本文是一篇決策模擬論文，論文以衛(wèi)星位姿模擬平臺為研究對象，探討了該平臺中幾何誤差對綜合定位精度的影響，為了降低該影響從而減小空間綜合誤差，以誤差補償為最終目標(biāo)展開了研究。
1 緒論
1.1課題背景及研究意義
衛(wèi)星技術(shù)在近代已經(jīng)在各領(lǐng)域中成為一種新型的技術(shù)手段，其技術(shù)也賦能了各行各業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，在一定程度上促進(jìn)著我國社會的發(fā)展，逐漸成為我國經(jīng)濟發(fā)展和民生服務(wù)的重要支柱。在全球范圍內(nèi)，我國的遙感衛(wèi)星技術(shù)已居先進(jìn)水平，對于遙感衛(wèi)星的應(yīng)用也邁進(jìn)了新階段[1]。 在衛(wèi)星的各項應(yīng)用工作中，衛(wèi)星的空間位置及姿態(tài)的準(zhǔn)確獲取是影響衛(wèi)星高精度工作的重要基礎(chǔ)[2][3][4]。
為了實現(xiàn)空間中衛(wèi)星位置及姿態(tài)的精準(zhǔn)定位[5]，需先先建立其在地面上的模擬系統(tǒng)[6]。六自由度運動平臺憑借其良好的動態(tài)性能，可以方便完成在各方向的運動工作[7]，可靈活地模擬衛(wèi)星在空間中的任意時刻的位置和姿態(tài)，同時，它也是整個模擬系統(tǒng)中實行位姿捕捉工作的關(guān)鍵子系統(tǒng)，所以，單臺衛(wèi)星模擬平臺末端執(zhí)行工作的準(zhǔn)確度直接影響到衛(wèi)星位姿坐標(biāo)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。
在單臺模擬平臺中，誤差來源具有多樣性，其中主要包括平臺的幾何誤差、熱誤差、載荷誤差以及運動的控制誤差等關(guān)鍵因素。這些誤差源共同影響著平臺的性能[8]。其中幾何誤差主要源自設(shè)計、制造及裝配階段的不足，這些不足導(dǎo)致部件實際與理想的幾何參數(shù)或位置出現(xiàn)偏差。另外，系統(tǒng)的熱誤差主要是在系統(tǒng)關(guān)鍵的執(zhí)行部件在運動過程中產(chǎn)生，例如導(dǎo)軌運動產(chǎn)生摩擦從而引發(fā)熱變形；載荷誤差出現(xiàn)的原因主要在實際應(yīng)用過程中，系統(tǒng)因裝夾力、載臺載物的重力等因素引起的變形，系統(tǒng)載荷誤差的形成往往和系統(tǒng)自身的剛性有關(guān)；而控制誤差產(chǎn)生的主要原因是系統(tǒng)伺服參數(shù)的不匹配或者對運動的控制不當(dāng)?shù)龋瑥亩鴮?dǎo)致平臺運動不同步而產(chǎn)生的誤差。
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1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1幾何誤差元素分析
機械結(jié)構(gòu)的幾何誤差按照與系統(tǒng)運動狀態(tài)的關(guān)系可以分為兩大類：位置無關(guān)幾何誤差（PIGES）和位置有關(guān)幾何誤差（PDGES）。其中位置無關(guān)幾何誤差主要是因為機構(gòu)在最初生產(chǎn)的過程中因其零部件裝配不當(dāng)所導(dǎo)致，具體地可以理解為零部件在裝配過程中因為施加了載荷或者溫度變化等因素而引起的裝配誤差。因為這類誤差在生產(chǎn)及安裝過程中便產(chǎn)生便客觀存在，所以它不會隨著系統(tǒng)運動部件的運動發(fā)生變化而跟著變化，因此被稱為位置無關(guān)。例如，當(dāng)一個機械系統(tǒng)完成安裝工作，安裝完成后系統(tǒng)的各軸線的傾斜誤差就是與系統(tǒng)整體的運動狀態(tài)無關(guān)的位置無關(guān)誤差，因此也被歸類為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)誤差，因為這些誤差與機械結(jié)構(gòu)本身的狀態(tài)和配置緊密相關(guān)，而非受到操作位置或工作狀態(tài)的影響[9]；而位置有關(guān)幾何誤差的產(chǎn)生源頭是系統(tǒng)內(nèi)部的各部件在最初的生產(chǎn)過程中其自身表面的精度不足問題，在系統(tǒng)整體的運動過程中該問題就表現(xiàn)為各位置處的位置誤差或者形狀誤差，這類與系統(tǒng)末端所處位置有關(guān)的誤差就被稱為運動誤差，因為它們會隨著零部件的運動狀態(tài)的變化而發(fā)生變化[10]。
ISO230-1[11]中指出，在多自由度機械系統(tǒng)中，系統(tǒng)整體的綜合運動是靠各運動部件的相互配合完成的，而各運動部件在獨立運動過程中，均會產(chǎn)生相關(guān)幾何誤差。例如，平動軸在平移過程中就可能會產(chǎn)生6項幾何誤差，分別為3項位置誤差以及3項角度誤差，除此之外，三個平動軸之間也存在著兩兩之間的垂直度誤差，共3項，所以六自由度的衛(wèi)星位姿模擬平臺中三個平動軸上的總誤差共計21項；旋轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)動過程中也可能會產(chǎn)生6項幾何誤差，分別為3項位置誤差和3項角度誤差，另外，每個旋轉(zhuǎn)軸還伴隨著4項結(jié)構(gòu)誤差，分別是2項位置誤差和2項垂直度誤差，所以，三個旋轉(zhuǎn)軸的總誤差項為30項，加上平動軸的21項誤差，該平臺總計共有51項幾何誤差。對誤差項的整理及具體各誤差項的含義如表1-1所示。

