：

本发明一种基于卡尔曼滤波的空间转动机构重力卸载装置与方法：

提出的空间转动机构重力卸载装置能对空间二维转动机构进行重力卸载，与传统的针对空间展开机构重力卸载装置相比具有应用范围广、机械结构简单、维护性强的优点。

提出的基于卡尔曼滤波的空间转动机构重力卸载方法对偏航姿态可进行高精度的随动跟踪，与传统二维跟踪方法相比，可消除传感器测量信息的延迟以及混杂噪声带来的影响，是跟踪精度更高，能以更精度实现重力卸载。

提出的基于卡尔曼滤波的空间转动机构重力卸载装置和方法，解决了二维转动机构的重力卸载环境搭建困难的问题，同时该装置和方法能承载大重量的转台负载、具有跟踪快速性、卸载精度高等优点。

附图说明

图1为本发明基于卡尔曼滤波的空间转动机构重力卸载装置的结构示意图。

图2为本发明基于卡尔曼滤波的空间转动机构重力卸载方法的卡尔曼滤波算法流程图。

图3为本发明基于卡尔曼滤波的空间转动机构重力卸载方法中滑模面及三类运动点的位置关系图。

图中附图标记有：1为伺服电机；2为Z轴电机；3为旋转平台；4为拉力传感器；5为悬线；6为转台负载；7为转台；8为桁架。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

实施例一：如图1-2所示，本实施例所涉及的一种基于卡尔曼滤波的空间转动机构重力卸载装置与方法，基于卡尔曼滤波的空间转动机构重力卸载装置由伺服电机、Z轴电机、旋转平台、拉力传感器、悬线、转台负载、转台、桁架等组成。T型转台可带动负载做俯仰、偏航两个自由度的运动，伺服电机通过位于转台偏航轴上的位置编码器对转台的偏航运动进行实时的角度跟踪，使转台负载的卸载悬线始终保持竖直状态；与此同时，将由计划卸载的负载重力计算得到的悬线拉力值作为Z轴电机的控制指令，通过悬线上的拉力传感器使悬线拉力始终保持与Z轴电机控制指令相同。可以实现转台二维转动的同时对转台负载进行卸载，其装置如图1所示。跟踪转台偏航运动的执行器为伺服电机，用于转台重力卸载的执行器为位于旋转平台上的Z轴电机，这两种电机均选用永磁同步电机。

首先给出偏航姿态跟踪方案：

位于转台偏航轴上的位置编码器测量得到偏航姿态角度，由于延迟和噪声的干扰不能直接将其作为控制指令控制伺服电机跟踪转台偏航姿态，需要将偏航姿态角度经过工控机进行卡尔曼滤波消除延迟和噪声的干扰。

在姿态跟踪问题上，为了解决传感器采集回来的值带有的延迟问题，一般采用卡尔曼滤波来进行滤波以及预测的作用，通过它的输出值将测量值的噪声滤除并且将控制对象的运动状态有一定的预测，保证跟踪控制的精度。

其次给出卡尔曼滤波算法的流程：

卡尔曼滤波是通过对于采集传感器的测量值，将采集的测量值与线性状态方程组合运算可以实时得到系统当前姿态的最优值。卡尔曼滤波将之前得到的最优值与当前的测量值相运算，计算出卡尔曼增益，之后按照相应的比例取出上一次的估计值和传感器的值，得出这一次的输出值，并且更新卡尔曼误差比例系数。卡尔曼滤波算法的运行流程如图2所示。

实施例二：如图2所示，本实施例所涉及的一种基于卡尔曼滤波的空间转动机构重力卸载方法，为了描述卡尔曼滤波算法，假设存在一个如下微分方程描述的线性系统。

x(k)＝Ax(k-1)+Bu(k)+w(k) (1)

z(k)＝Hx(k)+v(k) (2)

x(k)和x(k-1)表示的是第k时刻和第k-1时刻的状态变量，u(k)表示的第k时刻对于整个系统的输入的控制量，z(k)是表示的是第k时刻系统从传感器获取的值，A,B,H这三个系数分别表示的是状态矩阵、控制矩阵以及测量矩阵，式(1)和式(2)中的w(k),v(k)一般是作为高斯白噪声作为整个系统的干扰，它们的协方差一般用式(4)和式(5)中的Q,R来表示。

有了线性系统的状态方程之后，我们就可以将卡尔曼滤波应用其中。经过推导，这个方法主要有五个公式构成，前面两个公式是用来预测系统的状态，后面三个公式则是根据预测和上一次的误差矩阵来计算当前的输出量以及更新公式中的一些变量。

由第k-1时刻预测第k时刻的状态：

x(k|k-1)＝Ax(k-1|k-1)+Bu(k) (3)

由第k-1时刻误差估计协方差矩阵估计第k时刻：

P(k|k-1)＝A*P(k-1|k-1)*A

计算卡尔曼增益矩阵：

由前面两个预测值估计当前时刻的最优值：

x(k|k)＝x(k|k-1)+Kg(k)*(z(k)-Hx(k|k-1)) (6)

将误差协方差矩阵更新到第k时刻：

P(k|k)＝(I-Kg(k)*H)*P(k|k-1) (7)

前面所述的基本的卡尔曼滤波算法是建立在所处理的系统为线性的系统，也就是公式(2)中的状态转移矩阵以及测量矩阵都是常数，不是与时间有关系的变量。

实施例三：如图1和3所示，本实施例所涉及的一种基于卡尔曼滤波的空间转动机构重力卸载方法，悬线恒拉力控制方法：

针对悬线的弹性形变、微小扭转和伺服电机带来的模型非线性、模型参数的未知等问题，又由于滑模控制具有很强的鲁棒性，对参数摄动与外界干扰的极其不敏感性，且控制律设计过程简单，拟采用滑模控制对悬线的拉力进行锁定。

首先我们需要给出滑模变结构控制的数学定义。考虑一个任意的非线性系统，表示为：

对于式(8)所示系统的状态空间内，存在滑模面

s(x)＝s(x

及三类运动点：通常点A，起始点B和终止点C。如图3所示。

对于式(8)给出的系统，进行滑模控制律设计，首先需要设计滑模面

s(x) s∈R

然后设计控制律

其中u

(1)存在滑模面；

(2)状态空间内的任意状态初始点均能在有限时间内滑动到滑模面s＝0；

(3)系统满足稳定性。

永磁同步电机具有转矩响应好、可靠性高等优点，因此，在卸载重力这一要求高瞬态转矩响应的场合，采用永磁同步电机作为执行器，控制电机转矩来控制卸载的重力。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。