（机械电子工程专业论文）基于labview的stewart平台控制及实现.pdf

摘要 本文基于新一代大射电望远镜光机电一体化创新设计方案，针对馈源指向跟 踪系统高精度轨迹跟踪要求，对精调s t e w a r t 平台及其控制策略等问题进行了深 入研究；设计了r c - n l p i d 控制器实现高精度轨迹跟踪控制；从工程实际出发， 开发了精调s t e w a r t 平台控制系统软件，并进行实验分析。主要内容包括以下三 个方面。 1 分析了新精调s t e w a r t 平台硬件组成，对s t e w a r t 平台的运动学逆问题、系统 的控制策略及s y n q n e t 分布式运动控制进行了深入探讨。 2 研究了非线性p i d 控制与重复控制理论。非线性p i d 控制有较强的抗干扰能 力，具有较好自适应性和鲁棒性；重复控制具有高精度信号跟踪作用，并能有效 抑制周期干扰信号。因此结合非线性p i d 和重复控制各自优点，设计r c - n l p i d 控 制器，并以单个电动缸伺服系统为控制对象进行了仿真实验，实验结果表明了控 制算法的可行性。 3 l a b v i e w 是当前最流行的虚拟仪器软件，其图形化开发环境可以大大提高 软件开发的速度。本文根据项目的要求，采用l a b v i e w 开发了精调s t e w a r t 平台控 制软件，并详细介绍了l a b v i e w 与c 语言混合开发过程；通过实验验证了控制算法、 轨迹规划、软硬件等设计的可靠性和有效性。 本文工作从理论和工程两个方面，为实际建造新一代大射电望远镜5 0 0 米原型 打下了坚实的基础。 关键词：大射电望远镜s t e w a r t 平台l a b v i e w 非线性p i d 控制重复控制 a b s t r a c t b a s e do nac o m p l e t e l yn e w d e s i g np r o j e c to fn e x tg e n e r a t i o nl a r g er a d i ot e l e s c o p e i n t e g r a t i n gt e c t o n i c sa n do p t i c st e c h n o l o g i e sp r o p o s e db yp r o f e s s o rd u a n ，t h i sp a p e r s t u d i e st h ef i n e t u n i n gs t e w a r tp l a t f o r m ，c o n t r o ls t r a t e g i e sa n do t h e rr e l a t e di s s u e s ，t h e n d e s i g nar c - n l p i dc o n t r o l l e rt or e a l i z et h eh i 曲p r e c i s et r a j e c t o r yt r a c k i n gf o rt h eh i g h r e q u i r e m e n to ft r a j e c t o r yt r a c k i n go ft h ef e e d s u p p o r t i n gs y s t e mw i t hl a r g es p a nc a b l e s ； s o t t w a r eo fc o n t r o ls y s t e mo ft h es t e w a r tp l a t f o r mi sr e a s o n a b l yd e v e l o p e df r o m e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n a l lt h e s ec a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s 1 t oa n a l y z et h eh a r d w a r eo ft h en e ws t e w a r tp l a t f o r mc o n t r o ls y s t e m t h e nt h e i n v e r s ep r o b l e m so nk i n e m a t i c so ff i n et t m i n gs t e w a r tp l a t f o r m ，s y s t e mc o n t r o ls t r a t e g y a n dd i s t r i b u t e dm o t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do ns y n q n e ti sr e s e a r c h e d 2 t or e s e a r c ht h et h e o r yo fn o n - l i n e a rp i dc o n t r o la n dr e p e t