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毕业设计（论文）任务书 学生姓名： 学号： 学 院： 专业：机械设计制造及其自动化 任务起止时间： 2017 年 2 月 27 日至 2017 年 6 月 25 日 毕业设计（论文）题目： 空间机械臂关节非线性因素对指向精度的影响 毕业设计工作内容： 1、 查找国内外空间机械臂关节的发展现状； 12 周 2、 确定空间机械臂关节的设计方案； 34 周 3、 分析指向精 度； 57 周 4、 确定非线性线性因素； 89 周 5、 进行动力学仿真，分析仿真结果； 1013 周 6、 撰写毕业论文，准备答辩。 1416 周 资料： 1 徐灏 . 机械设计手册 S. 北京 :机械工业出版社 ， 1991. 9 2 巩娟 ， 李玉 J. 现代制造工程 ，2005 (2):115 3 张晓峰 ， 林彬 . 大行程纳米级分辨率超精密工作台的发展方向 J. 南京航空航天大学学报 ， 2005. 11. 第 37 卷增刊 . 4 王三民 ， 诸文俊 . 机械原理与设计 M. 机械工业出版社 ， 5 雷 勇 ， 陈本永 ， 杨元兆 ， 张丽琼 ， 王俊茹 ， 冯 平 . 纳米级微动工作台的研究现状及发展趋势 J. 浙江理工大学学报 ， 3 卷 ， 第 1期 . 指导教师意见： 签名： 年 月 日 系主任意见： 签名： 年 月 日 教务处制表 - 1 - 第 1章 分析简述 空间机械臂关节对于指向精度的性能分析是本文的研究重点，通过进一步讨论和国内外分析，从而确立空间机械臂关节具体类型。进而建立动力学模型并确立非线性因素的计算方法，最后利用 行动力学仿真求解，并绘制相应曲线，总结提高指向精度的规律性结论，本文主要分析过程如图 1示。 确立空间机械臂关节建立行星轮系动力学模型与空间机械臂动力学模型确立非线性因素计算方法空间机械臂关节非线性因素对指向精度的影响A D A M S 数值仿真单个空间机械臂关节 两个空间机械臂关节齿侧间隙啮合误差耦合误差摩擦因素齿侧间隙啮合误差耦合误差摩擦因素图 1析简述图 - 2 - 第 2章 值仿真 与分析结果 首先，确定行星轮系减速器和机械臂结构的主要参数如表 2据主要参数利用 立行星轮系的三维模型。 表 2星轮系主要参数 主要参数 太阳轮 行星轮 内齿轮 齿数 21 18 66 齿轮数量 1 3 1 中心距 ( 70 模数 4 压力角 ( 20 齿宽 ( 100 螺旋角 ( 0 仿真主要分为单个行星轮系和多个行星轮系对天线动力学的影响两个部分，根据天线动力学模型确定机械臂主要参数如表 2以行星轮系减速器作为关节建立三维模型。 图 2间机械臂 型 - 3 - 表 2械臂主要参数 主要参数 0l 1l 2l 卫星 x 轴转动惯量 ( mm/ y 轴转动惯量 ( z 轴转动惯量 ( 质量 ( kg/m ) 15 3 1 5000 长度 ( mm/l ) 1500 300 100 将 建立的 三维模型导入 进行分析，根据表 2置机械臂主要参数 如图 2施加相应的旋转副、固定副和接触进行仿真 处理 。仿真时，太阳轮为主动轮为其施加驱动，转速为 8/s，仿真时长为 5s，初始摩擦系数为 察天线相对于空间坐标系的波动情况 如图 2示 。 图 2设置主要参数 图 2后处理界面 - 4 - 第 3章 单个行星轮系对天线动力学影响的研究 如表 3示，将非线性因素与仿真中可控制变量相关联，可以将模型简化并有效的提高了仿真的效率。 表 3线性因素与仿真主要参数 间隙值 材料因素 速度因素 摩擦系数 齿侧间隙 啮合误差 摩擦因素 耦合误差 侧间隙 对天线动力学的影响分析 仿真过程： 将侧隙对天线动力学的影响主要分析太阳轮与行星轮啮合的侧隙和行星轮与内齿轮啮合的侧隙，根据第二节对侧隙计算的分析，所以分为 0想情况）、 五种不同情况进行运动学仿真，并与 0理想情况 ） 进行对比分析。 a)齿侧间隙为 b)齿侧间隙为 c)齿侧间隙为 d)齿侧间隙为 3同间隙与理想状态下的比较 - 5 - 图像描述： 四组仿真结果如图 3示，为考虑单个行星轮系的不同齿侧间隙大小对天线动力学的影响分析天线相对于理想位置的运动偏差。