摘 要：將SynqNet技術與LabVIEW應用于精調Stewart平臺的運動控制系統(tǒng)中，介紹Stewart平臺硬件結構及其控制原理，設計基于LabVIEW的Stewart平臺控制系統(tǒng)軟件，重點闡述控制系統(tǒng)軟件的主要功能模塊及實現(xiàn)。實驗表明該系統(tǒng)在控制精度、穩(wěn)定性、容錯能力、數(shù)據(jù)處理和人機交互等方面達到比較滿意的效果。

關鍵詞：FAST；LabVIEW；Stewart平臺；SynqNet運動控制

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1818803

Design and Realization of Control System for Stewart Platform Based on LabVIEW

CHEN Guangjing1，MO Chunxiao2，CHEN Guangda2，ZHANG Zhanguo2

(1.Xi′an Communication Institute，Xi′an，710106，China;2.School of Electromechanical Engineering，Xidian University，Xi′an，710071，China)

Abstract：Applying SynqNet and LabVIEW in Stewart motion control system，the paper introduces the hardware structure and contol principle of the Stewart platform.The Stewart platform control system software is designed based on LabVIEW.And this paper focuses on the main function module and realization of the control system software.Experiments show that the system achieve satisfactory results in the control accuracy，stability，fault tolerance，data processing and humancomputer interaction etc.

Keywords：FAST;LabVIEW;Stewart platform;SynqNet motion control

1 引 言

世紀之交，各國積極開展外太空探索新工程。1999年3月中國天文界提出建造世界最大的單口徑射電望遠鏡 —— 500 m口徑球面射電天文望遠鏡（FAST）\\。

該項目計劃擬在貴州省一個具有喀斯特地形的地方，建造一個500 m口徑的LT天線陣的先導模型。整體效果如圖1所示，在半徑為500 m的反射面周圍上，分布著6根塔柱，饋源艙吊在空中。通過塔柱與饋源艙的6根懸索的伸縮來調節(jié)該艙的位姿，以實現(xiàn)其對某天空目標的觀察。

Stewart 平臺是并聯(lián)機器人的一種重要形式，在大射電望遠鏡指向跟蹤系統(tǒng)中是利用Stewart 平臺作饋源艙的精調子系統(tǒng)（如圖2所示）。

在該系統(tǒng)中要求Stewart 平臺系統(tǒng)實現(xiàn)高精度、高實時性運動，其控制精度直接決定著饋源的定位精度。本文基于圖形化語言LabVIEW優(yōu)勢開發(fā)Stewart平臺控制系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)對精調Stewart平臺的測量數(shù)據(jù)接收、閉環(huán)運動控制、電機狀態(tài)監(jiān)控等功能。

2 精調Stewart平臺硬件總體結構

Stewart精調平臺采用“PC + 運動控制卡 + SynqNet網(wǎng)絡伺服驅動器”的開放式系統(tǒng)架構(如圖3所示)。其中，PC機主要完成：軌跡規(guī)劃、人機交互、系統(tǒng)維護等工作；控制卡采用Motion Engineering Inc.公司XMPSynqNetPCIRJ運動控制卡，它是整個運動控制的核心，主要完成多軸的位置環(huán)協(xié)調控制任務。

SynqNet\\是一個高性能、全數(shù)字的開放性同步運動控制網(wǎng)絡，它基于一種實時、同步數(shù)字網(wǎng)絡專利技術及雙冗余數(shù)據(jù)通道設計，從而可在各種復雜應用中實現(xiàn)卓越的運動性能，并確保機器運行的高可靠性。采用SynqNet運動控制現(xiàn)場總線作為控制卡和驅動器的通信界面不僅布線簡單，且工控機不需要放在饋源艙內，可以放在地面的控制室內，便于實驗操作和兩級復合控制。

3 Stewart平臺控制系統(tǒng)原理及軟件實現(xiàn)

3.1 Stewart平臺控制系統(tǒng)原理

在實際應用中，Stewart平臺會遇到外力干擾而使平臺運動軌跡偏離預期運動軌跡。針對此問題，使用美國精密工程公司的最新激光跟蹤儀(TrackerⅢ型號)對動平臺的位姿跟蹤測量\\。通過采集固定在上平臺的6D測量頭STS的數(shù)據(jù)，將上平臺的實際位置和姿態(tài)反饋給控制計算機?？刂朴嬎銠C根據(jù)上平臺實際位姿信息和下平臺的理論運動軌跡，通過控制算法實時控制下平臺按預定的軌跡運動，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制，如圖4所示。