決策模擬論文怎么寫

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2 衛(wèi)星位姿模擬平臺綜合誤差建模及誤差元素靈敏度分析
2.2 衛(wèi)星位姿模擬平臺運動結(jié)構(gòu)及其幾何誤差元素分析
2.2.1 六自由度衛(wèi)星位姿模擬平臺結(jié)構(gòu)
因為衛(wèi)星模擬平臺需要模擬衛(wèi)星在空間中任意時刻的任意位置及姿態(tài)，且使用中要求六個方向的運動需各具獨立速度及獨立加速度、六軸具有空間聯(lián)動功能，所以，衛(wèi)星位姿的模擬平臺設(shè)計為正交加三串聯(lián)的六自由度運動機構(gòu)，基于Solidworks設(shè)計的模擬平臺如下圖2-1所示。

決策模擬論文參考

模擬平臺的幾何誤差主要產(chǎn)生于系統(tǒng)的制造和裝配過程中，其主要體現(xiàn)在各個運動軸的軸線與理想軸線之間的偏差、各運動軸的定位誤差等，而這些誤差在各運動軸上導(dǎo)致的各軸運動精度則會直接或間接地影響模擬平臺整體的定位精度。關(guān)于制造和裝配過程中產(chǎn)生的幾何誤差，又通常分為兩類：位置相關(guān)的幾何誤差（PDGEs）和位置無關(guān)的幾何誤差（PIGEs）。
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2.3衛(wèi)星位姿模擬平臺綜合誤差模型的建立
模擬平臺的運動系統(tǒng)可以看成是剛體運動系統(tǒng)，如果可以將模擬平臺的每一個運動軸都看作獨立的剛體的話，便可以為其每個獨立剛體都設(shè)立專門的坐標(biāo)系，從而可以用齊次坐標(biāo)來表達(dá)剛體間的運動傳遞關(guān)系。在一般的笛卡爾坐標(biāo)系中，剛體的運動包含3種平移及3種旋轉(zhuǎn)。剛體整體上的綜合運動也是通過這6個剛體的協(xié)同配合來實現(xiàn)，可以將模擬平臺上各軸的運動看成是剛體的相對運動，把幾何誤差看作是各軸上的微小的位移或轉(zhuǎn)動，基于此，就可以構(gòu)建平臺的運動傳遞模型。
位姿模擬平臺的系統(tǒng)空間誤差模型詳盡地描述了平臺各運動軸之間的位置和運動關(guān)系，它不僅包含了各誤差元素對位姿的具體影響，還揭示了這些誤差元素之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。這一模型為平臺幾何誤差的補償提供了理論依據(jù)。位姿模擬平臺的系統(tǒng)空間誤差模型能夠同時集成各運動部件的位姿、運動和誤差信息，但這種集成性也導(dǎo)致了模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，給模型分析帶來了顯著挑戰(zhàn)，同時也增加了在實際應(yīng)用中的操作難度。因此，通過靈敏度分析來識別對平臺誤差影響顯著的關(guān)鍵幾何誤差元素，可以有效簡化誤差模型中的信息量，保留關(guān)鍵有效信息，提高模型實際應(yīng)用效率。
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3 基于激光跟蹤儀多站的模擬平臺幾何誤差的檢測 .......................... 21
3.1 引言 ............................... 21
3.2 激光跟蹤儀多站檢測原理及站位坐標(biāo)自標(biāo)定 ............................ 21
4 衛(wèi)星位姿模擬平臺幾何誤差的識別 .................................. 29
4.1 引言 ........................................ 29
4.2 平動軸相關(guān)誤差項識別................................. 29
5 衛(wèi)星位姿模擬平臺幾何誤差補償實驗分析 ..................... 47
5.1 引言 .................................................... 47
5.2 幾何誤差補償方法概述............................. 47
5 衛(wèi)星位姿模擬平臺幾何誤差補償實驗分析
5.2 幾何誤差補償方法概述
對多自由度機構(gòu)中的誤差進(jìn)行補償是一個長期且不斷發(fā)展的領(lǐng)域。根據(jù)其發(fā)展歷程，補償技術(shù)主要可以分為以下三種：
5.2.1 機械式靜態(tài)補償法
機械式（硬件）的靜態(tài)補償法很長一段時間在機械結(jié)構(gòu)誤差的修正領(lǐng)域都占據(jù)著主導(dǎo)地位。近幾十年來，該方法也隨著技術(shù)的進(jìn)步和需求的增加應(yīng)用在更多方面。在進(jìn)行靜態(tài)補償時，經(jīng)常用到的方法有：調(diào)整讀數(shù)設(shè)備的讀數(shù)示值、修正傳動部件的位移等。這些方法雖然有效，但隨著自動化和精密加工技術(shù)的發(fā)展，對誤差補償?shù)木群托室笤絹碓礁撸虼耍碌难a償技術(shù)也在不斷被研究和應(yīng)用。
機械式補償作為一種固定補償方法，其本質(zhì)是將補償數(shù)據(jù)或函數(shù)直接“嵌入”到硬件中。這種方法具有高度的可靠性，因為補償參數(shù)是直接通過物理結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的。然而，一旦補償規(guī)律被硬件化（例如，修正尺的輪廓或凸輪的形狀被確定），其補償量就變得難以調(diào)整。這意味著補償只能按照預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行，而無法根據(jù)實際的加工情況進(jìn)行實時反饋控制。

