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六自由度運(yùn)動平臺控制系統(tǒng)總體設(shè)計
發(fā)布時間:2020-02-24 11:19:39

  六自由度運(yùn)動平臺的結(jié)構(gòu)特性

  六自由度運(yùn)動平臺,由上、下平臺和六個可伸縮的電動缸組成。上、下平臺與電動缸之間,分別通過虎克鉸或球鉸相連,因此上、下平臺分別有6個連接點(diǎn)。上平臺為動平臺,在六個電動缸的驅(qū)動下進(jìn)行空間中的六自由度運(yùn)動,下平臺為靜平臺,靜止不動,上、下平臺為相似的六邊形,如下圖所示。六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有速度快、負(fù)載大、精度高等特點(diǎn),該結(jié)構(gòu)作為運(yùn)動平臺有著廣泛的應(yīng)用空間。

  六自由度運(yùn)動平臺控制原理

  六自由度運(yùn)動平臺是由六個伺服電機(jī)帶動電動缸做伸縮變化運(yùn)動,六個電動缸并聯(lián)設(shè)置共同驅(qū)動運(yùn)動平臺。運(yùn)動平臺的每個電動缸都能夠?qū)崿F(xiàn)空間中單獨(dú)的伸縮運(yùn)動,因此控制系統(tǒng)通過對六個電動缸的伸縮量的控制,可以驅(qū)動上平臺完成空間中的六自由度運(yùn)動,從而實(shí)現(xiàn)上平臺位姿的改變。六自由度分別指的是平臺沿著x、y、z三個坐標(biāo)軸的平移運(yùn)動,以及繞三個坐標(biāo)軸的φx、φy、φz旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

  根據(jù)六自由度平臺的運(yùn)動狀態(tài),計算出各電動缸的相應(yīng)位置和速度指令信號,從而控制運(yùn)動平臺的動作,保證按照預(yù)定的軌跡運(yùn)動;當(dāng)運(yùn)動平臺到達(dá)要求的位置時,各電動缸的速度指令信號給定為零,運(yùn)動平臺就立刻停下來,達(dá)到了點(diǎn)位控制的目的。

  隨著技術(shù)日益發(fā)展,目前對六自由度運(yùn)動平臺的控制精度、定位精度及動態(tài)響應(yīng)性能的要求越來越高,考慮到六自由度運(yùn)動平臺對各個電動缸運(yùn)動的準(zhǔn)確和快速等要求,需要對各電動缸的速度和位移進(jìn)行控制。在運(yùn)動過程中,需要及時檢測各電動伺服缸的速度和位移信號,速度信號用于閉環(huán)控制時跟蹤速度的輸入,位移信號用于位置反饋和監(jiān)控,從而達(dá)到滿足運(yùn)動平臺的位姿控制。

  六自由度運(yùn)動平臺功能設(shè)計

  從控制角度看,六自由度運(yùn)動平臺控制系統(tǒng)是一種電動伺服控制系統(tǒng)。要對其進(jìn)行控制系統(tǒng)的總體設(shè)計,就必須先明確該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性與工作原理,分析該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包含的功能模塊。然后基于其功能需求,設(shè)計出整個系統(tǒng)所需的硬件模塊,畫出控制系統(tǒng)構(gòu)成圖。而后對硬件部分和軟件部分分別進(jìn)行設(shè)計和規(guī)劃,從而完成六自由度運(yùn)動平臺控制系統(tǒng)的總體功能設(shè)計。

  在實(shí)際控制過程中,主控單元需要頻繁地執(zhí)行正反解、軌跡規(guī)劃求解等計算任務(wù),且這些任務(wù)的計算量都比較大。此外,完備的控制系統(tǒng)還應(yīng)包括人機(jī)交互、實(shí)時數(shù)據(jù)存儲等功能。

  (1)位置控制:本文采用的控制方式主要是位置控制,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出指令時,平臺的六個電動缸能夠按照指令,在系統(tǒng)限定范圍內(nèi)進(jìn)行伸縮運(yùn)動,使運(yùn)動平臺實(shí)現(xiàn)空間中六個自由度的目標(biāo)運(yùn)動。

  (2)限位系統(tǒng):當(dāng)六自由度運(yùn)動平臺的某個電動缸超過其運(yùn)動范圍時,必須有限位系統(tǒng)檢測到這一問題,即刻將限位信號反饋至上位控制系統(tǒng),系統(tǒng)發(fā)出警報,并執(zhí)行相應(yīng)保護(hù)措施。

