趙玉龍，梁建民，吳健楠

(空軍航空大學軍事仿真技術研究所，長春 130022)

0 引言

六自由度電動平臺誕生以來，相應的控制方式也在不斷的更新，經歷了簡單單片機控制階段、高集成運動控制卡硬件伺服算法階段和實時操作系統(tǒng)軟件伺服算法階段［1］。

目前，簡單單片機控制方式已經被后兩種方式取代。因此，國外六自由度電動平臺控制方式的研究主要運用兩種方式［2］：一種是基于自帶DSP的高集成運動控制卡的硬件伺服方式;另一種是基于實時操作系統(tǒng)的運用軟件編寫伺服算法的軟件伺服方式。

基于實時操作系統(tǒng)的軟件編寫伺服算法的軟件伺服方式是該領域的發(fā)展趨勢，由于在編寫伺服算法時可以根據需要融入現(xiàn)代控制理論中的先進算法，進而大大地提高了伺服系統(tǒng)的性能，可以更好的發(fā)揮出六自由度電動平臺的潛力，提高整體性能。但是，這種控制方式下也存在一些不足：一是需要高精度的實時操作系統(tǒng)來進行底層開發(fā)，增加了平臺的研制成本;二是融入現(xiàn)代控制理論先進算法的伺服算法，建立過程復雜，研制周期長，研制成本高。

由于國內沒有自主研發(fā)的實時操作系統(tǒng)，而進口國外的實時操作系統(tǒng)價格昂貴，造成國內少數(shù)科研單位才有能力生產六自由度電動平臺的基于實時操作系統(tǒng)運用軟件編寫伺服算法的軟件伺服方式。

本文以先進的工業(yè)控制PC機為軟硬件平臺，因Windows操作系統(tǒng)的弱實時性不滿足本系統(tǒng)強實時性要求，故本文采用RTX實時擴展子系統(tǒng)，對六自由度電動平臺進行全軟件的伺服控制，目前，國內外沒有通用的軟件包來實現(xiàn)這種工業(yè)控制系統(tǒng)，需要自己開發(fā)一套包括驅動程序在內的軟件系統(tǒng)。

1 六自由度運動平臺組成

六自由度運動平臺系統(tǒng)(如圖1所示)由控制柜和運動平臺組成，其中控制柜由計算機、供電系統(tǒng)、智能控制器，EtherCAT以太網等組成;運動平臺是由六個電動缸通過虎克鉸鏈(或球鉸鏈)將上、下兩個平臺連接而成，下平臺固定在地面上，借助六個電動缸的伸縮運動，完成上平臺在三維空間的六個自由度的運動，從而可以模擬出各種空間運動姿態(tài)。

圖1 電動平臺機構組成

系統(tǒng)對電動平臺的實時位置進行數(shù)據采集，經數(shù)據接口將實時數(shù)據傳送給控制計算機，計算機經過數(shù)據解算，模擬實時接收飛行方程解算出的與控制運動裝置有關的各種信息并通過控制算法對信息進行處理，經驅動器內部D/A變換、伺服放大后成為電動缸的輸入信號，從而驅動電動平臺完成預定的軌跡，其工作原理如圖2。

圖2 電動平臺機構工作原理

2 RTX與EtherCAT實時技術

2.1 RTX技術

RTX是美國Ardence公司推出的基于Windows下的實時擴展子系統(tǒng)，其修改和擴展了系統(tǒng)硬件抽象層，具有128級優(yōu)先級，適合用于工業(yè)過程強實時控制［3］。RTX具有獨立的內核結構，通過在 Windows操作系統(tǒng)的硬件抽象層增加實時擴展來實現(xiàn)基于優(yōu)先級的搶占式實時任務管理和調度，形成與Windows操作系統(tǒng)并列的實時子系統(tǒng)。RTX實時子系RTSS的線程優(yōu)先于所有Windows線程，提供了對IRQ，I/O，內存的精確直接控制，以確保實時任務的可靠性。通過高速的IPC通訊和同步機制，方便地實現(xiàn)與Windws之間的數(shù)據交換［4］。RTX在保留原有系統(tǒng)的所有功能的基礎上，針對Windows系統(tǒng)的“弱實時”特點，對原有系統(tǒng)進行了部份修改，不僅不會影響系統(tǒng)的正常運行，而且提高了系統(tǒng)的實時性能，使系統(tǒng)能夠滿足復雜實時情況的要求［5］。RTX與Windws系統(tǒng)的關系可以概括為圖3所示。