i t i v ec o n t r 0 1 n o n l i n e a r i t yp i dc o n t r o lh a sas t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y ，f a i r l yg o o da d a p t a b i l i t y a n dr o b u s t n e s s r e p e t i t i v ec o n t r o lh a sah i g h - a c c u r a c yt r a c k i n ga ne f f e c tt ot h ep e r i o d s i g n a la n di t a l s oc a nr e s t r a i nt h e p e r i o dd i s t u r b a n c es i g n a l s ot h er c - n l p i d c o n t r o l l e ri s d e s i g n e d ，c o n s i d e r i n gr e s p e c t i v e m e r i to f r e p e t i t i v e c o n t r o la n d n o n l i n e a r i t yp i dc o n t r 0 1 t h e nt h i sp a p e rc a r r i e so u tt h es i m u l a t e de x p e r i m e n t ，t a k i n g s i n g l es e os y s t e ma sa no b j e c t t h er e s u l to fs i m u l a t e de x p e r i m e n ti n d i c a t e st h e c o n t r o la l g o r i t h mv a l i d i t y 3 l a b v i e wi st h em o s tp o p u l a rv i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ea tp r e s e n t t h e d e v e l o p m e n ts p e e do fs o f t w a r ec a nb ei m p r o v e dg r e a t l yu s i n gw i t hl a b v i e w b a s e do nt h er e q u i r e m e n to fp r o j e c t ，t h i sp a p e rd e v e l o p st h es o f t w a r eo fc o n t r o l s y s t e mo ft h es t e w a r tp l a t f o r mw i t hl a b v i e w t h e ni ti n t r o d u c e st h ee x p l o i t a t i o n p r o c e s sc o m b i n e dc 、砘t l ll a b v i e wi nd e t a i l s t h ee x p e r i m e n tv e r i f i e st h er e l i a b i l i t y a n df e a s i b i l i t yo fc o n t r o la l g o r i t h m ，t r a j e c t o r yp l a n ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r e af i r mf o u n d a t i o nf o rc o n s t r u c t i n gt h en e w g e n e r a t i o nl a r g er a d i ot e l e s c o p e 、杭t 1 1t h e c o l l e c t i n ga r e ao f5 0 0 m i sp l a c e df r o mt h et h e o r ya n de n g i n e e r i n g k e y w o r d ：l a r g er a d i ot e l e s c o p e s t e w a r tp l a t f o r ml a b v i e w n o n l i n e a rp i dc o n t r o l r e p e t i t i v ec o n t r o l 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：建盔毖l同期塑盟! 主：12 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解话安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 ， 本人签名： 导师签名： 同期丛：主：! 