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六自由度運動平臺控制系統總體設計
發布時間:2020-12-16 14:48

  六自由度運動平臺的結構特性

  六自由度運動平臺,由上、下平臺和六個可伸縮的電動缸組成。上、下平臺與電動缸之間,分別通過虎克鉸或球鉸相連,因此上、下平臺分別有6個連接點。上平臺為動平臺,在六個電動缸的驅動下進行空間中的六自由度運動,下平臺為靜平臺,靜止不動,上、下平臺為相似的六邊形,如下圖所示。六自由度并聯機構具有速度快、負載大、精度高等特點,該結構作為運動平臺有著廣泛的應用空間。

  六自由度運動平臺控制原理

  六自由度運動平臺是由六個伺服電機帶動電動缸做伸縮變化運動,六個電動缸并聯設置共同驅動運動平臺。運動平臺的每個電動缸都能夠實現空間中單獨的伸縮運動,因此控制系統通過對六個電動缸的伸縮量的控制,可以驅動上平臺完成空間中的六自由度運動,從而實現上平臺位姿的改變。六自由度分別指的是平臺沿著x、y、z三個坐標軸的平移運動,以及繞三個坐標軸的φx、φy、φz旋轉運動。

  根據六自由度平臺的運動狀態,計算出各電動缸的相應位置和速度指令信號,從而控制運動平臺的動作,保證按照預定的軌跡運動;當運動平臺到達要求的位置時,各電動缸的速度指令信號給定為零,運動平臺就立刻停下來,達到了點位控制的目的。

  隨著技術日益發展,目前對六自由度運動平臺的控制精度、定位精度及動態響應性能的要求越來越高,考慮到六自由度運動平臺對各個電動缸運動的準確和快速等要求,需要對各電動缸的速度和位移進行控制。在運動過程中,需要及時檢測各電動伺服缸的速度和位移信號,速度信號用于閉環控制時跟蹤速度的輸入,位移信號用于位置反饋和監控,從而達到滿足運動平臺的位姿控制。

  六自由度運動平臺功能設計

  從控制角度看,六自由度運動平臺控制系統是一種電動伺服控制系統。要對其進行控制系統的總體設計,就必須先明確該系統的結構特性與工作原理,分析該系統應當包含的功能模塊。然后基于其功能需求,設計出整個系統所需的硬件模塊,畫出控制系統構成圖。而后對硬件部分和軟件部分分別進行設計和規劃,從而完成六自由度運動平臺控制系統的總體功能設計。

  在實際控制過程中,主控單元需要頻繁地執行正反解、軌跡規劃求解等計算任務,且這些任務的計算量都比較大。此外,完備的控制系統還應包括人機交互、實時數據存儲等功能。

  (1)位置控制:本文采用的控制方式主要是位置控制,當系統發出指令時,平臺的六個電動缸能夠按照指令,在系統限定范圍內進行伸縮運動,使運動平臺實現空間中六個自由度的目標運動。

  (2)限位系統:當六自由度運動平臺的某個電動缸超過其運動范圍時,必須有限位系統檢測到這一問題,即刻將限位信號反饋至上位控制系統,系統發出警報,并執行相應保護措施。

  (3)伺服警報:當六自由度運動平臺出現超載警報、電池警報、編碼器通信警報、振動檢測警報、散熱系統過熱警報等問題,系統會立即發出伺服警報,通過關閉伺服或指令脈沖禁止輸入等動作,將伺服電機關閉,及時地保護運動平臺。

  (4)人機界面:控制系統需提供一個用戶使用的界面,操作簡明,方便控制,該界面應包含:控制方案選擇、參數初始化、基本指令輸入輸出等;平臺的位置姿態和電動缸伸縮量、速度等反饋參量及其運動曲線的同步顯示;伺服控制系統當前運行狀態等。

  (5)急停裝置:當系統發出嚴重故障問題警報時,若不能利用控制按鍵及時停止平臺的運動,可以通過急停裝置,直接切斷整個系統電源,令平臺立即停止運動,避免運動平臺受到碰撞損壞等嚴重事故的發生。

