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解析六自由度运动平台控制系统

发表时间：2020/8/24 来源：《基层建设》2020年第10期作者：周志伟

[导读] 摘要：经过多年深入的研究，现在的Stewart平台与最初设计的结构稍微有些差别。

        深圳市大族微加工软件技术有限公司广东省深圳市 518000
        摘要：经过多年深入的研究，现在的Stewart平台与最初设计的结构稍微有些差别。目前常见的六自由度运动平台主要利用六个驱动杆作为支撑和驱动机构，每个驱动杆两端分别用球铰和虎克铰连接在动平台和静平台上，通过六个分支的伸缩实现动平台任意位置与姿态的运动。本文就六自由度运动平台控制系统展开分析。
        关键词：六自由度；运动平台；控制系统
        1.六自由度运动平台结构特点及应用
        六自由度运动平台是模拟器的关键部件之一，它是一个空间并联运动机构。理论上说，六自由度并联平台的驱动方式可以有多种，但最佳选择当属液压驱动。电液伺服驱动的平台有结构简单、空间占用体积小、施力大等优点。六自由度电液伺服运动平台是一个集多领域技术于一体的运动控制机构，它与空间几何学、运动学、动力学、液压传动、控制理论及应用、计算机软硬件设计与实现等学科都有关联。这种并联结构在性能上独具特色，它的刚度好，其多支撑结构抗外负载干扰能力强；承载能力强且无误差积累，运行精度高；就实现多自由度运动而言，它的运动复杂性只影响系统的控制软件，各作动器之间的运动耦合小，占地面积小，制造成本低。当然，六自由度并联运动平台也有不足之处，目前对平台运动位姿进行直接测量仍然比较困难，一般采用由各作动器活塞杆伸缩量进行位姿正解求得，另外平台的工作空间范围较小，姿态变化幅度有限。
        除了应用在飞行模拟器上以外，这种平台还广泛应用于其他的军用和民用模拟器领域，如各种潜艇驾驶模拟器和汽车驾驶模拟器。1994年，华中理工大学和青岛潜艇学院合作研制了一台六自由度潜艇操纵训练模拟器，2000年又为中船总707研究所研制出研发型六自由度潜艇模拟器。Thomson-CSF仿真与训练公司也分别为军方和民用部门设计了各种卡车驾驶模拟器，其系统模拟的环境是高度逼真的模拟器上一小时的训练效果相当于在真实卡车上受训两小时以上。在国内，吉林工业大学国家汽车动态模拟实验室（ADSL）较早便从事汽车体感模拟训练研究。此外，六自由度平台结构还广泛应用于动感娱乐模拟器、并联机床、并联机器人等领域。不同应用领域对平台性能要求当然也会不同。
        当前并联六自由度运动系统研究热点和难点主要集中在机构学理论、关键零部件（高性能的液压作动器、伺服阀等）及控制策略等的研究，这是进行运动系统结构优化设计，提高飞行模拟器运动性能的关键技术。国内在高性能的液压作动器、伺服阀、伺服放大器等关键零部件的研制方面已经有了很大突破，部分产品已经可以替代同类进口产品应用于高性能飞行模拟器上，使模拟器的造价大幅降低。
        2.六自由度运动平台控制系统分析
        2.1控制系统总体方案设计
        目前，传统的PC机加运动控制卡的控制方法在国内仍然被广泛采用。但是这种控制方法存在着控制系统的硬件开发难度大、开放性不足、价格昂贵等不足。而由于Windows操作系统的广泛应用，纯软件数控系统有着先天的优势。同时，它有着硬件开发难度低、可靠性高以及人机界面友好等优点。分析六自由度运动平台的功能以及充分考虑交流伺服控制系统设计的原则，对运动平台交流伺服控制系统进行合理的设计，合理规划系统控制流程，以满足运动系统的各项性能指标，实现运动平台在系统控制下能按照既定姿态既定要求动作。六自由度运动平台控制系统要求完成人机界面，数据实时处理，位置伺服控制等工作。根据各个模块对实时性的要求，将系统分为实时控制部分和非实时控制部分。软件部分在工控机Windows平台下内核模式中需要实现的功能模块，包括驱动器反馈数据采集，外部硬件中断响应，控制算法，数据输出等重点。而硬件平台的关键在于输入输出接口电路的设计与测试以及伺服系统配线的稳定性。

