長壽命空間機械臂在軌故障診斷、容錯和預測策略研究

《長壽命空間機械臂在軌故障診斷、容錯和預測策略研究》是依託哈爾濱工業大學，由郭闖強擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：長壽命空間機械臂在軌故障診斷、容錯和預測策略研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：郭闖強

項目摘要

我國空間機器人的研製正向著長壽命、業務服務型時代邁進，有效的故障診斷和容錯控制是關係到空間機械臂能否長期安全運行的關鍵科學技術。在長壽命空間機器人安全保障技術方面,我國尚處起步階段，亟需建立一套科學、完善、具有實用價值的安全保障規範，實現機械臂的在軌健康狀態評價與故障預測。. 本項目以空間站建設和外行星探測為套用背景，針對分散式控制模式的多自由度、長壽命空間機械臂系統的安全控制問題，開展機械臂系統可靠性與容錯設計、安全運行控制和在軌健康狀態評價與故障預測等方面的研究工作。旨在研製具有在軌資源重構能力的關節控制系統，構建機械臂故障回響與容錯控制架構，實現機械臂關節感測、控制與驅動系統故障的線上實時檢測，提出基於在軌參數辨識、能效分析等技術的長壽命空間機械臂關節健康狀態評價與故障預測策略。該課題的深入研究對提高我國空間機械臂系統的智慧型化水平和運行安全性具有重要的科學意義和實用價值。

結題摘要

本項目以設計在軌工作壽命不少於10年的長壽命空間機械臂為套用背景，以機械臂核心單機-關節（機械臂運動的動力源）為研究目標，從感測系統最佳化配置、在軌可重構容錯控制系統設計、線上故障檢測與容差控制策略等3個方面開展了系統性的研究工作。在對空間機械臂關節進行了詳細的失效模式與影響分析（FMEA）基礎上，以雙星型繞組表面式永磁同步電機為動力源，以雙繞組旋轉變壓器、雙全橋力矩感測器等核心感測系統，以現場可程式門陣列（FPGA）為核心處理器，完成了空間機械臂關節可重構容錯控制系統的最佳化設計。相對於傳統雙控制器-冷備份控制結構和單控制器-熱備份控制結構，在元件可靠性相同的條件下，可靠性分別增加約3.9%和10.6%。通過設計具有掉電自動隔離能力的接口電路，實現了主份和備份子控制系統間既能同時上電協同工作，又能單獨上電相互隔離，協同工作時數據互動頻率不小於20KHz，滿足雙電流閉環控制要求，實驗數據表明在熱備控制模式下兩套繞組中的電流能夠很好地保持一致。提出了基於幅值追蹤的電機相電流幅值估計方法，利用估計得到的冗餘相電流幅值信息設計了電流感測器線上故障檢測方法和容錯控制策略，實現了零點偏移、增益變化、信號丟失等多種故障模式的線上檢測和容錯，實驗結果表明該方法不但對於速度波動和電流幅值波動具有較好的魯棒性，還能夠實現兩個同時出現的信號丟失故障的容錯控制。基於冗餘的電機位置和關節位置信息，實現了位置感測器故障的線上檢測。基於電機位置、關節位置、關節剛度和電機電流信息，設計了關節力矩感測器的故障檢測方法，再進一步結合關節力矩感測器信息，設計了基於能量和傳動效率的關節健康狀態評價機制。搭建了機械臂關節綜合性能試驗平台，驗證了所提方法的正確性、實用性和可行性。這項研究對於提高空間機械臂關節的在軌使用壽命，保障安全運行具有重要的作用。