从图中可以看出，齿侧间隙越大，天线相对偏移量的波动越大。而当单个行星轮系的齿侧间隙大于 ， 偏移量 会出现大幅波动， 原因分析： 说明由于存在较大的齿侧间隙， 会 导致行星 轮系的 轮齿啮合出现了脱齿现象，使得齿轮啮合精度下降，传动效率降低。 规律应用： 因此，在设计时，应该尽量减小齿侧间隙，以提高齿轮精度，但适 当的齿侧间隙可以防止齿轮卡死等状况，所以推荐留有 齿侧间隙。 合误差对天线动力学的影响分析 仿真过程及设定： 啮合误差主要来自于行星轮系中的齿轮啮合情况 。因此，仿真主要是 从齿轮的 材料 和齿轮啮合 时的工作状态 两个方面综合考虑。齿轮的制造精度主要由齿轮材料 所决定， 如表 3别选取 3 种不同材料进行仿真。 啮合 时的工作状态是指从 行星轮系在载荷一定的情况下，关节 部分所处的运行状态 ， 如恒速与非恒速，所以仿真时恒速 转速为 8/s，非恒速为 置的 数： )0 , 0 d , 5 , 3 0 E P ( ,仿真时长为 5s，摩擦系数为 侧间隙为 表 3种齿轮材料主要参数 主要参数 1K 2K 3K 密度 ( 3kg/ 泊松比 氏模量 ( 2N/ a) 1K 材料 b) 2K 材料 - 6 - c) 3K 材料 图 3种材料在恒速与非恒速下的对比 图像描述： 图 3考 行星轮系的三种材料在恒速和非恒速两个情况下，天线的相对偏移量。 图 3-2 b)中可以看出， 2K 在非恒速状态下，天线的偏移量波动较大，但 1K 与3者在恒速与非恒速均波动较小。 原因分析： 说明齿轮材料对行星轮系的啮合精度有一定影响，而泊松比的影响尤为明显，泊松比大的齿轮材料，径向变形量比轴向变形量要大，使得在非恒速状态下，天线机构仍能保持较小的相对偏移量。 擦因素对天线动力学的影响分析 仿真设定： 考虑摩擦因素对天线的影响，主要根据 型确定的摩擦系数进行分析，分为 1 和 2 两种情况，其仿真数值为 为了更全面的分析其影响，考虑到天线的运动状态对行星轮的啮合影响较大，所以将摩擦系数和运动状态综合分析摩擦因素的影响，仿真时，转速为 8/s，仿真时长为 5s， 齿侧间隙为 a)摩擦系数为 b)摩擦系数为 3速与非恒速对不同摩擦系数的影响 图像描述： 图 3各摩擦系数在恒速与非恒速的对比， a)图所示非恒速的状态下天线相对偏移量波动的峰值较大，说明在摩擦系数为 ，行星轮系的啮合在恒速与非恒速的状态下均受到了摩擦的影响，但影响较小- 7 - 且两者波动状态相近。而 b)图所示恒速与非恒速均出现较大的波动峰值，在恒速状态下出现了最大波动峰值，而非恒速状态下波动频率明显也增多。 原因分析： 说明在摩擦系数为 ，速度因素对天线指向精度影响较大， 导致行星轮在启动后更难进入稳定状态，对于关节的运行稳定性影响很大。 a)恒速状态 b)非恒速状态 图 3同摩擦系数在恒速与非恒速下的对比 图像描述： 图 3-4 a)所示恒速状态下两个不同摩擦系数对天线偏移量的影响，当摩擦系数为 波动峰值较大，但总体来看与摩擦系数为 波动频率相近，说明在恒速下摩擦系数的数值对天线相对偏移量影响相对较小。 b)所示非恒速状态下，摩擦系数为 波动明显较小，而摩擦系数为 出现数次较大波动峰值，说明在非恒速下摩擦系数的数值对行星轮系与天线指向精度均有较大影响。 规律应用： 因此，首先应当尽量避免天线机构的急回特性，尽量降低摩擦系数，提高啮合精度，使天线在运 行过程中处于较平稳状态下可以减少摩擦因素对天线指向精度的影响。 合误差对天线动力学的影响分析 仿真过程： 耦合误差考虑多个因素对天线动力学的影响，主要从啮合误差及齿轮侧隙两个方面分析，为了更好分析对比，引入新的材料 4K ，其密度为 ，泊松比为 析耦合误差时，摩擦系数为 度恒定 8/s，仿真并观察耦合误差的影响结果。 - 8 - a)齿侧间隙为 b)齿侧间隙为 c)齿侧间隙为 d)齿侧间隙为 3轮 材料 为 1K 时 在不同间隙 的对比 a)齿侧间隙为 b)齿侧间隙为 9 - c)齿侧间隙为 d)齿侧间隙为 3轮 材料 为 2K 时 在不同间隙 的对比 a)齿侧间隙为 b)齿侧间隙为 c)齿侧间隙为 d)齿侧间隙为 3轮 材料 为 3K 时 在不同间隙 的对比 - 10 - a)齿侧间隙为 b)齿侧间隙为 c)齿侧间隙为 d)齿侧间隙为 3轮 材料 为 4K 时 在不同间隙 的对比 图线描述： 上述四组仿真结果为四种不同齿轮材料在不同间隙下对天线系统偏移量的影响，首先从图中可以看出齿侧间隙越小，天线偏移量越小。