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0引言

在地面建立完善的太空模擬環(huán)境，進(jìn)行空間關(guān)鍵技術(shù)的研究，是最經(jīng)濟(jì)也是最有效的途徑，在地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中與空間操作系統(tǒng)中最主要的環(huán)境差別是太空微重力，地面捕獲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的目標(biāo)衛(wèi)星的重力補(bǔ)償效果的好壞是地面演示驗(yàn)證系統(tǒng)的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，關(guān)于目標(biāo)衛(wèi)星的重力補(bǔ)償目前使用的方法有水浮力、氣體浮力、自由落體運(yùn)動(dòng)、吊絲重力補(bǔ)償4種，水浮力試驗(yàn)[1~3]是將試驗(yàn)對象全部浸泡在水中，精確地調(diào)整漂浮器的浮力和配重的大小，使向上的浮力與向下的重力互相抵消，產(chǎn)生隨機(jī)平衡的漂浮狀態(tài)，模擬太空失重狀態(tài)，此試驗(yàn)方法受水的阻力和紊流影響，維護(hù)費(fèi)用高且實(shí)驗(yàn)時(shí)需保證系統(tǒng)的密封性，氣體浮力[4]是采用氣墊或空氣軸承支撐物體，來補(bǔ)償物體的重力影響，氣浮法經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，但是只能進(jìn)行平面仿真實(shí)驗(yàn)，自由落體[51通常是在飛機(jī)上做拋物線飛行，研究空間物體在失重狀態(tài)下捕獲浮游物體的情況，自由落體法代價(jià)高，試驗(yàn)時(shí)間短，吊絲式重力補(bǔ)償[6]系統(tǒng)是通過滑輪組利用配重物的重量來補(bǔ)償物體系統(tǒng)的重力影響，其費(fèi)用低、易維護(hù)但補(bǔ)償重力不完全，文獻(xiàn)[6，7]提出的吊絲重力補(bǔ)償使用的是多根吊絲對漂浮物體進(jìn)行重力補(bǔ)償，其設(shè)計(jì)較復(fù)雜，控制不易，本文提出的吊絲重力補(bǔ)償法采用的是一根吊絲對漂浮物體進(jìn)行重力補(bǔ)償，設(shè)計(jì)較簡單，易于控制對這根吊絲最主要是進(jìn)行在極坐標(biāo)內(nèi)跟隨運(yùn)動(dòng)和垂直方向上的恒張力控制，來達(dá)到重力補(bǔ)償?shù)男Ч麡O坐標(biāo)內(nèi)跟隨運(yùn)動(dòng)和恒張力控制的精度對整個(gè)地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)演示的效果有重要的影響如果控制精度低，將無法再現(xiàn)太空微重力環(huán)境下抓取目標(biāo)物體的任務(wù)因此，提高吊絲的極坐標(biāo)內(nèi)跟隨運(yùn)動(dòng)和恒張力控制是該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)

l地面失重實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1地面失重實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

其主要由兩部分組成第一部分是機(jī)器人主體，即捕獲物體的機(jī)器人；第二部分是被捕獲的目標(biāo)物體，這兩部分都需要模擬微重力的太空環(huán)境，本文主要介紹第二部分，即目標(biāo)衛(wèi)星的重力補(bǔ)償當(dāng)目標(biāo)物體受到碰撞時(shí)，將偏離平衡位置，吊絲跟隨物體運(yùn)動(dòng)，將偏離其垂直向下的初始位置，固定在吊絲上的二維角度傳感器輸出偏離平衡位置的角度信號(hào)，此角度信號(hào)實(shí)時(shí)反映了吊絲偏離的方向和偏離的程度該角度傳感器的檢測信號(hào)實(shí)時(shí)傳送到電機(jī)1與電機(jī)3的控制器，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，使電機(jī)1和電機(jī)3作相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過移動(dòng)機(jī)器人的相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，保持吊絲垂直向下的狀態(tài)當(dāng)?shù)踅z垂直向下時(shí)，目標(biāo)物體不一定處于失重的狀態(tài)目標(biāo)物體受到向上碰撞時(shí)，其中的拉力比目標(biāo)物體的重力小，這時(shí)吊絲上的拉力傳感器的拉力信號(hào)將實(shí)時(shí)傳送到電機(jī)2的控制器，根據(jù)檢測到的拉力傳感器信號(hào)，電機(jī)2的控制器產(chǎn)生相應(yīng)的輸出，帶動(dòng)吊絲及目標(biāo)物體向上運(yùn)動(dòng)，并拉緊吊絲，保持吊絲的恒張力當(dāng)目標(biāo)物體受到向下碰撞時(shí)或捕獲機(jī)器人向下抓取時(shí)，這時(shí)電機(jī)2應(yīng)帶動(dòng)卷絲輪向下運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)的過程中，吊絲的張力應(yīng)該保持不變在本文中，分為兩種情況來設(shè)計(jì)控制方案，一種是移動(dòng)機(jī)器人是靜止的，即抓取靜止的目標(biāo)物體；一種是移動(dòng)機(jī)器人是運(yùn)動(dòng)的，即抓取運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)物體

2基于優(yōu)化的模糊CMAC的控制器i

從式(9)可知，由于摩擦力的存在和負(fù)載擾動(dòng)，且由于負(fù)載擾動(dòng)的變化引起摩擦力的變化，使用傳統(tǒng)的控制方法難以達(dá)到高精度、準(zhǔn)確的控制，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制在復(fù)雜的非線性、不確定系統(tǒng)上成功應(yīng)用，使其成為非線性、難以準(zhǔn)確建模領(lǐng)域的一種有效方法，模糊CMAC(thecerebellarmodelarticulationcontroller)是一種在機(jī)器人控制領(lǐng)域應(yīng)用較早的控制方法，因此將模糊CMAC引入此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的3個(gè)隨動(dòng)控制是合適的

2，1模糊。勝C神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

模糊CMAC是1993年Nie[9]等提出的，結(jié)合了模糊系統(tǒng)和CMAC，CMAC是Albus[10]在1975年提出的一種前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它實(shí)際上是一種查表技術(shù)傳統(tǒng)的CMAC缺點(diǎn)是對于高維的輸入其存儲(chǔ)空間大，且由于本身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，泛化能力差，模糊CMAC能夠解決高維輸人存儲(chǔ)空間的問題，其泛化能力要比傳統(tǒng)的CMAC要好

3仿真實(shí)驗(yàn)研究

本文利用Adams仿真軟件和Matlab軟件相結(jié)

合，對失重系統(tǒng)建模仿真在Adams軟件中建立失重系統(tǒng)的機(jī)械模型，在Matlab軟件中建立控制算法，由以上的論述可知，使用普通的PID、模糊CMAC、優(yōu)化的模糊CMAC方法針對同一地面失重系統(tǒng)進(jìn)行恒張力控制，后面的方法要比前面的方法得到的控制效果好，這說明了模糊CMAC算法具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的能力而優(yōu)化的模糊CMAC在沒有先驗(yàn)知識(shí)的前提下，能根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的輸出和期望的輸入的偏差自動(dòng)調(diào)整模糊控制規(guī)則，得到滿意的控制效果，減少控制誤差，應(yīng)用在不確定和時(shí)變外擾動(dòng)的地面失重實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法對外力擾動(dòng)具有明顯的抑制作用，有較強(qiáng)的魯棒性雖然針對的是地面失重系統(tǒng)，但研究具有普遍意義關(guān)于該方法在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

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