  (6)尋零、定位:在人機界面上需要有控制按鍵,可以令平臺自動回歸到零

  點位置,或定位到空間限定范圍內的任一位置。

  (7)自動檢測:系統通電之后,即刻開始檢測伺服控制系統各個構成模塊是否正常運行,并將檢測結果及時向上位機反饋報告。

  六自由度運動平臺控制方案選擇

  為了保證在運動過程中的穩定性和不發生破壞現象,六個伺服電動缸必須做到協調一致的動作??紤]到多軸的同步、協調運動、運動機構的實際應用環境以及六自由度并聯平臺是一種高度耦合的系統,其運動控制相對復雜。

  六自由度運動平臺的運動控制系統選擇有多種形式,根據不同行業的應用,選擇不同的運動控制方案和策略。根據具體項目的預算,以及動態響應性能和精度的要求,來選擇相應的控制系統及實現方案。

  第一種方案:

  考慮到并聯六自由度控制策略實施的方便和現代計算機的計算速度、造價等問題。采用工控機(IPC)+多軸運動控制卡的形式,

  多軸運動控制卡是一種總線形式的板卡,它具有良好的開放性、可靠性和抗干擾性,可通過VC、VB等高級控制語言實現其控制功能。在六自由度運動平臺系統設計的相關研究中,多軸運動控制卡的應用較多,其價格相對較低,且能夠安裝在工控機的卡槽上,無須再添加控制器就可以與外部信號處理電路進行通信,這種一體化的設計避免了硬件結構的冗余繁雜。

  從軟件編程的角度來說,運動控制卡的靈活性較強,只需給用戶提供底層驅動和編程代碼,用戶可根據自己的軟件開發能力和個性需求做出各種相應的的界面和功能。

  在硬件方面,作為完成控制系統的一個部件,要實現控制功能,還需其他輔助部件,如PC、指令設備、傳動裝置等。通常運動控制卡需要一個載體,一個基于工控CPU的系統運行平臺。除了板卡本身,還需配合工控機、高精度定時時鐘和I/O 接口和相應的隔離、差分電路,因此硬件電路的連接和調試過程較為復雜。

  在軟件方面,通常需要確保工控機上有一個實時進程,來運行實時控制算法,來提高系統的響應速度,避免產生滯后。但這種實時系統能夠提供的定時時鐘頻率較低,不能滿足系統要求;而如果首先保證系統的實時性,系統的開放性又會相應地降低,因此這種控制方案存在一定的局限性。

  六自由度運動平臺的控制采用計算機集中控制方式,由一臺IPC完成各電動伺服缸位置指令值的計算,并對并聯六自由度平臺的六根電動缸位移和速度進行監控。多軸運動控制卡通過PCI插槽與PC機相連接,并完成6個電動伺服缸的位移閉環控制,因采控制系統的改變比較靈活,只需要重新編程,就可以更換一種算法。因此,可以根據需要在計算機上實現比較復雜的補償和控制算法。

  第二種方案:

  隨著計算機技術、電子技術和網絡通信技術的進步,機器人運動控制技術取得了突破性發展,以太網總線技術在運動控制領域的應用日趨廣泛。特別是近年來,隨著具有顯著開放式特征的運動控制系統與開放式工業以太網總線的技術融合,伺服運動控制系統向可靠性更高、速度更快、精度更高、穩定性更好的方向發展。

  考慮到運動平臺的結構和配置形式,并結合計算機的控制策略,以及高動態響應的需求,用戶需要一種開放式結構的控制系統,通過自行開發的控制軟件來完成六自由度運動平臺的運動控制要求,因此需要提供強大的運動控制功能作為保障。采用工控機(IPC)或人機界面(HMI)+運動控制器的形式。

  運動控制器是一種高度集成化的專用運動專用控制設備。它能夠將一些通用的運動控制功能固化在其中,用戶可以隨時對這些功能塊或指令進行組態和調用,這樣降低了編程的難度,在提高控制性能的同時,降低了過多附帶硬件和功能模塊所需的成本。與多軸運動控制卡相比,控制器更偏向于集成化,它應該是一個完整的、獨立的硬件平臺。但是控制器軟件的程序寫入,大部分是在控制器內部,利用其自身固有的編程方式寫程序,或者靠上位計算機發送控制信號來執行下面的命令。也就是說,控制器大多帶有相匹配的控制軟件。