3.2 Stewart平臺控制系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件采用LabVIEW設計，LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實驗室虛擬儀器工程平臺）\\是目前國際上應用最廣的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境之一，主要應用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示等領域，并適用于Windows XP等不同的操作系統(tǒng)平臺。與傳統(tǒng)程序語言不同，LabVIEW采用強大的圖形化語言（G語言）編程，面向測試工程師而非專業(yè)程序員，編程非常方便，人機交互界面直觀友好，具有強大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力等特點。值得一提的是LabVIEW獨有的優(yōu)勢：天然的并行性，或稱之為天然的多線程。用LabVIEW一個初學者可以輕而易舉地實現(xiàn)多線程編程，而對于其他語言，開發(fā)多線程程序是一件復雜而艱巨的工作。

3.3 多線程任務與Vi子函數(shù)制作

為了使用運動控制卡廠商提供的大量基于C語言的庫函數(shù)，這里采用LabVIEW與VC6.0混合編程。首先，在VC下使用庫函數(shù)編程并生成DLL(動態(tài)鏈接庫)；然后，使用LabVIEW的CLF節(jié)點，將DLL導入到LabVIEW中，封裝成一系列子VI；將這些子VI加入到LabVIEW的函數(shù)面板中，就可以像LabVIEW自帶的函數(shù)一樣使用。

程序采用多線程架構，根據(jù)系統(tǒng)所要完成的功能，將每個子任務劃分為一個獨立的線程。各個線程通過隊列、信號量等方式協(xié)調運行，完成整個控制任務。

下面分別介紹主要的功能模塊：

(1) 測量數(shù)據(jù)接收線程。該模塊主要完成接收激光跟蹤儀發(fā)送來的測量數(shù)據(jù)，包括TCP/IP通訊及測量數(shù)據(jù)預處理操作等，該線程的LabVIEW源程序如圖5所示：

當TCP監(jiān)聽到測量計算機發(fā)送數(shù)據(jù)后，則進入定時執(zhí)行的while循環(huán)。此處采用定時循環(huán)結構，定時源為1 kHz，周期定為3 ms。每次從端口讀取48個數(shù)據(jù)并經(jīng)過轉化在用戶界面實時顯示，同時將其送入“API數(shù)據(jù)隊列”供控制算法線程使用。定時循環(huán)將一直執(zhí)行，直到用戶按下停止按鈕停止。

(2) 控制算法線程。 控制算法是軟件控制的核心，該線程的LabVIEW源程序如圖6所示：

此線程采用定時循環(huán)結構，定時源為1 kHz，周期定為10 ms。程序定時判斷API數(shù)據(jù)隊列是否有數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)大于1則將API數(shù)據(jù)出隊列。將上平臺初始位姿數(shù)據(jù)、下平臺理論位姿數(shù)據(jù)及API數(shù)據(jù)經(jīng)過空間坐標轉換后再經(jīng)過PID控制算法后得到新的控制數(shù)據(jù)，并此控制數(shù)據(jù)送進“Control數(shù)據(jù)隊列”供控制指令輸出任務取用。

（3) 控制指令輸出線程。該任務負責將控制指令在恰當?shù)臅r間發(fā)給運動控制卡，程序如圖7所示：

當打開界面的“伺服開關”后，程序進入定時循環(huán)。然后，判斷“Control數(shù)據(jù)”隊列是否有數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)大于1則取數(shù)據(jù)出隊列，送給PT Move.vi進行軸運動控制。同時可以在操作界面輸入時間片的數(shù)值來控制運動的速度。

（4） 人機交互線程。該任務用來完人機交互，負責實現(xiàn)人機界面，分為2部分，一部分用于響應用戶的操作，另一部分用于顯示系統(tǒng)的狀態(tài)和信息。包括：電機的PID參數(shù)設置，運動狀態(tài)顯示，支腿變化誤差曲線等功能，其中顯示模塊基于OpenGL模型，可以3D圖像的形式顯示Stewart平臺的當前位姿。圖8是Stewart精調平臺控制系統(tǒng)主操作界面。

4 實 驗

采用本系統(tǒng)軟件在室內5 m模型做柔性支撐Ste

wart平臺控制實驗，圖9顯示Stewart平臺沿著直徑為50 mm，在做圓形軌跡運動時6個電動缸長度變化實際值與理論值誤差?？梢钥吹秸`差在-0.15~

+0.15 mm之間，而精調平臺要求誤差在3~4 mm，通過實驗驗證控制系統(tǒng)軟硬件可行性。

5 結 語

SynqNet 高性能網(wǎng)絡型運動控制技術特別適合分布式伺服系統(tǒng)進行集中控制。LabVIEW圖形化語言可充分地縮短軟件開發(fā)周期，軟件界面形象生動、編程簡單。將上述2種先進的技術用于精調Stewart平臺的運動控制系統(tǒng)，在控制精度、穩(wěn)定性、容錯能力、數(shù)據(jù)處理和人機交互等方面達到比較滿意的效果，所進行的大量相關實驗工作將為LT500 m實物模型的建設提供了有益的嘗試。

參 考 文 獻

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