  (3)伺服警報:當(dāng)六自由度運(yùn)動平臺出現(xiàn)超載警報、電池警報、編碼器通信警報、振動檢測警報、散熱系統(tǒng)過熱警報等問題,系統(tǒng)會立即發(fā)出伺服警報,通過關(guān)閉伺服或指令脈沖禁止輸入等動作,將伺服電機(jī)關(guān)閉,及時地保護(hù)運(yùn)動平臺。

  (4)人機(jī)界面:控制系統(tǒng)需提供一個用戶使用的界面,操作簡明,方便控制,該界面應(yīng)包含:控制方案選擇、參數(shù)初始化、基本指令輸入輸出等;平臺的位置姿態(tài)和電動缸伸縮量、速度等反饋參量及其運(yùn)動曲線的同步顯示;伺服控制系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)等。

  (5)急停裝置:當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出嚴(yán)重故障問題警報時,若不能利用控制按鍵及時停止平臺的運(yùn)動,可以通過急停裝置,直接切斷整個系統(tǒng)電源,令平臺立即停止運(yùn)動,避免運(yùn)動平臺受到碰撞損壞等嚴(yán)重事故的發(fā)生。

  (6)尋零、定位:在人機(jī)界面上需要有控制按鍵,可以令平臺自動回歸到零

  點(diǎn)位置,或定位到空間限定范圍內(nèi)的任一位置。

  (7)自動檢測:系統(tǒng)通電之后,即刻開始檢測伺服控制系統(tǒng)各個構(gòu)成模塊是否正常運(yùn)行,并將檢測結(jié)果及時向上位機(jī)反饋報告。

  六自由度運(yùn)動平臺控制方案選擇

  為了保證在運(yùn)動過程中的穩(wěn)定性和不發(fā)生破壞現(xiàn)象,六個伺服電動缸必須做到協(xié)調(diào)一致的動作??紤]到多軸的同步、協(xié)調(diào)運(yùn)動、運(yùn)動機(jī)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境以及六自由度并聯(lián)平臺是一種高度耦合的系統(tǒng),其運(yùn)動控制相對復(fù)雜。

  六自由度運(yùn)動平臺的運(yùn)動控制系統(tǒng)選擇有多種形式,根據(jù)不同行業(yè)的應(yīng)用,選擇不同的運(yùn)動控制方案和策略。根據(jù)具體項(xiàng)目的預(yù)算,以及動態(tài)響應(yīng)性能和精度的要求,來選擇相應(yīng)的控制系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方案。

  第一種方案:

  考慮到并聯(lián)六自由度控制策略實(shí)施的方便和現(xiàn)代計算機(jī)的計算速度、造價等問題。采用工控機(jī)(IPC)+多軸運(yùn)動控制卡的形式,

  多軸運(yùn)動控制卡是一種總線形式的板卡,它具有良好的開放性、可靠性和抗干擾性,可通過VC、VB等高級控制語言實(shí)現(xiàn)其控制功能。在六自由度運(yùn)動平臺系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)研究中,多軸運(yùn)動控制卡的應(yīng)用較多,其價格相對較低,且能夠安裝在工控機(jī)的卡槽上,無須再添加控制器就可以與外部信號處理電路進(jìn)行通信,這種一體化的設(shè)計避免了硬件結(jié)構(gòu)的冗余繁雜。

  從軟件編程的角度來說,運(yùn)動控制卡的靈活性較強(qiáng),只需給用戶提供底層驅(qū)動和編程代碼,用戶可根據(jù)自己的軟件開發(fā)能力和個性需求做出各種相應(yīng)的的界面和功能。

  在硬件方面,作為完成控制系統(tǒng)的一個部件,要實(shí)現(xiàn)控制功能,還需其他輔助部件,如PC、指令設(shè)備、傳動裝置等。通常運(yùn)動控制卡需要一個載體,一個基于工控CPU的系統(tǒng)運(yùn)行平臺。除了板卡本身,還需配合工控機(jī)、高精度定時時鐘和I/O 接口和相應(yīng)的隔離、差分電路,因此硬件電路的連接和調(diào)試過程較為復(fù)雜。

  在軟件方面,通常需要確保工控機(jī)上有一個實(shí)時進(jìn)程,來運(yùn)行實(shí)時控制算法,來提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度,避免產(chǎn)生滯后。但這種實(shí)時系統(tǒng)能夠提供的定時時鐘頻率較低,不能滿足系統(tǒng)要求;而如果首先保證系統(tǒng)的實(shí)時性,系統(tǒng)的開放性又會相應(yīng)地降低,因此這種控制方案存在一定的局限性。