  PAC控制器是一種融合了傳統的PLC和IPC的優點,具有獨特理念的模塊化控制裝置。即嵌入式PC的開放式結構控制系統, 控制器采用帶有Inter芯片,是一款強大的CPU,采用嵌入式實時多任務操作系統,任務循環周期最快可達到微秒級別,附加IO處理器,附帶接口模塊擴展插槽,可移動存儲CompactFlash卡,且設備層網絡采用實時以太網,可以實現非常高的實時控制。專門應用于循環周期非常短的項目,能夠處理大量數據,浮點型運算。

  運動控制器是上位機PC端用戶到伺服運動機構的橋梁,通過運動控制器的運動控制,將上位機的控制命令、運動規劃等在執行機構上實現。采用PAC控制器,用于對高精度調整機構的實時、精確控制。運動控制器通過對六臺伺服驅動器進行控制,實現平臺的六自由度運動。實現了并聯機構的正反解算法,并將其集成到運動控制器中。

  采用穩定可靠、通信速率高、受干擾率低、網絡速度快為特點的工業以太網搭建運動控制總線網絡完成運動控制系統的設計。針對運動控制器需要實現的具體功能以及控制系統的實際構成情況,采用“PAC+工業以太網”技術的設計方案??刂葡到y采用“上位機+PAC控制器”的控制形式。整個運動控制系統由上位機、PAC控制器、伺服驅動器、電動缸、機械機構、傳感器等組成。

  上位機軟件負責按要求對機構的運動進行軌跡規劃,并將各種控制命令通過以太網通訊接口下發給PAC控制器;運動控制器對收到的控制命令進行命令解析、狀態獲取、機構運動學模型解算算法及控制算法處理等。根據具體命令執行相應操作。運動控制器經過反解算法解算,將上位機發來的位姿信息轉換成每個電動缸的位置信息;再根據控制器獲取的電機絕對編碼器值,以及磁致伸縮位移傳感器測得的電動缸伸縮量等信息,應用相應的控制算法,得到具體的控制量;通通過工業以太網總線發送運動控制命令給伺服驅動器,實現并聯機構的精確運動。同時,運動控制器可以通過工業以太網獲取到各個驅動器的當前狀態、運動信息及相關數據,通過正解算法得到機構的實時姿態,并將這些信息通過以太網反饋給上位機??刂葡到y具體構成如下圖所示。

  六自由度運動平臺控制策略

  六自由度運動平臺不僅需要點位控制,同時也要考慮點到點之間的過程,這有別于串聯機構的控制策略,串聯機構的控制只考慮到達目標點的準確性和快速性,而不考慮中間過程。

  該控制方法需實時獲取機構末端的位置姿態值,由于傳感器等直接測量方式成本較高,因此多利用運動學正解計算獲得末端位置姿態。此外,平臺工作過程中不合理的運動軌跡會引起沖擊振動等問題,會影響平臺運動精度等性能指標,且可能會損壞平臺的機械結構,減少平臺使用壽命。因此,對包括六自由度并聯機構實時運動學正解及最優軌跡規劃在內的伺服控制技術的研究顯得尤為重要。

  六自由度運動平臺運動控制分為兩種控制策略:一種是關節空間內的閉環控制。平臺運動時,各電動缸伸縮長度伸縮速度不同,各電動缸輸出力矩及所受負載等亦不相同,因此對各電動缸進行單獨的閉環控制,也就是關節空間內的閉環控制。這種控制策略為準閉環控制,在使用時難以實現各電動缸的精確協同,因此對平臺軌跡的控制精度有一定影響。另外一種是工作空間與關節空間內的閉環控制。這種控制策略是直接對平臺的位置姿態進行閉環控制,形成工作空間內的閉環。然后根據計算得到的各電動缸的運動參數,在關節空間內針對各電動缸再進行閉環控制。這種控制策略能夠進一步提高平臺末端的控制精度,而缺點在于計算量比較大,需要進行兩次閉環計算及運動學反解計算,此外還需實時獲得平臺工作空間內的位置姿態值。

  位姿閉環控制器根據輸入的目標位姿與當前平臺的實際位姿計算得到位姿控制量,然后通過運動學反解計算得到各個電動缸對應的控制量,各電動缸根據對應的控制量參數完成閉環控制,整體控制框架為雙閉環結構。本文中,位姿閉環控制器使用PID控制器完成。PID控制器具有結構簡單、穩定性高、可靠性好等優點。其原理框圖如下圖所示。

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