一种电动六自由度运动平台高精度控制系统及控制方法

摘要

本发明属于机电一体化与驱动控制技术领域，公开了一种电动六自由度运动平台高精度控制系统和控制方法，控制系统包括嵌入式控制器、实时以太网总线网络和驱动器；嵌入式控制器通过实时以太网总线网络向驱动器传送控制指令，电动缸连接伺服电机，驱动器直接驱动伺服电机，由伺服电机驱动电动缸伸缩运动，实现六自由度运动平台运动。本发明控制实时性高，各支路运动同步性好，还具有可靠性高、结构简约、扩展灵活、易于维护等优点；基于灵活的软件设计平台不仅能实现运动模拟，还能实现高精度多自由度定位。

说明书

技术领域

本发明属于机电一体化与驱动控制技术领域，尤其属于并联机器 人高精度协同控制技术，具体涉及一种电动六自由度运动平台高精度 控制系统及控制方法。

背景技术

六自由度运动平台能够实现垂直、横向、纵向、俯仰、滚转、偏 航等六个自由度的运动，在高精度姿态调整、自动装配对接、随动补 偿、运动模拟、并联机器人等领域有着非常广阔的应用前景。从目前 的研究现状来看，专利文献CN200820004705.0中公开了一种“大负载 六自由度电动平台，专利文献CN201020245593.5中公开了一种“六自 由度机电运动平台”，两份文献均涉及到六自由度运动平台及其控制 系统，但主要内容是平台的组成结构和动力驱动系统硬件设计，不涉 及平台控制方法是如何实现的，所以本发明致力于平台控制方法的研 究，提出一种新的控制策略。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种电动六自由度运动平台高 精度控制系统及控制方法，简化结构，提高控制精度。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种电动六自由度运动平台 高精度控制系统，所述六自由度运动平台包括上平台、下平台、六支 电动缸及连接上、下平台的运动铰链；所述控制系统包括嵌入式控制 器、实时以太网总线网络和驱动器；所述嵌入式控制器与驱动器之间 通过基于实时以太网总线网络协议的网线连接，实现嵌入式控制器与 驱动器之间的高速双向通讯；所述驱动器的数量与电动缸的数量相 同，一个驱动器对应一个电动缸形成一个驱动支路；所述嵌入式控制 器通过实时以太网总线网络向驱动器传送控制指令，电动缸连接伺服 电机，驱动器直接驱动伺服电机，由伺服电机驱动电动缸伸缩运动， 实现六自由度运动平台运动。

其中，所述嵌入式控制器有人机输入和输出接口，可连接键盘、 鼠标、显示器，实现人机交互界面；所述键盘和鼠标用于控制指令的 人工手动输入，显示器用于对六自由度运动平台的位置姿态和故障情 况进行监控、输入输出。

其中，所述六自由度运动平台各驱动支路中，电动缸和驱动器之 间有动力电源线和编码器反馈线连接，六自由度运动平台的位置信息 反馈通过编码器反馈线反馈至嵌入式控制器，进一步通过显示器进行 监控。

其中，所述电动缸行程两端极限位置分别安装一个限位开关，将 到位信号直接反馈给嵌入式控制器开关量输入，控制电动缸行程超 限。

本发明还提供了一种电动六自由度运动平台高精度控制方法，其 包括以下步骤：

首先，通过人工输入或调用工作文件的方式给定平台的目标位 姿，嵌入式控制器根据平台目标位姿和当前位姿在平台工作空间进行 运动轨迹在线规划；

然后，在平台运动过程中进行实时插补运算和运动学反解运算， 计算出连接上、下平台的运动铰链所在关节空间的控制矢量，控制矢 量包括位移和速度；

接下来，嵌入式控制器将各驱动支路的控制矢量通过实时以太网 总线网络发送给驱动器，驱动器内部集成了单驱动支路的闭环控制算 法，驱动器根据目标参数，自行完成各轴电动缸的伺服闭环控制算法， 使平台按照规划的轨迹运动到目标位姿；同时，平台各驱动支路的运 动参数由驱动器反馈至嵌入式控制器，由显示器实现平台实时位姿的 监控显示。

其中，所述平台按照规划的轨迹运动到目标位姿为实时运动控制 任务，其设置为高优先级任务；所述平台位姿的监控显示设置为低优 先级任务，该低优先级任务任务周期为高优先级任务任务周期的若干 倍。