  六自由度運(yùn)動平臺的控制采用計算機(jī)集中控制方式,由一臺IPC完成各電動伺服缸位置指令值的計算,并對并聯(lián)六自由度平臺的六根電動缸位移和速度進(jìn)行監(jiān)控。多軸運(yùn)動控制卡通過PCI插槽與PC機(jī)相連接,并完成6個電動伺服缸的位移閉環(huán)控制,因采控制系統(tǒng)的改變比較靈活,只需要重新編程,就可以更換一種算法。因此,可以根據(jù)需要在計算機(jī)上實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的補(bǔ)償和控制算法。

  第二種方案:

  隨著計算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的進(jìn)步,機(jī)器人運(yùn)動控制技術(shù)取得了突破性發(fā)展,以太網(wǎng)總線技術(shù)在運(yùn)動控制領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。特別是近年來,隨著具有顯著開放式特征的運(yùn)動控制系統(tǒng)與開放式工業(yè)以太網(wǎng)總線的技術(shù)融合,伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)向可靠性更高、速度更快、精度更高、穩(wěn)定性更好的方向發(fā)展。

  考慮到運(yùn)動平臺的結(jié)構(gòu)和配置形式,并結(jié)合計算機(jī)的控制策略,以及高動態(tài)響應(yīng)的需求,用戶需要一種開放式結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng),通過自行開發(fā)的控制軟件來完成六自由度運(yùn)動平臺的運(yùn)動控制要求,因此需要提供強(qiáng)大的運(yùn)動控制功能作為保障。采用工控機(jī)(IPC)或人機(jī)界面(HMI)+運(yùn)動控制器的形式。

  運(yùn)動控制器是一種高度集成化的專用運(yùn)動專用控制設(shè)備。它能夠?qū)⒁恍┩ㄓ玫倪\(yùn)動控制功能固化在其中,用戶可以隨時對這些功能塊或指令進(jìn)行組態(tài)和調(diào)用,這樣降低了編程的難度,在提高控制性能的同時,降低了過多附帶硬件和功能模塊所需的成本。與多軸運(yùn)動控制卡相比,控制器更偏向于集成化,它應(yīng)該是一個完整的、獨(dú)立的硬件平臺。但是控制器軟件的程序?qū)懭耄蟛糠质窃诳刂破鲀?nèi)部,利用其自身固有的編程方式寫程序,或者靠上位計算機(jī)發(fā)送控制信號來執(zhí)行下面的命令。也就是說,控制器大多帶有相匹配的控制軟件。

  PAC控制器是一種融合了傳統(tǒng)的PLC和IPC的優(yōu)點(diǎn),具有獨(dú)特理念的模塊化控制裝置。即嵌入式PC的開放式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng), 控制器采用帶有Inter芯片,是一款強(qiáng)大的CPU,采用嵌入式實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng),任務(wù)循環(huán)周期最快可達(dá)到微秒級別,附加IO處理器,附帶接口模塊擴(kuò)展插槽,可移動存儲CompactFlash卡,且設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)采用實(shí)時以太網(wǎng),可以實(shí)現(xiàn)非常高的實(shí)時控制。專門應(yīng)用于循環(huán)周期非常短的項(xiàng)目,能夠處理大量數(shù)據(jù),浮點(diǎn)型運(yùn)算。

  運(yùn)動控制器是上位機(jī)PC端用戶到伺服運(yùn)動機(jī)構(gòu)的橋梁,通過運(yùn)動控制器的運(yùn)動控制,將上位機(jī)的控制命令、運(yùn)動規(guī)劃等在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)。采用PAC控制器,用于對高精度調(diào)整機(jī)構(gòu)的實(shí)時、精確控制。運(yùn)動控制器通過對六臺伺服驅(qū)動器進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)平臺的六自由度運(yùn)動。實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的正反解算法,并將其集成到運(yùn)動控制器中。

  采用穩(wěn)定可靠、通信速率高、受干擾率低、網(wǎng)絡(luò)速度快為特點(diǎn)的工業(yè)以太網(wǎng)搭建運(yùn)動控制總線網(wǎng)絡(luò)完成運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計。針對運(yùn)動控制器需要實(shí)現(xiàn)的具體功能以及控制系統(tǒng)的實(shí)際構(gòu)成情況,采用“PAC+工業(yè)以太網(wǎng)”技術(shù)的設(shè)計方案??刂葡到y(tǒng)采用“上位機(jī)+PAC控制器”的控制形式。整個運(yùn)動控制系統(tǒng)由上位機(jī)、PAC控制器、伺服驅(qū)動器、電動缸、機(jī)械機(jī)構(gòu)、傳感器等組成。

