基于开放式架构的操纵力感控制系统

摘要

本发明公开了一种基于开放式架构的操纵力感控制系统，包括工业PC机、力加载设备、操纵杆和信号采集设备。实时控制模块通过SERCOS3通讯板卡向力加载设备发出控制指令，使操纵杆上产生相应的加载力；通过模数采集板卡接收信号采集设备采集作用在操纵杆上的加载力，从而形成力闭环控制。核心部分均采用软件模块，用户可进行修改；力加载设备也可增加或删减，并且不影响所述操纵力感控制系统的伺服频率。所述操纵力感控制系统具有可扩展性、可互换性及可伸缩性，开放性程度较高。由于采用了SERCOS3实时以太网总线，伺服频率能够达到四千赫兹，力感逼真度及控制系统的可靠性都得到了大大地提高。可用于需要模拟各种力感的设备。

说明书

技术领域

   本发明涉及一种操纵力感控制系统，尤其是涉及一种基于SERCOS3实时以太网总线的开放式操纵力感控制系统。

背景技术

目前，公知的操纵力感控制方法和装置主要是一种专用的封闭体系结构的控制系统，即“PC+NC控制卡”模式，PC主要处理各种非实时任务，NC控制卡处理实时任务。但由于NC控制卡的硬件结构和软件结构多是专用的，无可互换性，也无可伸缩性，更无可扩展性，提供给用户的选择有限。用户无法对现有力感控制系统的功能进行修改以满足自己特殊的需求，开放性程度较低；且与伺服驱动系统是以模拟通讯方式进行的，存在易受干扰、精度差的问题，影响了系统的控制精度；还有一种操纵力感控制系统的NC控制卡是用工业控制计算机来代替的，但软件结构采用了专用的实时VxWorks操作系统，存在成本高、可移植性及可维护性差的问题，且与伺服驱动系统的通讯是采用传统的现场总线模式进行的，控制系统的伺服频率最高不到两千赫兹，存在力感逼真精度差的问题。

发明内容

为了克服现有的操纵力感控制系统开放性程度和力感逼真度较低的不足，本发明提供一种基于开放式架构的操纵力感控制系统。该控制系统开放性程度高，可靠性好，具有较高的伺服频率，大大提高了系统的力感逼真度。

一种基于开放式架构的操纵力感控制系统，包括工业PC机、力加载设备

、信号采集设备和操纵杆； 

所述的工业PC机的共享内存区分别与人机界面模块、安全保护模块、实时控制模块连接；安全保护模块与实时控制模块连接；实时控制模块分别与SERCOS3通讯实时驱动模块、模数采集实时驱动模块连接；SERCOS3通讯实时驱动模块与SERCOS3通讯板卡连接；模数采集实时驱动模块与模数采集板卡连接；

所述的力加载设备的SERCOS3数字伺服驱动器分别与光电编码器和电动缸连接；

所述的信号采集设备的信号放大器和力传感器连接；

工业PC机分别通过SERCOS3通讯板卡、模数采集板卡与力加载设备的SERCOS3数字伺服驱动器和信号采集设备的信号放大器连接；力加载设备的电动缸与信号采集设备的力传感器连接；信号采集设备的力传感器通过连接杆与操纵杆连接；

工业PC机的安全保护模块通过监控实时控制模块发出的速度指令是否存在跳变及过大，以保证整个系统不受到损害；

人机界面模块通过共享内存区与安全保护模块及实时控制模块联系；所述人机界面模块是一个通用的运行在用户态下的windows界面程序，可以通过界面程序设置系统运行方式，监控系统参数变化，进行应急关闭操作；

共享内存区是人机界面模块和实时控制模块与安全保护模块间的数据共享区，实时控制模块从共享内存区读取系统操作指令并予以执行，同时把操纵杆力与位置的实际采样值存入共享内存区，人机界面模块从共享内存区读取操纵杆力与实际位置并显示在界面上供操作者监控；

所述工业PC机除人机界面模块1工作于非实时部分外，其它均工作于实时部分；

实时控制模块通过SERCOS3通讯实时驱动模块、SERCOS3通讯板卡实时以太网总线向力加载设备的SERCOS3数字伺服驱动器发出控制指令，SERCOS3数字伺服驱动器通过电源电缆将实时控制模块发出的指令作用到电动缸上，电动缸通过连接杆将力施加在操纵杆上，使操纵杆上产生相应的加载力；光电编码器安装于电动缸上，实时测量电动缸的当前位置并通过信号电缆反馈给SERCOS3数字伺服驱动器；