其中，所述实时运动控制任务的过程为：

初始化，读取人工输入或文件输入命令，对命令解释转换为系统 可识别的指令；接下来确定是否需要运动，将与运动有关的轴和闸就 位，就位成功之后，再确认可以运动，进行轨迹规划，获得位移、速 度、加速度之间的函数关系，在平台工作空间进行实时插补子程序， 确定平台实时运动控制任务中每个任务周期的目标控制序列，再接着 进行反解运算，获得关节空间中的控制矢量，实行轴控制，插补子程 序是持续进行的，随着轴的运动边走边算，轨迹完成，插补结束，结 束程序则轴使能取消，抱闸，程序不需要结束则循环控制。

其中，所述平台的点到点位姿变化的轨迹规划过程为：

首先确定轨迹起点和位姿终点，计算规划路径长度，计算运动总 时间、规划加速段时间和减速段时间；然后判断运动总时间是否过短， 过短的话则不设置匀速段，只设置加速段和减速段，此时总时间就等 于加减速段时间和；总时间不短时，则设置加速段、匀速段和减速段， 调用五次多项式系数计算规划加速段、减速段曲线。

其中，所述平台的实时位姿通过运动学正解的方法求得，具体采 用数值迭代法或实时迭代跟踪法实现。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的电动六自由度运动平台高精度控制系统 及控制方法，控制系统为基于工业实时以太网的硬件体系结构，实时 性高，各支路运动同步性好，还具有可靠性高、结构简约、扩展灵活、 易于维护等优点；根据软件实时性和代码计算量的区别，将程序分成 优先级和周期不同的两个任务：实时运动控制程序和监控显示程序； 轨迹在线规划算法可对平台运动的位移、速度和速度进行实时规划， 使平台运行轨迹平滑稳定，定位精度高；基于灵活的软件设计平台不 仅能实现运动模拟，还能实现高精度多自由度定位。

附图说明

图1为本发明实施例电动六自由度运动平台高精度控制系统的硬 件组成原理图；

图2为本发明实施例电动六自由度运动平台高精度控制方法的控 制原理图；

图3为本发明实施例电动六自由度运动平台实时运动控制主程序 逻辑线路图；

图4为本发明实施例电动六自由度运动平台控制方法中轨迹规划 子程序流程图；

图5为本发明实施例电动六自由度运动平台控制方法中正解迭代 算法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施 例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

参照图1所示，本实施例中的六自由度运动平台台体为Stewart 构型并联机构，采用全电驱动方式，包括上平台、下平台、6支电动 缸及连接上、下平台的运动铰链。

基于上述六自由度运动平台的结构，本实施例平台控制系统硬件 采用基于工业实时以太网的多轴伺服系统方案，硬件组成原理见图1 所示，具体地，所述控制系统包括嵌入式控制器、实时以太网总线网 络和驱动器；所述嵌入式控制器与驱动器之间通过基于实时以太网总 线网络协议的网线连接，实现嵌入式控制器与驱动器之间的高速双向 通讯；所述驱动器的数量与所述六自由度运动平台中电动缸的数量相 同，一个驱动器对应一个电动缸形成一个驱动支路；所述嵌入式控制 器通过实时以太网总线网络向驱动器传送控制指令，电动缸连接伺服 电机，驱动器直接驱动伺服电机，由伺服电机驱动电动缸伸缩运动， 实现六自由度运动平台运动。

其中，嵌入式控制器有人机输入和输出接口，可连接键盘、鼠标、 显示器，方便开发良好的人机交互界面。键盘和鼠标用于控制指令的 人工手动输入，显示器用于对六自由度运动平台的位置姿态和故障情 况进行监控、输入输出。

六自由度运动平台各驱动支路中，电动缸和驱动器之间有动力电 源线和编码器反馈线连接，六自由度运动平台的位置信息反馈通过编 码器反馈线反馈至嵌入式控制器，进一步通过显示器进行监控。为了 保护电动缸，在电动缸行程两端极限位置分别安装一个限位开关，将 到位信号直接反馈给嵌入式控制器开关量输入，控制电动缸行程超 限，用于控制过程出现异常时的辅助保护，即触及限位开关时，给出 反馈信号。

本实施例控制系统是一种多轴高速实时控制系统，6个轴的伺服 控制周期可设定在1ms以下，平台各驱动支路的协调控制建立在此优 越的硬件性能基础上，且该系统硬件组成结构紧凑，接线简单，可靠 性高。

