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用于月面采样系统验证平台的姿态调整装置研制

作　者: 徐万成
导　师: 唐德威
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 姿态调整装置 MTLAB/Simulink 多目标优化 动力学 有限元
分类号: V476.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


我国月面采样工程将实现无人自动采集月球样品并返回地球，其采样方式分为表取采样与钻取采样两种，无论是表取采样装置还是钻取采样装置，其原理样机研制过程中都需要进行地面模拟试验验证。本文设计的应用在月面采样装置地面模拟试验验证环境中的姿态调整装置，能调节出着陆器着陆月球表面时的各种可能姿态，从而实现在各种可能着陆姿态下，对安装在着陆器模拟件上的各原理样机进行地面模拟试验。首先根据姿态调整装置的设计指标进行多方案设计，通过对比分析九种可行方案，优选出双蜗轮蜗杆正交式二维姿态调整装置的设计方案。对该姿态调整装置的运动正反解进行了推导，并通过几何作图法和MATLAB/Simulink机械运动仿真法对正反解计算结果的正确性进行了证明。在双蜗轮蜗杆正交式二维姿态调整装置的具体结构设计过程中，利用MATLAB自带的fmincon优化工具箱，以蜗轮齿圈体积最小、传动效率最高和中心距最小三个目标对该装置中两套蜗轮蜗杆进行了多目标优化设计，并且分别通过ADAMS、ANSYS Workbench对该姿态调整装置进行了动力学和静力学的仿真与结构优化。其次设计了采用上、下位机两级控制结构姿态调整装置伺服控制系统。运用下位单片机STC12C5A60S2和继电器相结合的方式控制直流电机的正反转，并利用VB6.0开发出上位机监控界面。最后制定了一套实验方案，并依此对研制出的双蜗轮蜗杆正交式二维姿态调整装置进行了实验研究。运用MTLAB对大量实验数据进行曲线拟合处理，并采用自行设计的“三维立体数据研究”策略，对40张数据分析图进行了科学全面的分析研究。最终确定该姿态调整装置的精度是0.35°，符合0.5°精度设计要求。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-16
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  8-9
    1.1.1 课题背景  8-9
    1.1.2 研究的目的和意义  9
  1.2 运动模拟台的研究现状  9-14
    1.2.1 运动模拟台的国外研究现状  10-12
    1.2.2 运动模拟台的国内研究现状  12-14
  1.3 课题主要研究内容  14-16
第2章 姿态调整装置的方案设计  16-37
  2.1 引言  16
  2.2 着陆器着陆姿态的极限位置分析  16-21
    2.2.1 着陆器坐标系的定义  17
    2.2.2 极限俯仰姿态  17-19
    2.2.3 极限侧倾姿态  19-20
    2.2.4 着陆器极限姿态综述  20-21
  2.3 设计要求  21
  2.4 姿态调整装置的方案设计与确定  21-27
    2.4.1 姿态调整装置的多方案设计  21-26
    2.4.2 姿态调整装置的方案确定  26-27
  2.5 优选方案的正反解推导  27-36
    2.5.1 理论分析  27-29
    2.5.2 俯仰、侧倾转动正反解的确定  29-30
    2.5.3 正反解验证  30-36
  2.6 本章小结  36-37
第3章 姿态调整装置的结构设计及仿真  37-56
  3.1 引言  37
  3.2 结构设计  37-45
    3.2.1 侧倾机构的结构设计  37-38
    3.2.2 俯仰机构的结构设计  38-39
    3.2.3 关键构件的优化设计  39-44
    3.2.4 电机选择  44-45
  3.3 姿态调整装置的运动仿真  45-47
  3.4 姿态调整装置的有限元分析  47-55
    3.4.1 平台及支撑杆的有限元分析  47-49
    3.4.2 支撑轴的有限元分析  49-50
    3.4.3 蜗轮蜗杆的有限元分析  50-53
    3.4.4 U 形支撑板和底板的有限元分析  53-55
  3.5 本章小结  55-56
第4章 姿态调整装置的控制系统设计  56-65
  4.1 引言  56
  4.2 姿态调整装置伺服控制系统的原理  56-57
  4.3 姿态调整装置伺服控制系统的硬件实现  57-61
    4.3.1 硬件构成  57-59
    4.3.2 硬件连接  59-61
  4.4 姿态调整装置伺服控制系统的软件实现  61-64
    4.4.1 上位机软件  62-63
    4.4.2 下位机软件  63-64
  4.5 本章小结  64-65
第5章 姿态调整装置的实验研究  65-81
  5.1 引言  65
  5.2 实验方案的确定  65-68
  5.3 实验数据的分析与研究  68-80
    5.3.1 实验数据的 MATLAB 处理  68-70
    5.3.2 实验数据分析研究策略  70-74
    5.3.3 实验数据分析研究结论  74-78
    5.3.4 拓展研究  78-80
  5.4 本章小结  80-81
结论  81-82
参考文献  82-87
致谢  87

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中图分类: > 航空、航天 > 航天（宇宙航行） > 航天器及其运载工具 > 航天站与空间探测器 > 月球探测器
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