度、轉矩等信息也可由驅動器通過總線網絡實時反饋至控制器，實現平臺狀態的實時監控。
[0034]因平臺的控制過程運行于實時操作系統，所以將控制過程分成兩個任務，將實時性要求高的平臺實時運動控制任務設置為高優先級任務，任務周期為2ms ;將平臺位姿顯示(包含計算量大的正解迭代算法)放在一個低優先級任務內執行，任務周期為20ms。
[0035]附圖3給出了平臺實時運動控制任務的主程序邏輯線路圖。
[0036]在控制任務運行的每一個周期，對各個軸的狀態信息包括位移、速度、加速度、電機溫度、電流、轉矩等參數進行實時監控，若出現超限情況即時給出報警提示并停止各軸運動。控制任務對界面輸入的信息也進行判斷，若出現超限或非法輸入則無效并給出相應提不O
[0037]其中具體的控制過程為: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，結束程序的話，軸使能取消，抱閘，程序不需要結束的話，就循環控制。
[0038]平臺的運動軌跡規劃是在工作空間進行的，為了保證運動平滑，將一個點到點的運動分成加速段、勻速段、減速段三部分，加速段和減速段運動軌跡的位移曲線采用五次多項式進行規劃，且在本實施例中認為加減速段軌跡對稱。一個點到點位姿變化的軌跡規劃流程見附圖4，首先確定軌跡起點和終點位姿，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；總時間不短的話，則調用五次多項式系數計算規劃加速段、減速段曲線。根據軌跡規劃的輸出可以得到加速段、勾速段和減速段的位移、速度、加速度曲線。
[0039]以上述點到點運動軌跡規劃為基礎，可對多個自由度復合運動、圓周復合運動、循環運動等多種運動軌跡進行規劃。
[0040]在不借助于外部測量儀器的情況下，平臺的實時位姿只能通過運動學正解的方法求得。平臺的正解不唯一且沒有解析解法，但在變化很小時可采用數值迭代法進行計算，大的位姿變化通過實時迭代跟蹤的方法實現。這里設計跟蹤周期為20ms，通過一個單獨的PLC任務實現，附圖5給出了程序中正解算法的流程圖，該方法通過附圖5所示一目了然，不予贅述。
[0041]本發明經過電動六自由度運動平臺原理樣機試驗驗證，運行穩定可靠，定位精度高。試驗結果表明:±50mm范圍內絕對定位誤差小于±0.1mm，± 10mm范圍內絕對定位誤差小于±0.15mm ;重復定位精度比絕對定位精度更高一個數量級。
[0042]由上述技術方案可以看出，本發明具有以下顯著特點:
[0043](I)平臺控制系統硬件采用基于工業實時以太網的分布式多軸控制系統體系結構，可靠性高、結構簡約，擴展靈活、易于維護，實時性高，使各支路運動同步性好；
[0044](2)根據平臺軟件不同功能對實時性要求和代碼計算量的區別，將程序分成優先級和任務周期不同的兩個任務:高優先級任務運行平臺實時運動控制程序；低優先級任務運行平臺的監控顯示程序；
[0045](3)平臺運動軌跡在線實時規劃算法，可對平臺運行的位移、速度和速度參數進行實時規劃，使平臺運行軌跡平滑穩定，定位精度高；由于平臺控制算法的靈活性，使平臺不僅能實現運動模擬，還能夠實現高精度多自由度定位。
[0046]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一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；其特征在于，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。
2.如權利要求1所述的電動六自由度運動平臺高精度控制系統，其特征在于，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。
3.如權利要求2所述的電動六自由度運動平臺高精度控制系統，其特征在于，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。
4.如權利要求1所述的電動六自由度運動平臺高精度控制系統，其特征在于，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。
5.一種電動六自由度運動平臺高精度控制方法，其特征在于，包括以下步驟: 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； 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； 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。
6.如權利要求5所述的電動六自由度運動平臺高精度控制方法，其特征在于，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。
7.如權利要求6所述的電動六自由度運動平臺高精度控制方法，其特征在于，所述實時運動控制任務的過程為: 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。
8.如權利要求7所述的電動六自由度運動平臺高精度控制方法，其特征在于，所述平臺的點到點位姿變化的軌跡規劃過程為: 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。
9.如權利要求5所述的電動六自由度運動平臺高精度控制方法，其特征在于，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。
【專利摘要】本發明屬于機電一體化與驅動控制技術領域，公開了一種電動六自由度運動平臺高精度控制系統和控制方法，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；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。本發明控制實時性高，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；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。
【IPC分類】G05D1-10
【公開號】CN104731107
【申請號】CN201510137137
【發明人】呂應明, 陳茂田, 趙春海
【申請人】北京特種機械研究所
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月26日