而当齿侧间隙大于 ，天线偏移量会出现较大波动，尤其当齿轮材料为 2K 与3侧间其数值均大于理想状态下的天线偏移量， 原因分析： 说明 2K 与3比较当齿轮材料为 1K 与 4K 时，齿侧间隙大于 ，其数值与理想天线偏移量相近，说明泊松比较大的齿轮材料能够减少齿侧间隙较大带来的不利影响。 规律应用： 因此，通过上述仿真结果和分析，若能尽量减少齿侧间隙，则可以选取如 2K 、3保持行星轮系传动的稳定性，相反，若齿侧间隙较大时 ，则可以选取泊松比较大的材料如 1K 与 4K ，可以减少齿侧间隙对天线系统的影响。 - 11 - 章小结 本节对单个行星轮系的四个非线性因素进行了仿真和对比分析。 分析齿侧间隙的仿真结果 ： 通过分析仿真结果，发现 齿侧间隙越大，天线相对偏移量的波动越大 ，但为了避免齿轮啮合过程中出现卡齿等状况，建议齿侧间隙取 提高行星轮系的传动精度。 分析啮合误差的仿真结果： 说明速度因素造成的啮合误差对天线指向精度的影响很严重，而材料因素主要影响齿轮啮合精度，选取类似于 1K 泊松比相对较大的齿轮材料能够减弱啮合误差所带来的影响。 分析摩擦因素的仿真结果： 发现较高摩擦系数与非恒速状态下天线相对偏移量波动相对剧烈，说明应当尽量降低摩擦系数，提高啮合精度，并使天线系统处于较平稳状态。 分析耦合误差的仿真结果： 通过仿真结果发现当间隙大于 ，泊松比相对较大的齿轮材料由于横向变形量较纵向变形量要大，所以受到齿轮侧隙的影响较小。而相对齿侧 间隙较小的情况下，选取泊松比较小的齿轮材料，可降低天线系统受到的影响。 - 12 - 第 4章 两个行星轮系对天线动力学的耦合研究 隙对天线动力学的影响分析 仿真过程 ： 在一个行星轮系的基础上分析两个行星轮系对天线动力学的耦合影响，将两个关节的行星轮系置于不同的齿轮侧隙，继续考虑上述的五种不同的侧隙情况进行 仿真 分析。仿真时，恒速为 8/s，仿真时长为 5s，摩擦系数为 a)齿侧间隙为 b)齿侧间隙为 c)齿侧间隙为 d)齿侧间隙为 4同间隙与理想状态下的比较 图像描述： 仿真结果如图 4示， 与图 3示结果基本相似 ， 其 齿侧间隙越 小 ，天线相对偏移量的波动越 小，但两 个行星轮系的齿侧间隙 ， 随着时间的增加，偏移量也逐渐趋于平稳 。 原因分析： 说明 适当 的齿侧间隙， 能够有效的减少齿轮卡死状况的几率，使得 行星齿轮传动系统 能够稳定的传动，但较大间隙时，仍然导致了两个行星轮系的轮齿啮合精度下降，天线偏移量波动较大。 规律应用： 因此，在设计时， 两个行星轮系同时 应 该 同时 尽量减小齿侧间隙，以提高 行星轮系传动精度 ， 仿真结果同时也说明了两个行星轮系齿侧间隙为 可以降低天线偏移量的波动。 - 13 - 合误差对天线动力学的影响分析 仿真准备： 在将两个行星轮系所产生的啮合误差进行耦合研究时，为更好的 分 析 和 观 察 仿 真 结 果 ， 将 两 个 关 节 的 连 接 情 况 为 简 化 为 ：)3,2,1,( 其中 恒速状态下的行星轮系 1， 恒速状态下的行星轮系 2，而将非恒速标记为： 或 。 仿 真 过 程 ： 仿 真 时 ， 非 恒 速 为 置的 数 ：)5 , 3 0 0, 0 d,(S T E P ，恒速为 8/s， 仿真时长为 5s，摩擦系数为 a) 21 耦合 b) 31 耦合 c) 32 耦合 图 4于恒速状态下不同材料的耦合情况 图像描述： 图 4速状态下，不同材料对天线相对偏移量的影响。其中 31 的耦合情况下的两者图像吻合程度较高，此情况下的两个行星轮系材料对天线指向精度的影响大体相同。 原因分析： a)与 c)图像均出现错位，说明波动频率是相近的，在启动初期各轮系 之间有小幅的齿面冲击，随后进入正常啮合状态， 波动幅度降低。恒速状态下，齿轮材料的变化对于天线指向精度的影响较小，此时天线偏移量均大于 0，随着运行稳定，天线偏移量也逐渐减小且稳定。 - 14 - a) 21 耦合 b) 31 耦合 c) 32 耦合 图 4于非恒速状态下不同材料的耦合情况 图像描述： 图 4示非恒速状态下各种耦合情况均出现了较大的波动，这是由于非恒速状态，启动时刻引起的碰撞与冲击程度也较大，运动过程中加速运动导致碰撞增加，振动幅度加大，天线的相对偏移量均出现负值，但说明了在非恒速状态下，齿轮材料对啮合误差影响较小。 原因说明： 通过仔细对比各组，发现其中 31 的波动幅度相对较小，说明在非恒速状态下，将 3K 作为末端行星轮系的材料，可以减少啮合误差对天线指向精度的影响。 - 15 - a) 11 耦合 b) 12 耦合 c) 13 耦合 图 4K 与恒速状态下各齿轮材料 的耦合情况 a) 21 耦合 b) 22 耦合 - 16 - c) 23 耦合 图 4K 与恒速状态下各齿轮材料 的耦合情况 a) 31 耦合 b) 32 耦合 c) 33 耦合 图 4K 与恒速状态下各齿轮材料 的耦合情况 图像描述： 上述仿真结果，是将两个行星轮系分别处于不同速度状态下的对比分析，并分成三组将 1K ， 2K 和 3K 分别与恒速状态下各齿轮材料的耦合情况。 - 17 - 原因分析： 观察分析，启动后由于行星轮系传动系统中多间隙，摩擦因素等影响，导致天线相对于理想位置产生运动偏移量，而末端关节处于恒速状态时由于碰撞过程中的能量损耗，运动偏差的波动逐渐减小，但由于末端关节处于非恒速状态，导致天线的相对偏移量波动一直很大，并很难平稳，对天线的指向精度造成非常不利的影响。 擦因素对天线动力学的影响分析 仿真过程： 研究两个行星轮系的摩擦系数对天线动力学影响时，仍分为 1 和2 两种情况，其仿真数值仍为 同理，其连接方式如上述所示，而为了更直观的观察仿真结果，将在非恒速下运行的关节标记为 1 与 2 ，仿真时，仿真时长为 5s，各关节齿侧间隙为 a)恒速状态 b)非恒速状态 图 4同啮合状态不同摩擦系数的耦合情况 图像描述： 图 4示恒速状态与非恒速状态下两个行星轮处于不同摩擦系数对天线指向精度的影响， a)中恒速状态下 21 的波动频率与波峰明显高于 12 的波动情况，但 21 接近仿真结束时波动基本趋近于稳定， 图像分析： 说明末端的关节，其摩擦因素对整个天线的指向精度影响最大，但由于处于恒速状态，随着行星轮系逐渐平稳的运行，整个天线系统也逐渐趋于稳定，摩擦因素的影响也开始减弱。 b)中图形的趋势大体与a)相似，但 21 并没有随着时间趋于稳定，这是由于运动状态决定的，非恒速的状态下 对摩擦因素对天线指向精度的影响尤为严重，尤其是当末端关节处摩擦系数相对较大时。 - 18 - a)摩擦系数为 1 b)摩擦系数为 2 图 4同摩擦系数不同啮合状态的耦合情况 图像描述： 图 4示 a)与 b)的对比与趋势均说明了上述结论，近天线端的行星轮系对天线系统影响最大， a)图中近天线端的行星轮系处于非恒速所以波动较大，且峰值较高。 原因分析： 说明行星轮系的速度状态对整个系统的影响相对较大。对比 a)图与 b)图， a)图由于摩擦系数较小，降低了受到的影响，从 后开始较大的波动，而 b)图在 产生了大幅度波动，所以在保持速度相对恒定时，应当尽量降低摩擦系数。 a) 21 - 耦合 b) 12 - 耦合 图 4同状态不同摩擦系数下的耦合情况 图像描述及原因分析： 图 4不同状态与不同摩擦系数进行耦合，分析对比其仿真结果。从仿真结果中发现近天线端的若处于恒速状态下，除 启动开始行星轮与 行星 架 轴系 发生了一次较大的径向碰撞， 产生的较大波动外，天线相对偏移量基本趋于平稳。对比 21 - 与 12 - 的曲线，其中12 - 逐渐趋于平稳，证明上述所说较小的摩擦系数降低了速度的变化对其行星轮系的影响。 - 19 - 合误差对天线动力学影响分析 仿真过程： 考虑两个行星轮系的耦合误差对天线动力学影响时， 将两个行星轮系分别设定为四种不同齿轮齿轮，并观察与分析天线系统在不同间隙下的天线偏移量 。 