里 日期二等尘生 第一章绪论 第一章绪论 1 1 大射电望远镜研究背景 为了进一步发展深空探索，全面深入地了解宇宙，探询地外理性生命，上世 纪九十年代以来，越来越多的天文学家意识到需要某种真正国际合作意义的新一 代大射电望远镜，以迎接天体物理在新世纪的挑战。为此，在国际无线电科联 ( u r s i ) 1 9 9 3 年日本京都第2 3 届大会上，包括中国在内的十国天文学家联合发起 建造接收面积为一平方公里的“一平方公里大射电望远镜( 天线阵”的倡议。 此后，中国、加拿大、荷兰、美国、印度等国积极展开了新一代l t 天线阵的争 建工作。 1 9 9 9 年3 月中国天文界提出建造世界最大的单口径射电望远镜一5 0 0 米口 径球面射电天文望远镜( f a s t ) 。该项目计划在贵州省一个具有喀斯特地形的地 方，建造一个5 0 0 米口径的l t 天线阵的先导模型。整体效果如图1 1 所示，在半 径为5 0 0 米的反射面周围上，分布着六根塔柱，馈源舱吊在空中。通过塔柱与馈 源舱的六根悬索的伸缩来调节该舱的位姿，以实现其对某天空目标的观察。 图1 15 0 0 米口径球面射电天文望远镜的示意图 但是在实际应用中，由于舱索系统的非线性、大滞后、大惯性、弱刚度的特 点及风敏感结构的特性，仅依靠悬索的控制，馈源的定位精度很难满足4 m m 内 2 基tl a b v i e w 的s t e w a r t 平台控制及实现 的误差要求。经多次论证，基于上述悬索支撑机电光一体化方烈卜4 1 ，西安电子科 技大学研究组进一步提出了粗精两级复合控制馈源指向跟踪系统构剁5 】：该系统 主要由并联悬索一馈源舱粗调子系统和s t e w a r t 平台精调子系统组成。一方面， 并联悬索一馈源舱子系统提供大范围轨迹跟踪，并保证馈源舱的定位精度在5 0 c m 范围：另一方面，在粗调的基础上，串联一级s t e w a r t 平台子系统，实现4 m m 高 精度轨迹跟踪。由此可见，精调s t e w a r t 平台的实际定位精度、动态性能等各项 性能对整个馈源定位精度极其重要。其效果如图1 2 所示。 图1 2 馈源运动两级调整系统 悬索 在实施f a s t 5 0 0 m 工程之前，需要彻底攻破众多关键技术问题。因此，西安 电子科技大学项目组在西安实地建造了馈源支撑与指向跟踪系统f a s t 5 0 m 及 f a s t 5 m 缩比模型。其中，f a s t 5 0 m 模型的主干是光机电一体化，其细节涉及力 学、机械、电子、控制、电机、测量等众多方面，既有理论分析，又依托大量实 验；既有软件分析，又涉及系统硬件。 本文工作正是基于这一背景展开，通过探讨精调s t e w a r t 平台子系统馈源指 向跟踪系统高精度轨迹跟踪问题以及控制系统的实现问题，进行控制软件开发、 大量科学实验，以证明上述新一代大射电望远镜机电光一体化创新设计方案是完 全可行的，并为将来最终建造5 0 0 米新一代大射电望远镜提供一种理论和工程方 案。 1 2l a b v i e w 简介 l a b v i e w 6 7 ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw b r k b e n c h ) 是由美国 第章绪论 国家仪器( n j 讼司研制的一种业界领先的工业标准图形化编程语言，主要用于j r 发测试、测量与控制系统，l a b v i e w 的特色是用图标代替文本行创建应用程序， 程序中用图标表示函数，用连线表示数据流向。传统文本编程语言根据语句的先 后顺序决定程序的执行顺序，而l a b v l e w 则采用数据流编程方式，程序框图中 节点之问的数据流向决定了程序的执行顺序。 l a b v i e w 提供很多外观与传统仪器( 如示波器、万用表) 类似的控件，可用来 方便地创建用户界面。用户界面在l a b v i e w 中被称为前面板，将控件放置在前 面板后，在程序框图出现对应的图标，将各图标通过连线相连，可对前面板上的 对象进行控制，这就是图形化源代码，又称叫g r a p h i c s ) 代码。前面板上的每一个 控件对应于程序框图中的一个对象，当数据“流向”该控件时，控件就会根据自 己的特性以一定方式显示数据，例如开关、数字或图形。图13 是一个l a b v i e w 程序实例的前面板与程序框图，该例模拟了一个温度检测系统。 哑二二二二二二二】要型 幽13l a b v i e w 程序举例 l a b v i e w 的优势主要体现在以下几个方面： 1 提供了丰富的图形控件，并采用图形化的编程方法，彻底把工程师们从复 杂枯涩的文本编程工作中解放出来； 2 内建的编译器在用户编写程序同时就在后台自动完成了编译。