六自由度控制算法

六自由度控制算法

六自由度控制算法插图

六自由度运动平台控制原理

六自由度运动平台是由六个伺服电机带动电动缸做伸缩变化运动,六个电动缸并联设置共同驱动运动平台。运动平台的每个电动缸都能够实现空间中单独的伸缩运动,因此控制系统通过对六个电动缸的伸缩量的控制,可以驱动上平台完成空间中的六自由度运动,从而实现上平台位姿的改变。六自由度分别指的是平台沿着x、y、z 三个坐标轴的平移运动,以及绕三个坐标轴的φx、φy、φz旋转运动。

根据六自由度平台的运动状态,计算出各电动缸的相应位置和速度指令信号,从而控制运动平台的动作,保证按照预定的轨迹运动;当运动平台到达要求的位置时,各电动缸的速度指令信号给定为零,运动平台就立刻停下来,达到了点位控制的目的。

随着技术日益发展,目前对六自由度运动平台的控制精度、定位精度及动态响应性能的要求越来越高,考虑到六自由度运动平台对各个电动缸运动的准确和快速等要求,需要对各电动缸的速度和位移进行控制。在运动过程中,需要及时检测各电动伺服缸的速度和位移信号,速度信号用于闭环控制时跟踪速度的输入,位移信号用于位置反馈和监控,从而达到满足运动平台的位姿控制。

六自由度控制算法插图1

六自由度运动平台功能设计

从控制角度看,六自由度运动平台控制系统是一种电动伺服控制系统。要对其进行控制系统的总体设计,就必须先明确该系统的结构特性与工作原理,分析该系统应当包含的功能模块。然后基于其功能需求,设计出整个系统所需的硬件模块,画出控制系统构成图。而后对硬件部分和软件部分分别进行设计和规划,从而完成六自由度运动平台控制系统的总体功能设计。

在实际控制过程中,主控单元需要频繁地执行正反解、轨迹规划求解等计算任务,且这些任务的计算量都比较大。此外,完备的控制系统还应包括人机交互、实时数据存储等功能。

(1)位置控制:本文采用的控制方式主要是位置控制,当系统发出指令时,平台的六个电动缸能够按照指令,在系统限定范围内进行伸缩运动,使运动平台实现空间中六个自由度的目标运动。

(2)限位系统:当六自由度运动平台的某个电动缸超过其运动范围时,必须有限位系统检测到这一问题,即刻将限位信号反馈至上位控制系统,系统发出警报,并执行相应保护措施。

(3)伺服警报:当六自由度运动平台出现超载警报、电池警报、编码器通信警报、振动检测警报、散热系统过热警报等问题,系统会立即发出伺服警报,通过关闭伺服或指令脉冲禁止输入等动作,将伺服电机关闭,及时地保护运动平台。

(4)人机界面:控制系统需提供一个用户使用的界面,操作简明,方便控制,该界面应包含:控制方案选择、参数初始化、基本指令输入输出等;平台的位置姿态和电动缸伸缩量、速度等反馈参量及其运动曲线的同步显示;伺服控制系统当前运行状态等。

(5)急停装置:当系统发出严重故障问题警报时,若不能利用控制按键及时停止平台的运动,可以通过急停装置,直接切断整个系统电源,令平台立即停止运动,避免运动平台受到碰撞损坏等严重事故的发生。

(6)寻零、定位:在人机界面上需要有控制按键,可以令平台自动回归到零

点位置,或定位到空间限定范围内的任一位置。

(7)自动检测:系统通电之后,即刻开始检测伺服控制系统各个构成模块是否正常运行,并将检测结果及时向上位机反馈报告。

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