仿真时， 恒速为 8/s， 仿真时长为 5s， a) 21 耦合 b) 31 耦合 c) 41 耦合 d) 32 耦合 e) 42 耦合 f) 43 耦合 图 4侧间隙为 的耦合情况 - 20 - a) 21 耦合 b) 31 耦合 c) 41 耦合 d) 32 耦合 e) 42 耦合 f) 43 耦合 图 4侧间隙为 的耦合情况 - 21 - a) 21 耦合 b) 31 耦合 c) 41 耦合 d) 32 耦合 e) 42 耦合 f) 43 耦合 图 4侧间隙为 的耦合情况 - 22 - a) 21 耦合 b) 31 耦合 c) 41 耦合 d) 32 耦合 e) 42 耦合 f) 43 耦合 图 4侧间隙为 的耦合情况 图像描述： 上述四组为在不同齿侧间隙下，不同齿轮材料耦合的情况。从图中可以看出，较大的齿侧间隙对天线偏移量的影响很大。当相同耦合情况下，侧隙间隙 天线偏移量的峰值是侧隙间隙 78倍，而且随着进入连续接触阶段，图像所示的波动幅度和频率均明显增多， - 23 - 原因分析： 说明两个行星轮系作为关节时，较大的齿侧间隙会叠加侧隙误差，将会使得天线系统的指向误差成倍的累加。 规律应用： 因此在较多关节的天线系统内应尽量减少齿侧间隙，但当齿侧间隙为 ，除了启动开始行星轮与保持架发生了一次较大的径向碰撞后，天线 偏移量的波动幅度和波动频率随着进入连续接触阶段，开始逐渐减小，并趋近于理想状态，所以适当的齿侧间隙能够避免齿轮啮合过程中出现卡死现象，并有利于行星轮系的稳定的传动。 图像描述： 上述四组仿真中，两个关节的行星轮系均采用不同的齿轮材料，以此来对比分析出在较大间隙或较小间隙下，齿轮材料对天线动力学的影响。 原因分析： 首先，参照图 4图 4的 a)、 b)与 c)，上述曲线是在较大齿侧间隙情况下，但其天线相对偏移量的峰值是仍是组内最小的，其共同点在于末端关节选取 1K 作为 齿轮材料时，使得天线偏移量的波动相对更加稳定。 规律应用： 说明末端关节对天线系统产生影响最大，而在较大间隙情况下选取 1K 或力学性能相近的材料作为齿轮材料可以从齿轮自身因素有效的减少间隙对天线指向精度的影响。 章小结 研究两个行星轮系对天线动力学的耦合问题，需综合考虑两个行星轮系的具体情况，以得到规律性结论。 分析齿侧间隙对天线机构的影响： 得到与单个行星轮系相近的结论，其 齿侧间隙越 小 ，天线相对偏移量的波动越 小，而当两 个行星轮系的齿侧间隙 为 ， 随着时间的增 加，偏移量也逐渐趋于平稳，也说明适当的齿侧间隙有利于行星轮系的运行。 分析啮合误差的影响 ： 综合考虑速度因素与材料因素对天线机构指向行为的影响，当行星轮系关节处于非恒速状态下时，天线相对偏移量波动较大，但综合材料因素，发现泊松比大的材料能够减弱速度因素对天线指向精度的影响。 分析摩擦因素对天线影响 ： 仿真结果说明当非恒速的状态下的较大摩擦系数对天线系统影响最大，且 导致行星轮在启动后更难进入稳定状态，对于关节的运行稳定性影响很大 。 分析对耦合误差天线影响 ： 综合对比发现误差会随着连续接触运行过程中不断叠加，因此，减小齿侧间隙是必要的，而当齿侧间隙较大时，选取选取 1K 或力学性能相近的材料能够减弱齿侧间隙对天线机构指向行为的影响。 - 24 - 结论 星载天线机构在轨工作时，其指向行为和指向精度将受到驱动关节、装配精度、控制方式、空间热效应以及馈电部分的影响，且影响具有复杂性与随机性，所以研究天线机构的指向行为和提高指向精度是必要的。基于此，本文将星载天线机构的驱动关节作为研究对象，并将行星轮系作为驱动关节，进一步深入研究行星轮系典型因 素对指向行为的影响，以提高天线机构的指向精度为研究目的，本文主要完成如下工作： 方面考虑影响天线指向行为与如何提高天线指向精度。 研行星轮系作为关节的国内外现状，并分析影响行星轮系的非线性因素，确定研究方向。 星轮系作为研究对象，基于 引入了等效弹簧阻尼模型， 推导微分方程并 建立平移 本章提供了研究基础。 立齿侧间隙、啮合误差与耦合误差的计算方法，并 应用集中参数法引入 擦模型，给出了摩擦力的计算方程。 此坐标系并考虑弯曲刚度等因素，建立振动方程组，并利用振型级数逼近方法求得机械臂动力学方程 。 行动力学仿真，主要从齿侧间隙、啮合误差、摩擦因素与耦合误差四个方面进行仿真分析，分别研究单个行星轮系与两个行星轮系对天线机构指向行为的影响，在综合分析对比下，得出规律性结论，具有一定的实际应用价值。 