因此用户在 编写程序的过程中如果有语法错误，它会被立刻显示出来； 3 采用数据流模式，它实现了自动多线程，从而能充分利用处理器尤其是多 核处理器的能力： 4 基丁二l a b v l e w 的s t e w a r t 平台控制及实现 4 通过d l l 、c i n 节点、a c t i v e x 、m a t l a b 脚本节点等技术，可以轻松实 现l a b v i e w 与其它编程语言混合编程； 5 l a b v i e w 内含6 0 0 多个分析函数，用于数据分析和信号处理； 6 l a b v i e w 提供了大量驱动与专用工具，几乎能与任何接口的硬件轻松链 接。 l a b v i e w 也是当前最流行的虚拟仪器 8 q 0 1 软件。所谓虚拟仪器是基于计 算机的仪器，其主要的特点是在一个通用硬件的情况下，通过改变软件就可以实 现不同的仪器仪表的功能，相当于软件即硬件! 虚拟仪器的起源可以追溯到2 0 世纪7 0 年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发 展。p c 机出现以后，仪器的计算机化成为可能，甚至在m i c r o s o f t 公司的 w i n d o w s 诞生之前，n i 公司已经在m a c i n t o s h 计算机上推出了l a b v i e w 2 0 以前的版本。l a b v i e w 目前最新版本为l a b v i e w 8 6 ，l a b v i e w 8 6 为多线 程功能添加了更多特性，是进行并行编程的首选。对虚拟仪器和l a b v i e w 长期、系统、有效的研究开发使得n i 公司成为业界公认的权威。 l a b v i e w 以其图形化编程、具有丰富的图形控件等特点，越来越受到广大学 者和工程师的喜好。它也由最初的面向测试、测量与控制领域的专用编程工具， 然后逐步发展为通用的语言。在国外，l a b v i e w 已经成为了高等院校理工科学生 一门独立开设的课程，相信在未来几年虚拟仪器技术也将广泛流行于国内各大理 工科高等院校。本文将l a b v i e w 图形化编程特色与大射电望远镜精调s t e w a r t 平 台控制系统结合，借助l a b v i e w 进行软件系统开发、控制算法仿真、电机控制 等工作，这无疑具有良好意义。 1 3 本文的主要工作 针对新一代大射电望远镜指向跟踪系统的高精度轨迹跟踪要求，本文对精调 s t e w a r t 平台的机构、运动学问题、控制策略及控制算法等问题进行了深入的研究； 从工程实际出发，对控制系统硬件及软件进行了合理的设计与开发，并进行了大 量的科学实验。主要工作归纳为以下几个方面。 1 探讨精调s t e w a r t 平台硬件组成、s t e w a r t 平台运动学及控制策略问题。 在学习了原有s t e w a r t 平台的控制系统的基础上【1 1 1 ，本文进一步分析了新精 调s t e w a r t 平台硬件结构，研究了s t e w a r t 平台的运动学逆解问题，并探讨了系统 的控制策略。精调s t e w a r t 平台控制系统采用s y n q n e t 分布式运动控制方案，这 是新平台结构特色之一。 2 设计r c n l p i d 控制器实现s t e w a r t 平台的高精度轨迹跟踪。 针对精调s t e w a r t 平台系统的结构复杂、难于数学建模，易于受外界干扰等特 第一章绪论 点，设计了基于重复控制补偿的非线性p i d 控制器。非线性p i d 控制器不依赖于被 控对象的具体数学模型，对外部扰动有较强抗干扰能力，系统参数具有较好适应 性和鲁棒性，且保留了线性p i d 控制器结构简单、易于实现的优点。重复控制来源 于内模原理，它的最大特点是对信号作用具有非常高精度的跟踪效果，对周期干 扰信号亦有很好抑制作用。因此本文将非线性p i d 控制与重复控制相结合，取其各 自优点设计了r c - n l p i d 控制器。此控制算法较为简单，易于工程实现，仿真和实 验结果验证了控制算法的有效性和可行性。 3 根据项目要求，应用l a b v i e w 开发s t e w a r t 平台控制系统软件。 系统软件开发工作是本文的核心。软件开发环境主体基于l a b v i e w 8 5 ，采 用l a b v i e w 与v c 6 0 混合编程，这既可以利用l a b v i e w 图形化编程优势快速高 效地开发软件，也可通过它的c 语言接口函数使用其它库函数( 如运动编程接口) ， 方便底层软件的开发。基于l a b v i e w 开发的软件界面美观、友好，尤其在图形 显示方面优点突出，其内部自带的丰富函数可大大缩减开发人员编程时间，使得 开发人员无须过分专注代码实现。 4 进行精调s t e w a r t 平台硬件搭建、软件调试与实验，验证本文的控制策略、 所设计软件及硬件的工程可行性与性能指标。 本文对单个电动缸性能、典型几何运动轨迹跟踪等程序进行了大量的实验， 以验证系统软硬件的性能。实验数据表明控制精度、可靠性等指标均达到了项目 要求，为将来最终建造5 0 0 米新一代大射电望远镜提供了一个良好的实验平台。 5 对论文工作进行总结，展望下一步工作。 第二章精调s t e w a r t 平台及控制系统硬件 7 第二章精调s t e w a r t 平台及控制系统硬件 2 1 引言 s t e w a r t 平台属于一种并联机构。