一種電動六自由度運動平臺高精度控制系統及控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于機電一體化與驅動控制技術領域，尤其屬于并聯機器人高精度協同控制技術，具體涉及一種電動六自由度運動平臺高精度控制系統及控制方法。
【背景技術】
[0002]六自由度運動平臺能夠實現垂直、橫向、縱向、俯仰、滾轉、偏航等六個自由度的運動，在高精度姿態調整、自動裝配對接、隨動補償、運動模擬、并聯機器人等領域有著非常廣闊的應用前景。從目前的研宄現狀來看，專利文獻CN200820004705.0中公開了一種“大負載六自由度電動平臺，專利文獻CN201020245593.5中公開了一種“六自由度機電運動平臺”，兩份文獻均涉及到六自由度運動平臺及其控制系統，但主要內容是平臺的組成結構和動力驅動系統硬件設計，不涉及平臺控制方法是如何實現的，所以本發明致力于平臺控制方法的研宄，提出一種新的控制策略。
【發明內容】
[0003](一 )要解決的技術問題
[0004]本發明要解決的技術問題是:提供一種電動六自由度運動平臺高精度控制系統及控制方法，簡化結構，提高控制精度。
[0005]( 二)技術方案
[0006]為了解決上述技術問題，本發明提供一種電動六自由度運動平臺高精度控制系統，所述六自由度運動平臺包括上平臺、下平臺、六支電動缸及連接上、下平臺的運動鉸鏈；所述控制系統包括嵌入式控制器、實時以太網總線網絡和驅動器；所述嵌入式控制器與驅動器之間通過基于實時以太網總線網絡協議的網線連接，實現嵌入式控制器與驅動器之間的高速雙向通訊；所述驅動器的數量與電動缸的數量相同，一個驅動器對應一個電動缸形成一個驅動支路；所述嵌入式控制器通過實時以太網總線網絡向驅動器傳送控制指令，電動缸連接伺服電機，驅動器直接驅動伺服電機，由伺服電機驅動電動缸伸縮運動，實現六自由度運動平臺運動。
[0007]其中，所述嵌入式控制器有人機輸入和輸出接口，可連接鍵盤、鼠標、顯示器，實現人機交互界面；所述鍵盤和鼠標用于控制指令的人工手動輸入，顯示器用于對六自由度運動平臺的位置姿態和故障情況進行監控、輸入輸出。
[0008]其中，所述六自由度運動平臺各驅動支路中，電動缸和驅動器之間有動力電源線和編碼器反饋線連接，六自由度運動平臺的位置信息反饋通過編碼器反饋線反饋至嵌入式控制器，進一步通過顯示器進行監控。
[0009]其中，所述電動缸行程兩端極限位置分別安裝一個限位開關，將到位信號直接反饋給嵌入式控制器開關量輸入，控制電動缸行程超限。
[0010]本發明還提供了一種電動六自由度運動平臺高精度控制方法，其包括以下步驟:
[0011]首先，通過人工輸入或調用工作文件的方式給定平臺的目標位姿，嵌入式控制器根據平臺目標位姿和當前位姿在平臺工作空間進行運動軌跡在線規劃；
[0012]然后，在平臺運動過程中進行實時插補運算和運動學反解運算，計算出連接上、下平臺的運動鉸鏈所在關節空間的控制矢量，控制矢量包括位移和速度；
[0013]接下來，嵌入式控制器將各驅動支路的控制矢量通過實時以太網總線網絡發送給驅動器，驅動器內部集成了單驅動支路的閉環控制算法，驅動器根據目標參數，自行完成各軸電動缸的伺服閉環控制算法，使平臺按照規劃的軌跡運動到目標位姿；同時，平臺各驅動支路的運動參數由驅動器反饋至嵌入式控制器，由顯示器實現平臺實時位姿的監控顯示。
[0014]其中，所述平臺按照規劃的軌跡運動到目標位姿為實時運動控制任務，其設置為高優先級任務；所述平臺位姿的監控顯示設置為低優先級任務，該低優先級任務任務周期為高優先級任務任務周期的若干倍。
[0015]其中，所述實時運動控制任務的過程為:
[0016]初始化，讀取人工輸入或文件輸入命令，對命令解釋轉換為系統可識別的指令；接下來確定是否需要運動，將與運動有關的軸和閘就位，就位成功之后，再確認可以運動，進行軌跡規劃，獲得位移、速度、加速度之間的函數關系，在平臺工作空間進行實時插補子程序，確定平臺實時運動控制任務中每個任務周期的目標控制序列，再接著進行反解運算，獲得關節空間中的控制矢量，實行軸控制，插補子程序是持續進行的，隨著軸的運動邊走邊算，軌跡完成，插補結束，結束程序則軸使能取消，抱閘，程序不需要結束則循環控制。
[0017]其中，所述平臺的點到點位姿變化的軌跡規劃過程為:
[0018]首先確定軌跡起點和位姿終點，計算規劃路徑長度，計算運動總時間、規劃加速段時間和減速段時間；然后判斷運動總時間是否過短，過短的話則不設置勻速段，只設置加速段和減速段，此時總時間就等于加減速段時間和；總時間不短時，則設置加速段、勻速段和減速段，調用五次多項式系數計算規劃加速段、減速段曲線。
[0019]其中，所述平臺的實時位姿通過運動學正解的方法求得，具體采用數值迭代法或實時迭代跟蹤法實現。
[0020](三)有益效果
[0021]上述技術方案所提供的電動六自由度運動平臺高精度控制系統及控制方法，控制系統為基于工業實時以太網的硬件體系結構，實時性高，各支路運動同步性好，還具有可靠性高、結構簡約、擴展靈活、易于維護等優點；根據軟件實時性和代碼計算量的區別，將程序分成優先級和周期不同的兩個任務:實時運動控制程序和監控顯示程序；軌跡在線規劃算法可對平臺運動的位移、速度和速度進行實時規劃，使平臺運行軌跡平滑穩定，定位精度高；基于靈活的軟件設計平臺不僅能實現運動模擬，還能實現高精度多自由度定位。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明實施例電動六自由度運動平臺高精度控制系統的硬件組成原理圖；
[0023]圖2為本發明實施例電動六自由度運動平臺高精度控制方法的控制原理圖；
[0024]圖3為本發明實施例電動六自由度運動平臺實時運動控制主程序邏輯線路圖；
[0025]圖4為本發明實施例電動六自由度運動平臺控制方法中軌跡規劃子程序流程圖；
[0026]圖5為本發明實施例電動六自由度運動平臺控制方法中正解迭代算法流程圖。
【具體實施方式】
[0027]為使本發明的目的、內容和優點更加清楚，下面結合附圖和實施例，對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。
[0028]參照圖1所示，本實施例中的六自由度運動平臺臺體為Stewart構型并聯機構，采用全電驅動方式，包括上平臺、下平臺、6支電動缸及連接上、下平臺的運動鉸鏈。
[0029]基于上述六自由度運動平臺的結構，本實施例平臺控制系統硬件采用基于工業實時以太網的多軸伺服系統方案，硬件組成原理見圖1所示，具體地，所述控制系統包括嵌入式控制器、實時以太網總線網絡和驅動器；所述嵌入式控制器與驅動器之間通過基于實時以太網總線網絡協議的網線連接，實現嵌入式控制器與驅動器之間的高速雙向通訊；所述驅動器的數量與所述六自由度運動平臺中電動缸的數量相同，一個驅動器對應一個電動缸形成一個驅動支路；所述嵌入式控制器通過實時以太網總線網絡向驅動器傳送控制指令，電動缸連接伺服電機，驅動器直接驅動伺服電機，由伺服電機驅動電動缸伸縮運動，實現六自由度運動平臺運動。
[0030]其中，嵌入式控制器有人機輸入和輸出接口，可連接鍵盤、鼠標、顯示器，方便開發良好的人機交互界面。鍵盤和鼠標用于控制指令的人工手動輸入，顯示器用于對六自由度運動平臺的位置姿態和故障情況進行監控、輸入輸出。
[0031]六自由度運動平臺各驅動支路中，電動缸和驅動器之間有動力電源線和編碼器反饋線連接，六自由度運動平臺的位置信息反饋通過編碼器反饋線反饋至嵌入式控制器，進一步通過顯示器進行監控。為了保護電動缸，在電動缸行程兩端極限位置分別安裝一個限位開關，將到位信號直接反饋給嵌入式控制器開關量輸入，控制電動缸行程超限，用于控制過程出現異常時的輔助保護，即觸及限位開關時，給出反饋信號。
[0032]本實施例控制系統是一種多軸高速實時控制系統，6個軸的伺服控制周期可設定在Ims以下，平臺各驅動支路的協調控制建立在此優越的硬件性能基礎上，且該系統硬件組成結構緊湊，接線簡單，可靠性高。
[0033]基于上述電動六自由度運動平臺高精度控制系統，本實施例進一步介紹對應的控制方法，圖2給出了控制原理的實現過程，具體為:首先需要通過人工輸入或調用工作文件等方式給定平臺的目標位姿，嵌入式控制器根據平臺目標位姿和當前位姿在平臺工作空間進行運動軌跡在線規劃；然后在運動過程中進行實時插補運算和運動學反解運算，計算出運動鉸鏈所在關節空間的控制矢量，控制矢量包括位移和速度；嵌入式控制器將各驅動支路的控制矢量通過實時以太網總線網絡發送給驅動器，驅動器內部集成了單驅動支路的閉環控制算法，驅動器根據目標參數，自行完成各軸電動缸的伺服閉環控制算法，使平臺按照規劃的軌跡運動到目標位姿。另外，平臺各支路的參數如位移、速度、加速度、電機電流、溫