学位论文原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人 在指导教师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 2017 年 6 月 23日 - 1 - 附录 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 lof 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 or to if if is of of as 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 附录 B 基于降噪模型的方法提高指向精度 . 2002： 65 摘要 ： 本文 提出了一种提高质心精度，从而提高指向精度的新方法。精确的质心估计对于自由空间光通信来说至关重要，其中参考光源（例如恒星或上行链路信标）的光子数量受到限制。已知质心精度与 比例。在光期间各种噪声源的存在可能导致质心估计的显着劣化。噪声源包括 取噪声，背景光，杂散光和 理电子元件 。 减少噪声和背景偏差影响的最广泛使用的方法之 一是阈值法，其在质心计算之前从质心窗中减去固定阈值。相反，这里提出的方法利用点模型来导出用于截断信号边界外的噪声的信号边界。 本文的方法 有效地减少了偏差和随机误差 ，所提出的方法的有效性通过模拟证明。 关键词 ： 指向 ； 质心估计 ； 光通信 准确的质心估计是基于信标的指点系统的关键任务。最近的一项研究表明，深空光通信的质心误差（随机和偏差误差）需要小于 1/20 像素，而允许的总指向误差（ I 1/16 像素。两种重心错误，随机和偏见受到各种来源的影响。随机误差由 取噪声，散粒噪声，暗电流 和 非均匀背景光如杂散光和地球背景图像存在时，会发生偏差错误。 降低噪声和偏差的常规方法包括归一化零交叉的阈值和重心。对于阈值法，从质心窗中减去估计的阈值，这相当于执行偏置减法并消除噪声。当阈值取出大部分偏差和噪声时，该方法可以有效。然而，一般来说，简单的阈值是无效的，因为阈值取决于图像的亮度，并且可以通过阈值处理改变形成对象的像素的数量。为了避免这个问题，提出了使用过零点进行重心估计。这种方法的局限性在于，它仅适用于质心估计，并对每个像素承担相等的权重。 - 6 - 为了减少 噪声的影响，同样的目的是建议在信号峰值周围仅使用 9 个像素。只有信号被限制在这个小的局部区域，这种截断简化了加速重心计算，而不影响质心精度。然而，正如所指出的那样，宽信号的截断显着地影响了质心估计的精度。因此，需要仔细选择质心估计中使用的像素数，以免牺牲质心精度。 本文中，我们提出使用斑点模型来确定哪些像素用于质心估计。可以从光学系统（光学系统的 表征中构建斑点模型。在质心窗口上，通常比信标光斑尺寸大几个像素，以允许信标运动，可以从斑点模型和测量的噪声水平估计束斑的近似信号边界。一旦识别边界，信号边界 的像素可以设置为零，有效地消除了光束外的所有噪声和偏差。本文的结构如下。在第 2 节中，我们将介绍噪声对质心精度的影响。在第 3 节中，介绍了基于模型的降噪方法。在第 4 节中，给出了仿真结果。 度中心）是已知的： ij (2从（ 2以看出，随着坐标朝向边缘增加，由于较大的加权因子，靠近质心窗口边缘的噪声或偏置主导了质心误差。本文最重要的部分之一。 因此，为了减少 要增加信号或者需要降低噪声。如果信号相对大于噪声，噪声的影响很小，反之亦然。为了说明这一点，让我们举一个例子，其中点信号是低的。对于可能需要恒星作为信标源的深空光通信，具有 30 厘米望远镜的 11 星的最小信号为 10,000 光子，系统效率为 25。假定 0，则转换为 5000 个电子。在该示例中，如果不明显地截断信号，则质心窗尺寸的减小显着改善了质心精度。 *。 所示。假设是相同的固定每像素噪声，范围 50e，无背景 信号。 通过重心算法可以减轻偏差，是由不均匀的信号分布引起的，其中包括杂散光和背景图像。这对应于望远镜指向地球或靠近太阳的情况。即使应用背景减法，也会留下一些偏差，特别是如果阈值低于背景信号的最大值。如图 2示显示，即使 峰值值作为最大偏置值，如果质心窗口尺寸较大，则在本例中为 9素，可能会引起相当大的偏差误差。 - 7 - 图 2真中使用的通风模式点 在点模型的构建中， 间量化）。这在了一定的决议之外，预期更好的解决方案的好处将会减少。在本文中，使用 N = 10。一旦构建了现货模型的数据库，就可以使用每个模型来确定测得的斑点图像（被噪声损坏）中哪些像素应被截断。如图所示，使用标准（亮度中心）质心算法获得粗略质心估计。该质心用于确定应使用哪个点模型。如果粗略质心估计中的误差超过像素运动由 可以选择不正确的点模型。第 4 节给出了不正确的点模型的影响。 一旦确定了斑点模型，下一个任务是估计质心窗口中存在的噪声水平。可以有很多方法来最佳地估计噪音水平。在本文中，我们使用四条边线的简单均值。该噪声水平与斑点模型进行比较。如果斑点模型的像素值小于噪声水平，则使用像素位置来截断质心窗口中的像素。 一旦这个过程在斑点模型和质心窗口的整个像素上完成，噪声的截断就完成了。最后的任务是将标准中心算法应用于截断质心窗口以获得新的质心值。 仿真的目的是显示基于模型的降噪方法在质心估计中的有效性。为此目的，调查了 3 例。 这些是： 1. 在给定的各种噪声水 平下的三个重音算法（包括基于模型）的比较； 素， 素的不正确模型和等于 素的总信号用于显示基于模型的方法。 对于固定噪声值，运行 100 次算法，噪声从 10 等于 1001 西格玛值从 10e到 100e 当量的高斯噪声）增加。如图所示，基于模型的算法优于其他两种方法：标准质心和阈值法。基于模型的方法的优点不仅在于质心越小越好，而且它们对噪声的抵抗力也在两个图中都表现出来。随着噪- 8 - 声的增加，标 准和阈值方法的质心误差也增加。然而，基于模型的方法表现出几乎稳定的误差。 这次模拟的目的是比较斑点图像中的偏差对三个质心方法的影响。在公式 (2显而易见的是，即使是基于模型的方法也将受背景偏差的影响，除非进行偏差的完全消除。在仿真中，基于总信号的 峰值像素值选择偏置值。最大偏差从峰值像素值的 化到 1%。如预期的，基于模型的方法优于其他两个在偏置值和质心误差之间呈线性关系的方法。 本文提出了一种基于斑点模型的新方法来改善点源图像的质心估计。 新方法假定斑点模型可用于截断测量点中 的噪声和偏差，从而改善质心估这次，基于模型的算法在每个噪声级别运行了 100 次，这三种情况：第一种使用与真实点模型不同的 素的不正确的斑点模型，第二种是 素不同，第三个是 素不同。 在优选实施例中，信息获取和传输设备 720 的第二分支包括朝向待扫描表面传输光的 11，然后将其朝向透镜反射其他光学装置 721 并且连接到光学传感器 于计算机操纵所得数据。 光信息优选地被转换成为与测量的光能的强度成比例的电压。 传感器可用于此目的包括但不限 于电荷耦合器件（ 接触式图像传感器（ 转换后光信息转换为电压， 23将电压转换为数字数据，依次传输到专用状态机 724。目的是验证模型的鲁棒性基于方法。总体而言，性能受斑点模型的准确性影响，但是，随着噪声的增加，这种区别并不明显。 还有一些对于 素不同的斑点模型，可以看出改进。 这个改进是由于附加噪声增加了噪声电平，从而限制了使用的像素数量质心计算。西格玛和平均误差在像素的 1/50 附近计。进行模拟以证明所提出的噪声和偏差方法的有效性。与标准的重心和较高级的阈值法相比，基 于模型的方法精度优于原型。有意使用不正确的光点模型的模拟中，对其性能的影响很小，特别是在高噪声水平。由于该方法适用于低信噪比信号，因此可能被证明对于深空任务至关重要，其中强光信号不容易获得。 毕 业 设 计 题 目： 空间机械臂非线性因素对指向精度的影响 院、 系： 姓 名： 指导教师： 系 主 任： 2017 年 6 月 22 日 毕业设计（论文） 开 题 报 告 学生姓名 学 号 专 业 班 级 指导教师 课题题目及来源 : 题目 :空间机械臂关节非线性因素对指向精度的影响 题目来源 :自拟 课题研究的意义和国内外研究现状 : 1. 1 研究目的 图 1 空间机械臂辅助航天员完成任务 空间机械臂在人类探索太空的过程中扮演了重要角色 ，如图 1。作为航天员舱外工作的辅助工具，空间机械臂在替 代航天员完成部分工作的同时大大提高了安全性。 1981 年，美国哥伦比亚号航天飞机首次在外太空使用了机械臂。