典型的六轴s t e w a r t 平台由六根支腿和六个上 接点与六个下接点将上、下二个平台结合在一起的，可在支腿伸缩作用下，实现 动平台六自由度运动。由于它具有刚度大、负荷自重比高、载荷分布均匀、运动 平稳的特点，适合于高精度、大载荷且对工作空间的要求相对较小的场合，s t e w a r t 平台已在许多领域得到了广泛的应用，成为机器人以及医疗设备、天文仪器等多 种应用领域的研究热点之一。 本文精调s t e w a r t 平台采用的“p c + 运动控制卡+ s y n q n e t 网络伺服驱动器 的开放式的系统架构，此类运动控制架构充分利用了p c 的软硬件资源，采取 s y n q n e t 运动控制现场总线作为运动控制卡与伺服驱动器的通信方式。s y n q n e t 运 动控制是当前运动控制的发展一个重要方向，它不仅能很好地实现了分布式、全 数字运动控制，而且能够很好地满足运动过程和运动轨迹复杂、精度要求高的场 合。同时有较高的性价比，易于软件编程和工程实现。在进行馈源轨迹跟踪过程 中，需要将s t e w a r t 上平台所在的位置和姿态信息实时地反馈给控制计算机，并依 此计算出s t e w a r t 下平台到达馈源所需的支腿变化量，也是s t e w a r t 运动学中常说的 逆运动学求解问题，它是并联机器入一个研究焦点。因此，本章着重研究s t e w a r t 平台的运动学和系统的控制策略问题。 本章主要研究任务：在学习并联机器人机构特点基础上，全面剖析了精调 s t e w a r t 平台硬件组成，对精调s t e w a r t 平台的运动学逆解、平台控制策略等问题深 入探讨。 2 2s t e w a r t 平台介绍 2 2 1 并联机器人特点及发展现状 并联机构( p a r a l l e lm e c h a n i s m ，简称p m ) ，可以定义为动平台和定平台通过至 少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱 动的一种闭坏机构1 1 2 1 。 1 9 6 5 年，英国工程师s t e w a n 在他的论文ap l a t f o r mw i t h6d e g r e e sf r e e d o m ) ) 1 1 3 】 中首次将s t e w a r t 机构作为一种六轴并联式空间机构的设计提出的，并将其推广应 8 基了：l a b v i e w 的s t e w a r t 平台控制及实现 用为飞行模拟器的运动产生装置。随后，s t e w a r t 机构逐渐成为飞行模拟器的标准 机构，图2 1 所示为典型的s t e w a r t 并联机构。 1 9 7 8 年，澳大利亚机构学家h u n t 1 4 j 从机器人的角度论述了并联机构，他指出 s t e w a r t 机构更接近于人体的结构，此后s t e w a r t 机构又被称为并联机器人。1 9 7 9 年 m a c c a l l i o n 根据s t e w a r t 机构设计出第一台作为机械手臂的并联机器人，将其用于自 动化装配上。但是在随后的近1 0 年里，并联机器人研究似乎停滞不前。直到8 0 年 代末9 0 年代初，计算机技术的飞速发展为解决s t e w a r t 机构诸多难点提供了强有力 的支持，s t e w a r t 机构的研究进入了一个新时期，成为国际研究的热点。 图2 1s t e w a r t 并联机构 对并联机器人的研究主要集中在以下几个方面：运动学、动力学、工作空间 问题、控制策略、机构学和应用等等。 动力学问题主要研究驱动器作用在操纵器上的力和力矩，以及它们所带来的 运动。它主要分为两个方面：正向动力学问题和反向动力学问题。正向动力学问 题是给出初始运动状态和驱动力、驱动力矩随时间的变化规律，来求操纵器的运 动；反向动力学问题是给出操纵器的运动，来求出维持该运动的驱动力、驱动力 矩。 运动学问题主要研究关节和末端受动器运动之间的关系，而不考虑这些运动 间的因果关系。它为机器人的研究和应用奠定了基础，主要分为正向运动学问题 和反向运动学问题。正向运动学问题是给出每一个驱动关节的运动，来确定末端 受动器的相应运动；反向运动学问题是给出末端受动器的运动，来确定驱动关节 的运动。 工作空间问题主要研究机器人的几何尺寸和它的工作空间的大小和形状之间 的关系。它为用户提供了机器人设计的准则和仿真的手段，主要分为工作空间分 析和轨迹验证。工作空间分析是给出几何参数，求出工作空间，或根据用户对工 作空间的要求，来求机器人的几何参数；轨迹验证则是已知工作空间，要求出一 第一章精调s t e w a r t 平台及控制系统硬州 段轨迹足否足在工作窄m 内。 控制策略的研究主要是对并联机器人进行动力学分析和建模，并且研究利用 各种可能的控制算法，对并联机器人实施控制，从而达到期望的控制效果。 并联机器人和传统工业用串联机器人相比较，具有以下特点： 无累积误差，精度较高： 驱动装簧可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速 度高，动志响应好； 结构紧凑，刚度高，承载能力大； 完全对称的并联机构具有较好的各向同性； 工作空间较小。 