一種多層閉環控制策略的Stewart六自由度飛行模擬平臺的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種Stewart六自由度平臺，屬于飛行模擬器領域，具體的說，是一種多層閉環控制的用于飛行模擬器的六自由度電動平臺。
【背景技術】
[0002]Stewart六自由度平臺能在空間六個自由度上做任一自由度的單自由度運動，也能做任意幾個自由度的復合運動。適中的運動范圍和清晰的機構拓撲使其被廣泛的應用到各種訓練模擬器，如飛行模擬器、艦艇模擬器、坦克模擬器、地震模擬器以及動感電影能領域。甚至可用于飛船的空間交會對接。同時，隨著軍用民用航空事業的蓬勃發展，面向飛行模擬器的Stewart平臺運動控制技術具有急迫且廣泛的需要和重大意義。
[0003]由于Stewart運動平臺是一個多輸入多數出的高度非線性的復雜并聯系統，因此其控制策略也相對困難。一般來說，并聯機構的控制策略按控制器實現的空間可分為支鏈空間控制和工作空間控制兩種。
[0004]基于支鏈空間的控制策略即將各個支鏈看作單輸入單輸出系統來設計。中國申請號為201320521324.0實用新型專利公布了一種六自由度電動模擬訓練艙，采用Stewart機構平臺，可實現六個方向Ig的加速度，可模擬漂浮極度顛簸、失重、超重、剎車等狀態。但控制系統只在單一電動缸層面實現閉環系統，而對平臺來說是半閉環的系統。同時由于忽略了各個支鏈耦合特性對支鏈本身動態性能的影響，因此系統的精度和穩定性會受到影響。
[0005]基于工作空間控制策略從整體出發，直接關心系統的位姿輸出，相比于支鏈的控制具有一定的優勢。哈爾濱工業大學研制的六自由度實驗搖擺臺，推導了六自由度搖擺臺的位置姿態誤差模型，從理論上確立了一種位姿精度補償方法，通過在線查表的方式補償運動學反解的控制伸縮量。但仍然沒有實現位姿控制的真正閉環。申請號為201310181052.9發明專利公布了一種六自由度并聯指向平臺，其中通過安裝在運動副軸線上的位置檢測傳感器，使用正解算法間接獲得上平臺相對于下平臺的位姿信息，形成位姿空間的閉環。實際應用中由于正解算本身的不成熟及平臺存在的關節誤差、安裝誤差以及結構形變，導致平臺真實位姿信息很難獲得。
[0006]另外，從飛行模擬器運動系統的功能上看，對于運動平臺的控制最終實現的是模擬飛行過程中飛行員感覺到的動感及過載信息。從應用層面上考慮，運動平臺控制系統中需要對輸出加速度和角加速度信息的反饋與評價。也即，目前在應用層面來說，沒有完善的閉環控制策略。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是針對上述現有控制技術的缺陷，提供了一種多層閉環控制策略下的Stewart六自由度運動平臺。
[0008]本發明一種多層閉環控制策略的Stewart六自由度飛行模擬平臺，包括Stewart六自由度運動平臺，包括上平臺、下平臺與6條結構完全相同的支鏈，每條支鏈由作動桿、電動缸構成；其中，作動桿位于支鏈上端，頂部通過上萬向節與上平臺連接，末端延伸到電動缸內部，與電動缸內的滾珠絲桿同軸相連；作動桿的伸縮由滾珠絲桿驅動；電動缸內底部具有伺服電機，伺服電機的輸出軸與滾珠絲桿相連，驅動滾珠絲桿運動帶動作動桿伸縮；電動缸缸體底部通過下萬向節與下平臺連接。本發明還具有采用三層閉環的飛行模擬運動系統控制結構，由內至外分別為單自由度伺服回路，平臺位姿閉環與應用層體感模擬閉環。
[0009]其中，單自由度伺服回路用來實現對Stewart六自由度運動平臺中各條支鏈位置信息的準確控制。
[0010]所述平臺位姿閉環利用視頻目標跟蹤技術獲取Stewart六自由度運動平臺的位姿信息，再結合支鏈正解獲得的位姿信息通過數據融合估計，提高Stewart六自由度運動平臺位姿信息的真實性。
[0011]所述應用層體感模擬閉環，通過加速度計和角加速度計采集飛行員感受到的加速度信息作為反饋，傳回上位機形成閉環，從而提高對運動感的真實模擬。
[0012]本發明的優點為:
[0013]1、本發明多層閉環控制策略的Stewart六自由度飛行模擬平臺，通過基于視頻跟蹤技術的非接觸測量方式獲得Stewart平臺的位姿信息作反饋，有效避免了由于安裝誤差，機構形變等因素造成的無法準確解算平臺位姿的問題，提高了控制精度；
[0014]2、從飛行模擬器的全局設計角度考慮，飛行模擬器所完成的任務并不是對于簡單的位置和姿態的伺服控制，而是提供模擬器中飛行員頭部處的加速度信號與角速度信號，因此本發明多層閉環控制策略的Stewart六自由度飛行模擬平臺，應用層面的反饋補償能提高飛行模擬的真實度，也便于評價飛行指標。
【附圖說明】
[0015]圖1為Stewart六自由度飛行模擬平臺結構示意圖；
[0016]圖2為本發明多層閉環控制策略下的Stewart六自由度運動平臺中三層閉環結構框圖；
[0017]圖3為平臺位姿閉環中三臺相機安裝位置示意圖；
[0018]圖4為平臺位姿閉環中3組標記貼安裝位置示意圖；
[0019]圖5為標記貼結構示意圖。
[0020]圖中:
[0021]1-六自由度運動平臺 2-飛行模擬運動系統控制結構 101-上平臺
[0022]102-下平臺103-支鏈103a_作動桿
[0023]103b_電動缸103c_上萬向節103d_下萬向節
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖對本發明做進一步說明。
[0025]本發明多層閉環控制策略的Stewart六自由度飛行模擬平臺，包括Stewart六自由度運動平臺I與上位機中的飛行模擬運動系統控制結構2 ;上述飛行模擬運動系統控制結構采用三層閉環結構，由內至外分別為單自由度伺服回路201，平臺位姿閉環202與應用層體感模擬閉環203。
[0026]Stewart六自由度平臺I的結構，如圖1所示，包括上平臺101、下平臺102與6條結構完全相同的支鏈103，每條支鏈103由作動桿103a、電動缸103b構成。其中，作動桿103a位于支鏈103上端，頂部通過上萬向節103c與上平臺101連接，末端延伸到電動缸103b內部，與電動缸103b內的滾珠絲桿同軸相連。作動桿103a的伸縮由滾珠絲桿驅動。電動缸103b內底部具有伺服電機，伺服電機的輸出軸與滾珠絲桿相連，驅動滾珠絲桿運動帶動作動桿103a伸縮。電動缸103b缸體底部通過下萬向節103d與下平臺102連接，下平臺102固定在基座上。上述電動缸103b頂端安裝有防沖撞裝置，以此有效的預防由于電力系統故障造成的上平臺101對電動缸103b的損傷。
[0027]所述單自由度伺服回路201為6套，每套對應Stewart六自由度平臺I的一條支鏈，包括限位開關、編碼器與控制器，分別用來實現對Stewart六自由度運動平臺中各條支鏈103位置信息的準確控制，如圖2所示。6套單自由度伺服回路201中，編碼器為絕對值編碼器，安裝于伺服電機輸出軸上，用來獲取作動桿103a的絕對位置信號。限位開關為四路，安裝在電動缸103b的缸體外部，用來輸出作動桿103a的極限位置信號。控制器獲取上位機發送的支鏈位移信息，轉換為差分脈沖信號發送到六自由度運動平臺中的伺服電機，控制伺服電機驅動作動桿103a伸縮；同時，伺服電機內置的絕對值編碼器向控制器反饋作動桿103a的絕對位置信號(差分脈沖信號)到控制器，由控制器轉換得到作動桿的位移信息；由此，實現了六自由度平臺的位移閉環控制。此外，極限位置開關反饋的作動桿極限位置信號也通過控制器采集，用于安全措施及運動過程中的校準。
[0028]所述平臺位姿閉環201利用視頻目標跟蹤技術獲取Stewart六自由度運動平臺I的位姿信息，再結合支鏈正解獲得的位姿信息通過數據融合估計，提高Stewart六自由度運動平臺位姿信息的真實性。平臺位姿閉環201包括相機、圖像處理模塊、多傳感器數據融合模塊、運動學正解模塊、平臺位姿輸入模塊、平臺運動控制模塊與標記貼。其中，相機采用為三臺工業相機，通過網絡交換機實現與上位機間的通訊。三臺相機分別位于Stewart六自由度平臺中下平臺102三條