基于上述电动六自由度运动平台高精度控制系统，本实施例进一 步介绍对应的控制方法，图2给出了控制原理的实现过程，具体为： 首先需要通过人工输入或调用工作文件等方式给定平台的目标位姿， 嵌入式控制器根据平台目标位姿和当前位姿在平台工作空间进行运 动轨迹在线规划；然后在运动过程中进行实时插补运算和运动学反解 运算，计算出运动铰链所在关节空间的控制矢量，控制矢量包括位移 和速度；嵌入式控制器将各驱动支路的控制矢量通过实时以太网总线 网络发送给驱动器，驱动器内部集成了单驱动支路的闭环控制算法， 驱动器根据目标参数，自行完成各轴电动缸的伺服闭环控制算法，使 平台按照规划的轨迹运动到目标位姿。另外，平台各支路的参数如位 移、速度、加速度、电机电流、温度、转矩等信息也可由驱动器通过 总线网络实时反馈至控制器，实现平台状态的实时监控。

因平台的控制过程运行于实时操作系统，所以将控制过程分成两 个任务，将实时性要求高的平台实时运动控制任务设置为高优先级任 务，任务周期为2ms；将平台位姿显示(包含计算量大的正解迭代算 法)放在一个低优先级任务内执行，任务周期为20ms。

附图3给出了平台实时运动控制任务的主程序逻辑线路图。

在控制任务运行的每一个周期，对各个轴的状态信息包括位移、 速度、加速度、电机温度、电流、转矩等参数进行实时监控，若出现 超限情况即时给出报警提示并停止各轴运动。控制任务对界面输入的 信息也进行判断，若出现超限或非法输入则无效并给出相应提示。

其中具体的控制过程为：初始化，读取人工输入或文件输入命令， 对命令解释转换为系统可识别的指令；接下来确定是否需要运动，将 与运动有关的轴和闸就位，就位成功之后，再确认可以运动，进行轨 迹规划，获得位移、速度、加速度之间的函数关系，在平台工作空间 进行实时插补子程序，确定平台实时运动控制任务中每个任务周期的 目标控制序列，再接着进行反解运算，获得关节空间中的控制矢量， 实行轴控制，插补子程序是持续进行的，随着轴的运动边走边算，轨 迹完成，插补结束，结束程序的话，轴使能取消，抱闸，程序不需要 结束的话，就循环控制。

平台的运动轨迹规划是在工作空间进行的，为了保证运动平滑， 将一个点到点的运动分成加速段、匀速段、减速段三部分，加速段和 减速段运动轨迹的位移曲线采用五次多项式进行规划，且在本实施例 中认为加减速段轨迹对称。一个点到点位姿变化的轨迹规划流程见附 图4，首先确定轨迹起点和终点位姿，计算规划路径长度，计算运动 总时间、规划加速段时间和减速段时间；然后判断运动总时间是否过 短，过短的话则不设置匀速段，只设置加速段和减速段，此时总时间 就等于加减速段时间和；总时间不短的话，则调用五次多项式系数计 算规划加速段、减速段曲线。根据轨迹规划的输出可以得到加速段、 匀速段和减速段的位移、速度、加速度曲线。

以上述点到点运动轨迹规划为基础，可对多个自由度复合运动、 圆周复合运动、循环运动等多种运动轨迹进行规划。

在不借助于外部测量仪器的情况下，平台的实时位姿只能通过运 动学正解的方法求得。平台的正解不唯一且没有解析解法，但在变化 很小时可采用数值迭代法进行计算，大的位姿变化通过实时迭代跟踪 的方法实现。这里设计跟踪周期为20ms，通过一个单独的PLC任务 实现，附图5给出了程序中正解算法的流程图，该方法通过附图5所 示一目了然，不予赘述。

本发明经过电动六自由度运动平台原理样机试验验证，运行稳定 可靠，定位精度高。试验结果表明：±50mm范围内绝对定位误差小 于±0.1mm，±100mm范围内绝对定位误差小于±0.15mm；重复定 位精度比绝对定位精度更高一个数量级。

由上述技术方案可以看出，本发明具有以下显著特点：

(1)平台控制系统硬件采用基于工业实时以太网的分布式多轴 控制系统体系结构，可靠性高、结构简约，扩展灵活、易于维护，实 时性高，使各支路运动同步性好；

(2)根据平台软件不同功能对实时性要求和代码计算量的区别， 将程序分成优先级和任务周期不同的两个任务：高优先级任务运行平 台实时运动控制程序；低优先级任务运行平台的监控显示程序；

(3)平台运动轨迹在线实时规划算法，可对平台运行的位移、 速度和速度参数进行实时规划，使平台运行轨迹平滑稳定，定位精度 高；由于平台控制算法的灵活性，使平台不仅能实现运动模拟，还能 够实现高精度多自由度定位。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以 做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。