由此可见，并联机器人在需要高刚度、高精度或者大载荷而无须很大工作空 间的领域内得到了广泛应用。目前应用的几个主要方向有：运动模拟器、并联机 床、微操作机器人、力传感器等。 图2 2 波音7 3 7 4 0 0 飞行模拟器削2 3 装配并联机器人 2 2 ，2 精调s t e w a r t 平台系统硬件结构 本文的s t e w a r t 平台是常用的6 - 6 u p s 类型，它由与馈源舱相联的上平台、可 动下平台和六个电动缸组成。电动缸分别通过虎克铰和球铰与上、下平台相联。 伺服电机驱动六个电动缸协调伸缩运动，实现下平台的六自由度运动。其机械结 构如图2 4 所示。 1 0 基rl a b v i e w 的s t e w a r t 平台控制及实现 图2 4s t e w a r t 平台的机械结构照片 在借鉴原有s t e w a r t 平台控制系统优点的基础上【i ”，新平台控制系统的结构框 图如图25 所示，它采用“p c + 运动控制卡+ s y n q n e t 伺服驱动器”高性能运动控 制模式。采取s y n q n e t 运动控制网络作为控制卡和伺服驱动器的通信总线，实现 分布式、全数字的运动控制，控制性能和可靠性方面均超越原有系统。由图可见， 整个系统结构简明、布线简单，特别是控制卡和伺服驱动器之间只需要一根普通 网线即可实现数据通讯，在s y n q n e t 协议中单根网线的长度可达1 0 0 米。因此， 工控机可以放在地面的控制室内，而不必放置在馈源舱内，大大减少了舱内器件 的体积，便于实验操作和两级复合控制。 圈25s t e w a r t 平台控制系统框图 第二章精调s t e w a r t 平台及控制系统硬件 ii 整个精调s t e w a r t 控制系统组成部件由上至下分别为：工业控制p c 机、 x m p - s y n q n e t p c 运动控制卡( 以下简称运动控制卡) 、s y n q n e t 伺服驱动器、电动 缸、s t e w a r t 动平台。其中p c 机主要完成：轨迹规划、控制算法运算、指令输出、 人机交互等工作；运动控制卡采用m o t i o ne n g i n e e r i n gi n c 公司的 x m p s y n q n e t p c i i u 运动控制卡，主要完成多轴的位置环和速度环协调控制， 响应用户程序指令命令，进行精细的轨迹插补，并负责s y n q n e t 通讯任务和各种 状态的监控等任务；s y n q n e t 伺服驱动器选取k o l l m o r g e n 公司的s e r v o s t a rc d s y n q n e t 伺服驱动器，主要完成伺服电机的力矩环控制；电动缸是丹纳赫公司的 t n b 2 3 1 0 5 a 精密直线执行器，所配电机为k o l l m o r g e n 公司的a k m 2 3 d 交流伺 服电机。各模块详细介绍如下： ( 1 ) x m p s y n q n e t p c i 运动控制卡【1 5 】 该运动控制卡采用3 2 位的运动协处理器，伺服环更新高达2 0 k h z ，可实现机 器的轴与轴之间的高级协调或同步最佳的控制。使用它的软件定义功能 s ) r 1 1 q n e t p c i 能够很容易地被定制，满足绝大多数应用的严格要求。它主要有以 下七个特点： s y n q n e t 网络接1 2 1 提供高速同步网络连接到驱动器和i o 模块，适合于分 布式运动控制系统； 采用3 2 位浮点d s p 和大规模f p g a ，最多支持3 2 根紧密协调的轴； 扭矩更新率最高可达4 8 k h z ( 4 轴) ； 它采用直接存储器映射架构，该架构位于计算机p c i 总线上，可以高效 处理主控计算机与控制器之间的通讯任务； 强大的软件开发支持，可以使用m p i ：一个面向对象的c c + + 编程接口 或m p x 多平台a c t i v e x 进行编程开发； 支持w i n d o w sx p 、l i n u x 等通用操作系统和v x w o r k s 等实时嵌入式操作 系统。 运动控制卡的核心器件是：d s p 和f p g a 。其中，d s p 采用美国模拟器件公 司( a d i ) 的s h a r c 系列3 2 位浮点数字信号处理器，达到4 0m h z 1 5 0m f l o p s 的性能。它主要完成负责轨迹插补和实时控制任务、和主机的通讯等。f p g a 采 用赛灵思公司( x i l i n x ) 的s p a r t a n - 3 系列，主要完成协处理、i o 扩展、时间处理、 以及s y n q n e t 通讯等任务。运动控制卡的主要技术参数如表2 1 所示。 