圖3RTX與Windws結構關系

2.2 EtherCAT實時以太網技術

EtherCAT使用主從模式介質訪問機制，主站(工控機)發(fā)送以太網幀到各從站(六電動缸控制器)，數(shù)據幀遍歷所有的從站設備，從站并不是存儲數(shù)據包之后再進行處理，而是在數(shù)據幀傳輸?shù)倪^程中從數(shù)據幀中抽取數(shù)據或將數(shù)據插入數(shù)據幀，這樣大大提高了數(shù)據的傳輸時間，同時它將數(shù)據幀傳輸?shù)较乱粋€EtherCAT從站。最后一個EtherCAT從站發(fā)回經過完全處理的數(shù)據幀，并由第一個從站作為響應報文發(fā)送給控制單元。整個過程只有幾納秒的延遲。

3 實時電動平臺系統(tǒng)設計

針對電動平臺的強實時性高精度跟蹤特點，本文設計了以WindowsXP+RTX為軟件平臺的電動平臺系統(tǒng)軟件，由Windows系統(tǒng)完成數(shù)據顯示和可視化工作，RTX實時操作系統(tǒng)完成控制策略和各種補償器實現(xiàn)。同時主控機與從控機采用EtherCAT實時以太網完成打包數(shù)據的可靠傳輸［6］。

基于電動平臺系統(tǒng)設計要求，在windows界面下建立實時數(shù)據管理模塊和運動參數(shù)管理模塊，本平臺采用基于運動學逆解模型進行運動參數(shù)管理，當計算機接收到來自鍵盤的參數(shù)設定后，通過機械設計軟件ADAMS的快速運動逆解求出六個電動缸的驅動力［7］，經運動參數(shù)管理模塊將解算數(shù)據傳送給共享內存，RTX針對平臺控制指標，采用事先編寫好的模糊自適應控PID控制策略對六自由度電動平臺系統(tǒng)進行控制［8］，同時RTX以100ns的周期實時采集平臺信息，將數(shù)據打包給共享內存，以便于實時數(shù)據管理模塊動態(tài)的顯示當前數(shù)據。電動平臺系統(tǒng)設計如圖4所示。

圖4 電動平臺系統(tǒng)設計

Windows進程和RTX進程通過共享內存完成數(shù)據的交換［9］。RTX子系統(tǒng)下的RTSS進程實現(xiàn)平臺位姿的解算、控制算法的實現(xiàn)、數(shù)據采集以及通信任務，六自由度電動平臺的實時操作系統(tǒng)，通過WindowsXP和RTX共享內存方式實現(xiàn)強實時多任務進程，如圖5所示。在系統(tǒng)運行期間，將數(shù)據直接寫入內存，僅需要拷貝兩次數(shù)據，一是將數(shù)據輸入共享文件，二是將數(shù)據輸出共享文件。數(shù)據存在于共享內存中，直到通信完成為止。不同工作層均可使用其中數(shù)據，可以避免數(shù)據傳輸混亂，提高通信效率。

圖5 強實時多任務結構

經打包的數(shù)據以下行報文的形式傳送給從控機即六個電動缸的獨立控制器，從控機系統(tǒng)采用Ether-CAT以太網環(huán)形拓撲結構，數(shù)據遍歷每一個從控制器，從控制器識別相應的指令信號，從而驅動電動缸完成相應的運動，同時電動缸上相應的編碼器采集缸體信息將其打包以上行報文的形式傳遞給主控機，完成電動平臺系統(tǒng)控制運動。整個過程只有幾納秒的延遲，電動平臺EtherCAT網路主從控制模式關系如圖6所示。

圖6 電動平臺主從工作模式

4 測試分析與實驗研究

4.1 系統(tǒng)測試

為了驗證RTX系統(tǒng)的實時性能，利用RTX提供的Platform Evaluator評估工具，對RTX和Windows這兩種系統(tǒng)的延時進行比較，測試環(huán)境為研祥公司生產的雙核處理器，CPU主頻為2.5GHz的HPC6022工控機，觀察二者對1ms秒定時器的延遲情況，測試結果如圖7。