  上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)按要求對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動進(jìn)行軌跡規(guī)劃,并將各種控制命令通過以太網(wǎng)通訊接口下發(fā)給PAC控制器;運(yùn)動控制器對收到的控制命令進(jìn)行命令解析、狀態(tài)獲取、機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)模型解算算法及控制算法處理等。根據(jù)具體命令執(zhí)行相應(yīng)操作。運(yùn)動控制器經(jīng)過反解算法解算,將上位機(jī)發(fā)來的位姿信息轉(zhuǎn)換成每個電動缸的位置信息;再根據(jù)控制器獲取的電機(jī)絕對編碼器值,以及磁致伸縮位移傳感器測得的電動缸伸縮量等信息,應(yīng)用相應(yīng)的控制算法,得到具體的控制量;通通過工業(yè)以太網(wǎng)總線發(fā)送運(yùn)動控制命令給伺服驅(qū)動器,實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的精確運(yùn)動。同時,運(yùn)動控制器可以通過工業(yè)以太網(wǎng)獲取到各個驅(qū)動器的當(dāng)前狀態(tài)、運(yùn)動信息及相關(guān)數(shù)據(jù),通過正解算法得到機(jī)構(gòu)的實(shí)時姿態(tài),并將這些信息通過以太網(wǎng)反饋給上位機(jī)??刂葡到y(tǒng)具體構(gòu)成如下圖所示。

  六自由度運(yùn)動平臺控制策略

  六自由度運(yùn)動平臺不僅需要點(diǎn)位控制,同時也要考慮點(diǎn)到點(diǎn)之間的過程,這有別于串聯(lián)機(jī)構(gòu)的控制策略,串聯(lián)機(jī)構(gòu)的控制只考慮到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的準(zhǔn)確性和快速性,而不考慮中間過程。

  該控制方法需實(shí)時獲取機(jī)構(gòu)末端的位置姿態(tài)值,由于傳感器等直接測量方式成本較高,因此多利用運(yùn)動學(xué)正解計算獲得末端位置姿態(tài)。此外,平臺工作過程中不合理的運(yùn)動軌跡會引起沖擊振動等問題,會影響平臺運(yùn)動精度等性能指標(biāo),且可能會損壞平臺的機(jī)械結(jié)構(gòu),減少平臺使用壽命。因此,對包括六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)時運(yùn)動學(xué)正解及最優(yōu)軌跡規(guī)劃在內(nèi)的伺服控制技術(shù)的研究顯得尤為重要。

  六自由度運(yùn)動平臺運(yùn)動控制分為兩種控制策略:一種是關(guān)節(jié)空間內(nèi)的閉環(huán)控制。平臺運(yùn)動時,各電動缸伸縮長度伸縮速度不同,各電動缸輸出力矩及所受負(fù)載等亦不相同,因此對各電動缸進(jìn)行單獨(dú)的閉環(huán)控制,也就是關(guān)節(jié)空間內(nèi)的閉環(huán)控制。這種控制策略為準(zhǔn)閉環(huán)控制,在使用時難以實(shí)現(xiàn)各電動缸的精確協(xié)同,因此對平臺軌跡的控制精度有一定影響。另外一種是工作空間與關(guān)節(jié)空間內(nèi)的閉環(huán)控制。這種控制策略是直接對平臺的位置姿態(tài)進(jìn)行閉環(huán)控制,形成工作空間內(nèi)的閉環(huán)。然后根據(jù)計算得到的各電動缸的運(yùn)動參數(shù),在關(guān)節(jié)空間內(nèi)針對各電動缸再進(jìn)行閉環(huán)控制。這種控制策略能夠進(jìn)一步提高平臺末端的控制精度,而缺點(diǎn)在于計算量比較大,需要進(jìn)行兩次閉環(huán)計算及運(yùn)動學(xué)反解計算,此外還需實(shí)時獲得平臺工作空間內(nèi)的位置姿態(tài)值。

  位姿閉環(huán)控制器根據(jù)輸入的目標(biāo)位姿與當(dāng)前平臺的實(shí)際位姿計算得到位姿控制量,然后通過運(yùn)動學(xué)反解計算得到各個電動缸對應(yīng)的控制量,各電動缸根據(jù)對應(yīng)的控制量參數(shù)完成閉環(huán)控制,整體控制框架為雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。本文中,位姿閉環(huán)控制器使用PID控制器完成。PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。其原理框圖如下圖所示。

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