1 2 基于l a b v i e w 的s t e w a r t 平台控制及实现 特点 参数 指标 d s p a d i 公司s h a r c3 2 位浮 处理器点d s p 速度4 0m h z 1 5 0 i f l o p s 外部接口r j 4 5 和c a n d - 9 通讯接口 主机接口 通用p c i 插槽 ( s y n q n e t ) 存储器接口3 2 位直接存储器映射 接口 h d l 5 用户i ，o 缆线6 个间接错误触发口 伺服更新率用户可编程 伺服周期 4 轴更新率最大：2 0 k h z 8 轴更新率最大：1 0 k h z 运动类型位置、速度、加速、加加速3 2 位浮点l l ( 2 ) 伺服驱动器 本系统的伺服驱动器选用k o l l m o r g e n 公司的s e r v o s t a rc ds y n q n e t 交流伺服 驱动器，驱动器型号为l e 0 3 5 6 5 ，它是基于s y n q n e t 运动控制现场总线的高性能 交流伺服驱动器，采用扭矩控制方式完成完整的电流环控制。它具有以下技术特 点和参数t 支持方波增量式编码器反馈，可通过辅助编码器反馈实现主辅双回路反 馈； 快速相位寻找； 扭矩更新率可达1 6 k h z ； 支持远程配置、启动和诊断； 自动的网络配置和检测，各驱动器之间的通讯距离可达1 0 0 米； 支持正负限位和归零触发； 完整的自我保护功能。 ( 3 ) 电动缸 s t e w a r t 平台机构的主要部件是六个滑动关节，它们是下平台运动的驱动部 件，它们的性能优劣直接影响了平台的性能。s t e w a r t 平台的滑动关节一般有液压 第二章精调s t e w a r t 平台及控制系统硬件 和电动两种方式驱动。液压方式承载能力强，但液压元件制造精度要求高，不适 宜远距离输送动力，响应速度较低，且建造和维护成本高。电动方式转动惯量低、 加减速特性较好、响应速度快、体积小、成本低。馈源精调系统具有负载低，响 应速度要求高等特点，因此选用电动驱动方式。 这里s t e w a r t 平台的六个滑动关节，选用d a n a h e rm o t i o n 公司的 t m b 2 3 10 5 a 型精密直线执行器，本文中称之为电动缸，它的主要技术指标如 下： 最大空载加速度：7 7 m s 2 ； 最大空载速度：3 0 5 m m s ； 重复定位精度：o 0 2 5 m m 。 电动缸所配的电机为k o u m o r g e n 公司的a k m 2 3 d 小惯量交流伺服电机。驱动器 和电机组成一个闭环伺服控制系统，完成电机的电流控制环，用户应用程序通过 运动控制接口可以读取电机的位置、限位、指令缓冲区等状态，如图2 6 所示。 2 2 0 v 交流电源 2 4 v 直流电源 网线 使能开关 编码器接口 正负限位 电机 6 , - 4 编码器 正限位开关 负限位( 光 图2 6 驱动器和电机接线图 2 3s t e w a r t 平台运动学问题分析 并联机构的运行学有两个基本问题【l6 j ：正解、逆解问题。正、逆解问题是并 联机构运行学研究的核心内容之一，同时又是分析并联机构工作空间、实现并联 机构控制和精度补偿的重要理论基础。当己知结构几何参数和关节位移量求末端 位姿属于机器人运动学正问题；己知结构几何参数和末端位姿求关节位移量属于 机器人运动学逆问题。在串联机器人的运动学分析中正问题有唯一解，比较容易， 而逆问题有多解：与串联机器人相反，在并联机器人的运动学分析中正问题有多 解，十分复杂，而逆问题简单，并且具有一对一的解析解。 1 4 基于l a b v l e w 的s t e w a r t 平台控制及实现 本文的精调s t e w a r t 平台是由伺服驱动器驱动六条支腿做伸缩运行，来改变各 关节的位移量，从而带动下平台做六维空间运动。当给定动平台在工作空间中的 位置和姿态，求各个关节的位移量，这就是机构的运动逆解。如图2 7 所示，首先 在机构的定、动平台上各建立一个坐标系，动坐标系d 。一x y z ，建立在下平台上， 定坐标系q 一翔眩建立在上平台。在动坐标系中的任一向量r 。可以通过坐标变换 方法变换为固定坐标系中的向量r 。 五= 豫+ q ( 2 1 ) 其中 q = ( 2 - 2 ) 式中d 。为下平台选定的参考点d 。，即动坐标系的原点在固定坐标系中的位置 矢量，丁为下平台姿态的方向余弦矩阵，该矩阵中的第1 、2 、3 列分别为动坐标系 的4 ，乙在固定坐标系中的方向余弦，矩阵丁虽然有9 个元素，但它们皆依赖 于下平台的动坐标系相对于上平台的定坐标系的3 个独立的转角最，p ，砬，矩阵， 的各元素可以具体写成： ic 9 z c 9 vc 9 z s 9 v s 9 ：一s 8 z c 9 xc a , s o , c o ，+ s 9 z s 9 x t = s 9 z s 9 ys 9 z s 8 y s 8 ；+ c 8 9 xs 8 z s 8 f 8 x c 9 z s e 。 q - 3 、) 一s 9 yc 9 y s 9 ；c 9 v c 8 i 其中，c 0 = c o s o ，s 秒= s i n o 。因此确定下平台的位置和姿态的独立参数是6 个， 它们分别是确定下平台动坐标系原点位置的坐标，和确定下平台姿态 的3 个独立转角晚，鼠，芝。 