圖7 系統(tǒng)實時性能測試

可以看出Windows系統(tǒng)對定時器的平均延時為547.4μs，RTX系統(tǒng)對定時器的平均延時為37.8μs，對于實時性能，我們一般以系統(tǒng)最壞情況為衡量指標，對比發(fā)現(xiàn)Windows系統(tǒng)對定時器的最大延時為1050.6μs，RTX系統(tǒng)對定時器的最大延時為142.9μs，由實驗可以看出RTX系統(tǒng)大大的提高了系統(tǒng)響應的實時性。

4.2 實驗研究

本實驗使用RTX環(huán)境下，以太網連接的主從控制系統(tǒng)，通過VC++6.0開發(fā)環(huán)境編寫控制程序，控制策略采用本文設計的基于誤差控制的模糊自適應PID方法，以某型飛機飛行模擬器為對象，機構的主要參數(shù)如下：上平臺及負載總質量為9800kg，上平臺及負載質心初始高度為3.449m，平臺上、下鉸點的外切圓半徑分別為2228mm、3240mm，上、下六邊形短邊所對外接圓的圓心角分別為7.7度、5.3度，電動缸桿長的初始桿長為4.063m，電動缸和絲杠的的質量分別為500kg、200kg，電動缸和絲杠長度分別為3200mm、2000mm。

實驗一：平臺的參考運動軌跡為一個在XY平面上半徑為0.5m，周期為3s的圓軌跡，Z軸高度為2.078m。之所以選圓軌跡進行仿真，是因為圓軌跡不但能驗證平臺在三維空間的定位精度，而且還能驗證平臺運動的實時跟蹤情況。

實驗二：平臺的參考運動軌跡為一幅值為1.2mm的正弦信號，仿真周期為3s，仿真結果如圖7所示。

由圖8圖9的曲線可以看出，實際跟蹤位置能較好的跟蹤指令信號，且跟蹤較為平滑，基本上沒有時間上的延遲，表明上述設計平臺系統(tǒng)已經具有良好的實時性能和跟蹤精度。

圖8 電動平臺圓軌跡位置跟蹤

圖9 電動平臺正弦位置跟蹤

5 結束語

本文以飛行模擬器六自由度運動平臺為研究背景，根據電動平臺系統(tǒng)的強實時性和高精度要求，對傳統(tǒng)的Windows操作系統(tǒng)和RTX實時操作系統(tǒng)在實時精度方面進行了比較，為提高電動平臺動態(tài)響應和系統(tǒng)的實時性，提出了基于RTX的實時伺服控制系統(tǒng)解決方案。通過RTX的強實時性保證電動平臺的控制實時且有效，對設計好的電動平臺系統(tǒng)進行圓弧和正弦跟蹤實驗，實驗結果表明該控制系統(tǒng)具備較高的控制精度、動態(tài)地響應性能和實時性性，滿足了飛行模擬器運動平臺的設計要求。

［1］吳東蘇.輕型飛行模擬器運動平臺先進控制技術研究［D］.南京：南京航空航天大學，2007.

［2］Dongya Zhao，Shaoyuan Li，and Quanmin Zhu.A New TSMC Prototype Robust Nonlinear Task Space Control of a 6 DOF Parallel Robotic Manipulator［J］.International Journal of Control，Automation，and Systems，2010，8(6)：1189 －1197.

［3］張廣春，符文星，閻杰.RTX在負載模擬器控制軟件中的應用［J］.計算機仿真，2009，26(8)：287－290.

［4］Ardence公司.RTX技術白皮書［S］.北京航天捷越(美斯比)科技有限公司，2004.

［5］IEEE 1588-2002：IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for NetworkedMeasurement and Control System［S］.

［6］郇極，劉艷強.工業(yè)以態(tài)網現(xiàn)場總線EtherCAT驅動程序設計及應用［M］.北京：北京航天大學出版社，2010.

［7］劉艷強，王健，單春榮.基于EtherCAT的多軸運動控制器研究［J］.制造技術與床，2008(6)：100－103.

［8］S.Iqbal A.I.Bhatti.Direct Sliding-Mode Controller Design for a 6-DOF Stewart Manipulator.Multitopic Conference，2006.INMIC’06.IEEE.2006：421 －426.

［9］Jeanine Katzel，Mark T.Hoske.Industry Ethernet Protocol［J］.Control Engineering Chinia，2007(4)：34 －39.