六自由度控制算法

六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制原理

六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是由六個(gè)伺服電機(jī)帶動(dòng)電動(dòng)缸做伸縮變化運(yùn)動(dòng)，六個(gè)電動(dòng)缸并聯(lián)設(shè)置共同驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的每個(gè)電動(dòng)缸都能夠?qū)崿F(xiàn)空間中單獨(dú)的伸縮運(yùn)動(dòng)，因此控制系統(tǒng)通過對(duì)六個(gè)電動(dòng)缸的伸縮量的控制，可以驅(qū)動(dòng)上平臺(tái)完成空間中的六自由度運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)上平臺(tái)位姿的改變。六自由度分別指的是平臺(tái)沿著x、y、z 三個(gè)坐標(biāo)軸的平移運(yùn)動(dòng)，以及繞三個(gè)坐標(biāo)軸的φx、φy、φz旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)六自由度平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算出各電動(dòng)缸的相應(yīng)位置和速度指令信號(hào)，從而控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)作，保證按照預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)；當(dāng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)到達(dá)要求的位置時(shí)，各電動(dòng)缸的速度指令信號(hào)給定為零，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)就立刻停下來，達(dá)到了點(diǎn)位控制的目的。

隨著技術(shù)日益發(fā)展，目前對(duì)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制精度、定位精度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的要求越來越高，考慮到六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)對(duì)各個(gè)電動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確和快速等要求，需要對(duì)各電動(dòng)缸的速度和位移進(jìn)行控制。在運(yùn)動(dòng)過程中，需要及時(shí)檢測(cè)各電動(dòng)伺服缸的速度和位移信號(hào)，速度信號(hào)用于閉環(huán)控制時(shí)跟蹤速度的輸入，位移信號(hào)用于位置反饋和監(jiān)控，從而達(dá)到滿足運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位姿控制。

六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

從控制角度看，六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)是一種電動(dòng)伺服控制系統(tǒng)。要對(duì)其進(jìn)行控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，就必須先明確該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性與工作原理，分析該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包含的功能模塊。然后基于其功能需求，設(shè)計(jì)出整個(gè)系統(tǒng)所需的硬件模塊，畫出控制系統(tǒng)構(gòu)成圖。而后對(duì)硬件部分和軟件部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)劃，從而完成六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)的總體功能設(shè)計(jì)。

在實(shí)際控制過程中，主控單元需要頻繁地執(zhí)行正反解、軌跡規(guī)劃求解等計(jì)算任務(wù)，且這些任務(wù)的計(jì)算量都比較大。此外，完備的控制系統(tǒng)還應(yīng)包括人機(jī)交互、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(dāng)系統(tǒng)發(fā)出指令時(shí)，平臺(tái)的六個(gè)電動(dòng)缸能夠按照指令，在系統(tǒng)限定范圍內(nèi)進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)，使運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)空間中六個(gè)自由度的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。

(2)限位系統(tǒng)：當(dāng)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的某個(gè)電動(dòng)缸超過其運(yùn)動(dòng)范圍時(shí)，必須有限位系統(tǒng)檢測(cè)到這一問題，即刻將限位信號(hào)反饋至上位控制系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，并執(zhí)行相應(yīng)保護(hù)措施。

(3)伺服警報(bào)：當(dāng)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)出現(xiàn)超載警報(bào)、電池警報(bào)、編碼器通信警報(bào)、振動(dòng)檢測(cè)警報(bào)、散熱系統(tǒng)過熱警報(bào)等問題，系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)出伺服警報(bào)，通過關(guān)閉伺服或指令脈沖禁止輸入等動(dòng)作，將伺服電機(jī)關(guān)閉，及時(shí)地保護(hù)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。

(4)人機(jī)界面：控制系統(tǒng)需提供一個(gè)用戶使用的界面，操作簡(jiǎn)明，方便控制，該界面應(yīng)包含：控制方案選擇、參數(shù)初始化、基本指令輸入輸出等；平臺(tái)的位置姿態(tài)和電動(dòng)缸伸縮量、速度等反饋參量及其運(yùn)動(dòng)曲線的同步顯示；伺服控制系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)等。

(5)急停裝置：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出嚴(yán)重故障問題警報(bào)時(shí)，若不能利用控制按鍵及時(shí)停止平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，可以通過急停裝置，直接切斷整個(gè)系統(tǒng)電源，令平臺(tái)立即停止運(yùn)動(dòng)，避免運(yùn)動(dòng)平臺(tái)受到碰撞損壞等嚴(yán)重事故的發(fā)生。

(6)尋零、定位：在人機(jī)界面上需要有控制按鍵，可以令平臺(tái)自動(dòng)回歸到零

點(diǎn)位置，或定位到空間限定范圍內(nèi)的任一位置。

(7)自動(dòng)檢測(cè)：系統(tǒng)通電之后，即刻開始檢測(cè)伺服控制系統(tǒng)各個(gè)構(gòu)成模塊是否正常運(yùn)行，并將檢測(cè)結(jié)果及時(shí)向上位機(jī)反饋報(bào)告。