当给定机构的各个结构尺寸后，利用几何关系，可以很容易写出上、下平台各 铰链点 ，e ，f = 1 ，2 ，6 ) 在各自坐标系的坐标值。再由式( 2 1 ) 即可求出上、下平台 各铰链点在定坐标系q 一鼍k 乙中的坐标值。下平台的各铰链点在定坐标系中的 位置向量都可以表示成6 个独立参数的函数，即： 岛= 匆( 如，z 0 ，以，g ，幺) i = l ，2 ，6 ( 2 - 4 ) 这时6 根支杆杆长矢量厶( 江l ，2 ，6 ) 可在定坐标系中表示为： 厶= 岛一忍 ，= 1 ，2 ，6 ( 2 - 5 ) 从而得到机构的位置逆解计算方程： l i = 0 1 0 + l + t i ? i = l ，2 ，6q - q 上式是6 个独立的显式方程，当已知机构的基本尺寸和下平台的位置和姿态后，就 可以利用上式求出6 个驱动器的位移量。 第二章精调s t e w a r t 平台及控制系统硬件 1 5 6 6 图2 7s t e w a r t 坐标系示意图 2 4 精调s t e w a r t 平台控制策略 2 4 1 系统总体控制策略 鉴于并联机器人控制系统比较复杂，如何对各电动缸进行速度和位置运动协 调控制，同时要满足精度实时性等要求，是整个控制系统的一个难点。当前并联 机器人主要有三种控制方法f l7 】：集中控制、主从控制和分布式控制。集中控制是 早期对功能较为简单的机器人的一种控制方式，它采用一台功能较强的微型计算 机实现全部控制功能的方式，这种控制方式要求具有高性能的微型计算机。主从 控制方式由两级计算机组成，两极计算机分工合作共同完成控制任务，它们之间 通过公共内存完成数据通讯，是一种松耦合关系。分布式控制方式是直接把并联 机器人系统看作是一组独立的子系统构成的，在每个关节上驱动装置设计一个局 部控制器以满足整个系统的稳定性要求，采用几个微型计算机来分担整个机构的 控制功能。分布控制方式对微机的要求低、且性价比高。 二级精调s t e w a r t 平台是一个多轴运动控制系统，对于多轴运动控制系统， 各个轴的协调运行是至关重要的。一般的情况下各轴之间的动态响应会有一定的 差异，在高速轮廓控制时会造成显著的误差，因此必须以整体考虑的观点来设计 一个运动控制器。 综合考虑上述并联机器人控制方法和计算机的运算速度、造价等问题，精调 s t e w a r t 平台控制系统采用计算机分布式控制。本文采用的精调s t e w a r t 平台控制 系统框图如图2 5 所示，整个控制系统采用两层结构：由高阶的运动控制器与低 阶的伺服驱动器所组成，运动控制器负责运动控制命令译码、各个位置控制轴彼 此间的相对运动、加减速轮廓控制等等，其主要作用是降低整个系统运动控制的 j 6 基于l a b v i e w 的s t e w a r t 平台控制及实现 路径误差；伺服驱动器负责伺服电机的位置控制，主要在于降低伺服轴的追随误 差。上层运动控制器负责位置环和速度环控制，下层伺服驱动器负责力矩环控制 的控制模式，综合了分布式控制和集中控制的优点，既可以满足各个轴的需要， 又可以使多个轴协调运行。 2 4 2s y n q n e t 分布式运动控制 s y n q n e t 运动控制是当前分布式运动控制的发展一个重要方向，它是d a n a h e r m o t i o n 公司开发的、基于工业以太网的运动控制现场总线【l 引。它是一个高性能、 全数字的开放性同步运动控制网络，采用一种实时、同步数字网络专利技术及双 冗余数据通道设计，从而可在各种复杂应用中实现卓越的运动性能，并确保机器 运行的高可靠性。 高性能的运动网络需要密切管理的定时机制，以确保多个轴的同步和实时更 新。尽管以太网为采用分布式控制的一般应用提供了足够性能，但它的速度过慢， 无法在苛刻的环境中使用，在这些环境中，人们需要使用一个快速同步网络将集 中式运动处理器与多个伺服轴相连。s y n q n e t 是第一个商业性1 0 0 b a s e t ( i e e e 8 0 2 3 ) 网络，提供了集中式控制模型的全部性能优势，在性能、容错、可靠 性和诊断功能上都得到增强。s y n q n e t 专门支持高性能集中式控制系统，具有自 修复操作、基于发现的简单组态以及很高的抗噪声干扰性能。另外，s y n q n e t 还 得到提供众多低成本产品的多家驱动器供应商的支持，提供了独特的性价比优势， 从而被越来越多的行业巨头和原始设备供应商( o e m ) 客户所采用。 s y n q n e t 运动控制总线具有以下特性： 开放式、经现场验证的i e e e8 0 2 3 10 0 b a s e t 物理层； 针对噪声抗扰度和电缆短路的电气隔离、冗余自恢复的容错网络，自动网 络组态和完整性检验，确保网络的可靠性； 节点之间电缆可长达1 0 0 米，利于实现分布控制； 伺服驱动器转矩刷新率高达4 8 k h z ( 2 0 8 3 u s ，z m p 卡带4 轴时) ，确保伺服 准确与快速的兼顾性能，利于实现集中控制，适合控制复杂机器的中央控制体系 结构； 支持多达3 2 个协调轴，实现多轴协调控制； 固件驱动配置可下载，便于