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6 總結(jié)與展望
6.1 總結(jié)
論文以衛(wèi)星位姿模擬平臺為研究對象，探討了該平臺中幾何誤差對綜合定位精度的影響，為了降低該影響從而減小空間綜合誤差，以誤差補償為最終目標(biāo)展開了研究。研究主要工作有:
（1）針對不同類型的幾何誤差進(jìn)行了詳盡的分析和描述，基于剛體運動學(xué)，建立模擬平臺的系統(tǒng)空間誤差模型，為進(jìn)一步明確各幾何誤差對定位精度的影響程度，開展了幾何誤差的靈敏度分析，解決了誤差項靈敏度指標(biāo)過多的問題，提高了檢測效率。
（2）針對激光跟蹤儀的多站檢測精度進(jìn)行了優(yōu)化。著重分析了在多站分時測量中激光跟蹤儀基站站位的分布對基站標(biāo)定精度的影響。構(gòu)建了基站布局優(yōu)化函數(shù)，并據(jù)此提出了一種基于激光跟蹤儀的基站布局方案。為現(xiàn)場測量實驗中基站位置的分布提供了參考依據(jù)。
（3）設(shè)計了模擬平臺空間誤差檢測方法與幾何誤差辨識方法。針對模擬平臺幾何誤差的研究中，充分考慮不同誤差項的特性，對不同類型的幾何誤差進(jìn)行了合理的描述，將幾何誤差的辨識問題轉(zhuǎn)化為多項式系數(shù)或空間幾何量的辨識。對模擬平臺的空間誤差進(jìn)行了檢測，應(yīng)用和驗證了提出的幾何誤差辨識方法。
（4）應(yīng)用本文研究成果，形成了模擬平臺誤差的補償方案。利用提出的NC代碼修改誤差補償方法，對平臺幾何誤差進(jìn)行軟件補償，將補償前、后的NC代碼載入平臺數(shù)控系統(tǒng)，開展了誤差補償實驗，最終使補償后空間的位置最大誤差從61.2 μm減小到12.3 μm，姿態(tài)最大誤差從15.8 ″減小到6.7 ″，達(dá)到了衛(wèi)星位姿模擬平臺的設(shè)計要求，均方根誤差在X、Y、Z、U、V、W方向依次分別減少了75.42%、58.2%、56.1%、62.2%、49.2%、50%，有效降低了系統(tǒng)誤差的離散程度，使系統(tǒng)定位誤差分布更加均衡。通過補償?shù)男Ч治觯C明了本文誤差補償方法的合理性。
參考文獻(xiàn)（略）