信号采集设备的力传感器安装于电动缸与操纵杆之间，以测量电动缸施加在操纵杆上的实际力，并将此力通过信号放大器反馈给所述工业PC机的模数采集板卡，从而形成力闭环控制。

本发明的一种基于开放式架构的操纵力感控制系统可以用于需要模拟各种力感的设备和场合，尤其是各种训练模拟器中的操纵负荷仿真系统。

有益效果：本发明的一种基于开放式架构的操纵力感控制系统，包括工业PC机、力加载设备、操纵杆和信号采集设备；工业PC机中运行的实时控制模块是核心装置，它一方面通过通过SERCOS3通讯板卡实时以太网总线向力加载设备发出控制指令，使操纵杆上产生相应的加载力；另一方面通过模数采集板卡接收信号采集设备采集回作用在操纵杆上的加载力，从而形成力闭环控制；结构相对简化，层次明显。

由于核心部分均采用软件模块来实现，用户可根据自己的特殊需求来进行修改；同时力加载设备也可根据自己的需求进行增加或删减，并且不影响操纵力感控制系统的伺服频率。因此，所述的操纵力感控制系统具有可扩展性、可互换性及可伸缩性的特征，开放性程度较高。并且，由于采用了SERCOS3实时以太网总线，它是一种高速、高精度实时以太网总线，伺服频率能够达到四千赫兹，力感逼真度及控制系统的可靠性都得到了大大地提高。本发明可以用于需要模拟各种力感的设备和场合，尤其是各种训练模拟器中的操纵负荷仿真系统。

附图说明

图1是本发明的一种基于开放式架构的操纵力感控制系统结构示意框图。

具体实施方式

实施例1      如图1所示，一种基于开放式架构的操纵力感控制系统，包括工业PC机18、力加载设备8、信号采集设备13和操纵杆15； 

所述的工业PC机18的共享内存区2分别与人机界面模块1、安全保护模块3、实时控制模块4连接；安全保护模块3与实时控制模块4连接；实时控制模块4分别与SERCOS3通讯实时驱动模块5、模数采集实时驱动模块17连接；SERCOS3通讯实时驱动模块5与SERCOS3通讯板卡6连接；模数采集实时驱动模块17与模数采集板卡16连接；

所述的力加载设备8的SERCOS3数字伺服驱动器7分别与光电编码器9和电动缸10连接；

所述的信号采集设备13的信号放大器14和力传感器11连接；

所述的工业PC机18分别通过SERCOS3通讯板卡6、模数采集板卡16与力加载设备8的SERCOS3数字伺服驱动器7和信号采集设备13的信号放大器14连接；力加载设备8的电动缸10与信号采集设备13的力传感器11连接；信号采集设备13的力传感器11通过连接杆12与操纵杆15连接；

工业PC机18的安全保护模块3通过监控实时控制模块4发出的速度指令是否存在跳变及过大，以保证整个系统不受到损害；

人机界面模块1通过共享内存区2与安全保护模块3及实时控制模块4联系；所述人机界面模块1，是一个通用的运行在用户态下的windows界面程序，可以通过界面程序设置系统运行方式，监控系统参数变化，进行应急关闭操作；

共享内存区2是人机界面模块1和实时控制模块4与安全保护模块3间的数据共享区，实时控制模块4从共享内存区2读取系统操作指令并予以执行，同时把操纵杆力与位置的实际采样值存入共享内存区2，人机界面模块1从共享内存区2读取操纵杆力与实际位置并显示在界面上供操作者监控；

所述工业PC机18除人机界面模块1工作于非实时部分外，其它均工作于实时部分；

实时控制模块4通过SERCOS3通讯实时驱动模块5、SERCOS3通讯板卡6实时以太网总线向力加载设备8的SERCOS3数字伺服驱动器7发出控制指令，SERCOS3数字伺服驱动器7通过电源电缆将实时控制模块4发出的指令作用到电动缸10上，电动缸10通过连接杆12将力施加在操纵杆15上，使操纵杆15上产生相应的加载力；光电编码器9安装于电动缸10上，实时测量电动缸10的当前位置并通过信号电缆反馈给SERCOS3数字伺服驱动器7；

信号采集设备13的力传感器11安装于电动缸10与操纵杆15之间，以测量电动缸10施加在操纵杆15上的实际力，并将此力通过信号放大器14反馈给所述工业PC机18的模数采集板卡16，从而形成力闭环控制。