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        2.2控制系统硬件设计
        首先，在上位机中给定上平台的目标运动姿态随时间变化的轨迹，由上位机向控制器发送一个运动平台的目标运动轨迹信号，控制器会通过运动反解算法将其转化成六个电动缸的长度变化信号，并通过控制算法对伺服驱动器发送驱动信号，进而驱动伺服电机，使六个电动缸按照给定长度变化，进行伸缩运动。此时，电动缸通过与上下平台相连接的U形铰和球铰，驱动上平台实现位姿变化，使上平台按照目标运动轨迹进行运动。
        在运动过程中，六个电动缸分别通过编码器将每一时刻的运动速度反馈给控制器，通过计算可得电动缸随时间的长度变化，控制器将该长度信号与驱动信号进行对比产生误差信号，误差信号经控制器处理并输出，可对进行驱动信号校正，从而实现每个电动缸的闭环控制。通常该系统的上平台需安装一个位姿传感器，将上平台的位姿实时反馈给控制器，将该信号与上位机输入的目标位姿进行对比和校正，能够实现整个系统的闭环控制。但在某些试验缺少位姿传感器情况下，就需要通过运动学正解，计算出每一时刻上平台的运动状态，才能实现系统的闭环控制。
        最后，通过实时反馈的电动缸速度及上平台位姿，跟踪检测六自由度平台的运动轨迹，并将实验结果进行记录和分析。此外，该系统需要在电动缸上下两端安装限位开关，以防止电动缸运动中超出其工作范围，导致缸体发生碰撞。同时，在软件中也需要对电动缸的行程范围进行设定，实现系统的软件限位。
        2.3控制系统软件设计
        六自由度平台要实现高精度的运动不仅硬件耍满足需求，软件的设计也尤为重要。软件架构是否合理、功能是否满足需求直接关乎到用户的使用体验。六自由度平台结构复杂，需要进行多支腿协调运动，要进行软件开发，在分析控制系统需求的基础上，还要解决各命令的相互配合关系、指令优先级、数据传递等问题。一个好的控制软件不仅需要满足现在的平台使用要求，更要考虑到后续的科研需求，为后续的软件更新提供良好的架构。所以需要先对实现的目标进行详细的需求分析，然后根据需求进行详细的功能模块的划分，最后根据各个功能模块进行相应的软件实现，这样的开发模式既提高了软件开发的效率，又增强了软件的可移植性和可扩展性。软件系统应具有如下的功能：系统自动检测功能，系统上电后对运动平台伺服控制系统各个部分进行状态检测；良好的人机交互界面，实现运动平台位姿信息的实时显示，运动控制参数的设置以及控制方式的选择，平台运动数据的存储；对编码器反馈信号和点动缸限位信号的实时采集以及处理；控制算法的实时运行以及控制指令和指令脉冲的发出；有效的警报系统以及合理的应对处理方式。
        2.4计算机控制系统
        随着自动化技术水平的不断提高和计算机技术、传感器技术的发展，新的控制方式和控制算法不断应用到模拟器的控制系统中。对于模拟器的控制系统，从过去的简单仪表控制发展到今天的直接数字控制系统。当前模拟器的计算机控制主要有两种控制方式，一种是集中控制方式，就是用一台计算机实现全部控制功能，这需要有高速度高性能的计算机，且控制集中，危险集中，系统难以扩充，可维护性差；另一种是分布式控制方式，就是采用多台微机共同协调实现对模拟器的控制，当前，随着分布式控制技术的发展和工业控制计算机系统的推广应用，使得分布式控制方式可靠性高、易于功能扩充、控制反映迅速，技术日趋完善。
        参考文献：
        [1]沈洲.六自由度运动平台控制系统研究[D].机械科学研究总院，2017.
        [2]谢瑞明.六自由度运动平台控制系统设计及控制策略研究[D].浙江大学，2017.
        [3]郭悦.基于视觉的五自由度运动平台控制系统研究[D].北京理工大学，2016.
        [4]晁智强，宁初明，李欣泽，韩寿松，陈强.六自由度平台控制系统分析[J].机床与液压，2014，42（09）：44-48+53.