到目前为止，空间机械臂已经多次承担了外太空的操作任务，是航天技术研究的一个热门领域。 空间机械臂的机械部分主要由关节和臂杆组成。其中，关节是空间机械臂最为核心的组成部分，对空间机械臂动力学特性有着重要的影响。随着我国载人航天和深空探测计划的实施，越来越多的国内航天领域学者开始研究具有高位姿精度设计要求的空间机械臂。完善目前还不够完整的空间机械臂的动力学理论。 1. 2 研究意义 空间机械臂是 应用于航天器上的重要工具，其主要任务是释放、回收卫星以及完成在轨建设、维修作业等。然而，目前空间机械臂的动力学理论还不够完善，设计过程中空间机械臂位姿难以准确预判，严重制约了空间机械臂的发展 6。 因此，从传动装置出发，建立准确的空间机械臂关节动力学模型，研究空间 机械臂关节的动力学特性具有重要意义。 内外研究现状 空间机械臂的臂杆长度较大，空间机械臂的关节在尺寸来说相对较小。在早期的研究中， 谷勇霞 等人 认为 7： 实际工作条件下，臂杆柔性对机械臂末端运动精度的影响较为突出。如果应用场合对机 械臂的定位精度要求不太高，可以忽略关节柔性的影响，将每个关节作为一个旋转自由度来处理。 还有一些研究者 在铰链模型的基础上，引入铰链间隙，研究了间隙对机械臂运动过程中动力学性能的影响。但这些模型相对来说都过于简单，考虑得因素较少，不能满足机械臂高精度作业的控制要求。随着科技的进步，对于空间机械臂的精确控制的要求不断提高， 研究者们 又提出了 以下几种 改进模型 8 1、通过 建立空间机械臂的动力学模型 ， 并分别针对臂杆、传动关节刚柔性组合形成的四类动力学模型进行动力学特性分析。文献分别分析了臂杆柔性以及谐 波传动滞后对空间机械臂动力学特性的影响。研究表明，臂杆的柔性带来了输出角度曲线中的高频部分 ， 谐波传动所具有的滞后现象使得柔性空间机械臂与刚性空间机械臂的输出特性差异更加明显。 2、 建立了考虑了多种非线性因素在内的谐波齿轮传动关节动力学模型。关节动力学模型考虑了各种随时间变化的关节动力学非线性参数，主要包括粘滞阻尼、摩擦以及谐波齿轮的柔性变形。通过比较实验数据与动力学模型的数值仿真结果，证明了所建模型的准确性。但是， 当 谐波齿轮作为一个整体进行研究 时 ，并没有完整地体现出包括滞回特性在内的谐波齿轮传动的特 点。 3、 在对容错关节驱动的空间机械臂进行动力学研究时，建立了考虑了齿轮传动环节柔性与阻尼的空间机械臂关节动力学模型。但在研究行星齿轮传动环节时，将行星齿轮传动假设为理想啮合，对行星齿轮环节的动力学建模不够充分，因而没有全面体现出行星齿轮传动对空间机械臂整体动力学性能的影响。 最终 研究结果表明，除却空间机械臂本身的设计参数以外，不同的负载也会导致空间机械臂系统体现出不同的动力学特性。 在行星齿轮传动环节的建模过程中，考虑了包括时变啮合刚度、阻尼、齿侧间隙、啮合误差在内的非线性因素 1112。同 时 3指出，采用集中参数法进行动力学建模具有便于动态分析与求解的优点。在计算间隙非线性位移时，采用基于双曲正切函数的多项式来代替传统的分段函数表达式，从而保证了间隙非线性函数的连续可导性。 潘博 等人 1415同时还证明了在放大系数大于齿侧间隙的 1000 倍时，采用双曲正切函数多项式描述的间隙非线性位移与传统的间隙非线性位移在数值上具有较高的一致性，并大大提高了模型的求解效率。行星齿轮传动关节较小输出转角变化经过臂杆的放大作用会导致臂杆末端出现较大的运动误差，因此在研究关节动力学特性时， 对关节稳态转速而不是臂杆末端的运动误差波动进行研究。文献同时还研究了轮齿的综合啮合误差、负载、输入转速对关节动力学特性的影响。 课题研究的主要内容和方法，研究过程中的主要问题和解决办法： 本内容 研究对象：空间机械臂关节、指向精度； 研究的问题： 1、阐述课题背景，对国内外相关研究现状进行总结和分析； 2、根据主要技术指标，在分析国内外研究现状基础上制定总体设计方案，并阐明方案制定依据； 3、完成空间机械臂运动设计及建模、关节处的具体结构设计； 4、分析空间机械臂关节非线性因素确定关节非线性因素； 图 2 行星齿轮非线性纯扭转振动模型 5、分析不同行
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