晁智強，寧初明，李欣澤，韓壽松，陳強

(裝甲兵工程學(xué)院機械工程系，北京 100072)

六自由度平臺控制系統(tǒng)分析

晁智強，寧初明，李欣澤，韓壽松，陳強

(裝甲兵工程學(xué)院機械工程系，北京 100072)

根據(jù)六自由度運動平臺性能特點，對平臺進(jìn)行了基于位置反解的軌跡規(guī)劃，并對平臺控制系統(tǒng)硬件和軟件模塊進(jìn)行了分析，以“PC+PMAC”為結(jié)構(gòu)設(shè)計了六自由度平臺運動控制系統(tǒng)。采用該控制系統(tǒng)，對平臺進(jìn)行了單缸位置跟蹤和軌跡跟蹤性能測試試驗，試驗結(jié)果證明了模型的正確性及基于RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制的工程可行性和有效性，為今后對液壓六自由度運動平臺的進(jìn)一步深入研究提供一個便捷高效的平臺。

六自由度;控制系統(tǒng);運動平臺

液壓驅(qū)動六自由度運動平臺具有剛度大、承載能力強、精度高、動態(tài)響應(yīng)快等特點，并能提供精確的直線往復(fù)運動。六自由度運動平臺可以進(jìn)行道路模擬試驗，再現(xiàn)車輛在實際道路上的振動響應(yīng)，為試驗車輛提供一個非常接近于實際行駛條件的可控制、可重復(fù)的振動環(huán)境，起到“室內(nèi)道路”的作用［1－3］。

該六自由度運動平臺運用于裝甲車輛道路模擬試驗，可以提供給操作者真實的瞬時過載動感、重力分量的持續(xù)感及部分抖動沖擊信息，使運動模擬更逼近真實。試驗具有不受天氣條件制約、試驗周期短、試驗結(jié)果精度高、重復(fù)性和可控性好等優(yōu)點。文中采用“PC+PMAC”結(jié)構(gòu)設(shè)計六自由度運動平臺控制系統(tǒng)來進(jìn)行裝甲車輛道路模擬實驗，利用該系統(tǒng)強大的運動控制能力，有效改善了六自由度平臺的控制性能。

1 軌跡規(guī)劃

六自由度平臺機構(gòu)由6個并聯(lián)設(shè)置的伺服液壓缸驅(qū)動，動平臺的任何一個自由度的運動均會造成6個液壓缸的不同運動，所以六自由度平臺機構(gòu)是一個多變量、強耦合的伺服系統(tǒng)，各伺服液壓缸需要協(xié)調(diào)一致地動作，機構(gòu)在運動過程中才不至于產(chǎn)生不穩(wěn)定和破壞現(xiàn)象。對于六自由度平臺來說，保持某種姿態(tài)或?qū)崿F(xiàn)某種運動實際上是使六自由度平臺的六根伺服液壓缸跟蹤期望軌跡的控制問題。平臺要保持某種姿態(tài)或達(dá)到什么位置，就必須對其運動軌跡進(jìn)行規(guī)劃，因此平臺的運動軌跡的規(guī)劃尤為重要。并聯(lián)機構(gòu)的位姿控制和運動軌跡規(guī)劃問題實質(zhì)上都是機構(gòu)的反解問題，即如何控制驅(qū)動桿來實現(xiàn)期望的運動軌跡。而并聯(lián)機構(gòu)的位置反解簡單且唯一，把參數(shù)化后的位姿曲線方程代入到位置反解中，得到并聯(lián)機構(gòu)驅(qū)動桿的運動規(guī)律，以此來控制各驅(qū)動桿就可以使動平臺按照期望軌跡運動，因此利用并聯(lián)機構(gòu)的運動位置反解方程來規(guī)劃上平臺所期望的復(fù)雜的運動位姿是可行的。位姿控制原理如圖1所示。

軌跡規(guī)劃分為在工作 (任務(wù))空間和驅(qū)動 (關(guān)節(jié))空間兩種，在工作空間規(guī)劃，路徑中有不可達(dá)空間以及有多值解問題的影響，除特殊必要外，一般多在驅(qū)動空間進(jìn)行規(guī)劃。驅(qū)動空間軌跡是指動平臺的每個自由度在運動過程中每一時刻的位置、速度和加速度。六自由度平臺的軌跡規(guī)劃，通常包含以下3個方面內(nèi)容:

(1)根據(jù)系統(tǒng)的任務(wù)要求，對其位姿、運動路徑和軌跡進(jìn)行描述。

圖1 六自由度控制系統(tǒng)原理圖

(2)根據(jù)所確定的軌跡，將上平臺中心點的軌跡進(jìn)行參數(shù)化，生成動平臺每個自由度在運動過程中每一時刻的位置、速度和加速度實時值。

(3)將上平臺中心點的軌跡進(jìn)行位置反解，得到驅(qū)動桿的運動規(guī)律，作為各液壓缸的控制信號。

(4)將實際測得的各液壓缸運動軌跡進(jìn)行位置正解分析，對上平臺的實際控制精度進(jìn)行分析比較。

基于位置反解的軌跡規(guī)劃的優(yōu)點，是可以根據(jù)實際的位姿要求，既可以實現(xiàn)單自由度運動，也可以實現(xiàn)多達(dá)6個自由度的運動。由于并聯(lián)機構(gòu)平臺的位置反解算法有精確的解，所以理論上可以實現(xiàn)位姿的精確還原，同時可對上平臺的位姿控制精度進(jìn)行分析比較。

2 平臺控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 工作原理

六自由度平臺控制系統(tǒng)利用基于“PC+Turbo PMAC”結(jié)構(gòu)和LabWindows CVI 8.0開發(fā)控制軟件，為六自由度運動平臺控制系統(tǒng)實現(xiàn)與驗證搭建硬件和軟件控制平臺。利用平臺的多自由度的優(yōu)勢，對六自由度運動平臺液壓控制系統(tǒng)位置跟蹤精度、頻率響應(yīng)及平臺位姿跟蹤精度進(jìn)行試驗研究，并應(yīng)用六自由度運動平臺對正弦路面進(jìn)行了道路模擬試驗。

2.2 硬件模塊分析與設(shè)計

六自由度運動平臺控制平臺硬件模塊由上位機系統(tǒng)、下位機系統(tǒng)、傳感器模塊三大部分組成，如圖2所示。

上位機系統(tǒng)由一臺PC機組成，主要完成非實時控制任務(wù)，包括系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)置、軌跡規(guī)劃、運動參數(shù)監(jiān)控、人機交互、遠(yuǎn)程通信、數(shù)據(jù)管理、程序的錄入、編輯和存儲等功能。

下位機系統(tǒng)由一臺開放式多軸運動控制系統(tǒng)控制箱組成，主要進(jìn)行系統(tǒng)的實時控制，包括插補計算、位置控制、PLC等控制任務(wù)，用以完成六自由度伺服回路的閉環(huán)控制。控制箱集成了控制平臺工作時的主要信息控制模塊，分為多軸運動控制卡模塊、接口卡模塊、伺服放大卡模塊和電源模塊。

圖2 平臺控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)

2.3 軟件模塊分析與設(shè)計

六自由度運動平臺PC機采用在Windows下多線程編程技術(shù)，并基于圖形窗口界面，實現(xiàn)運動軌跡規(guī)劃、運動軌跡顯示、控制算法規(guī)劃、實時通訊、運行狀態(tài)監(jiān)控及報警顯示、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)管理等功能。

PC機上的控制系統(tǒng)軟件由LabWindows CVI 8.0開發(fā)，根據(jù)面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計了7個主要模塊，分別為系統(tǒng)管理模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、軌跡規(guī)劃模塊、算法規(guī)劃模塊、運動控制模塊、附加功能模塊和幫助模塊，軟件截圖如圖3所示。

所有的運動控制、伺服算法、PLC等實時控制功能都由PMAC上的DSP來完成，以保證系統(tǒng)實時性的要求。PMAC上的系統(tǒng)控制軟件分為系統(tǒng)管理軟件和實時控制軟件。

系統(tǒng)管理軟件主要包括 PMAC初始化模塊和PMAC與PC雙CPU通訊模塊。通訊模塊利用PMAC提供的Pcomm32通訊驅(qū)動器，可大大縮短了用戶通訊程序及應(yīng)用程序的開發(fā)周期，提高了開發(fā)效率。

實時控制軟件主要包括位置伺服模塊、PLC監(jiān)控模塊。位置伺服模塊可以通過設(shè)置PMAC內(nèi)部PID參數(shù)實現(xiàn)，也可以用戶自定義控制算法。PMAC提供了定制的用戶編寫的伺服算法的鏈接，用戶必須在主機上使用匯編工具編寫算法，再將自己的控制算法下載到板卡中。PLC監(jiān)控模塊用于實時提取運動平臺伸縮桿運行狀態(tài)信號，包括當(dāng)前的運行方位、運行速度及是否都達(dá)到位置限位。

圖3 運動軌跡觀察界面

3 平臺性能試驗研究

3.1 單自由度閥控缸系統(tǒng)位置精度實驗

由于六自由度運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的對稱性，且各自由度的硬件性能也基本一致，因此可任選一個自由度作為主要分析對象，進(jìn)行控制策略研究。

圖4和5分別為1號油缸在正弦輸入信號的幅值為10 mm，頻率為1 Hz和4 Hz下，不同控制策略的試驗曲線。

圖4 頻率為1 Hz幅值為10 mm正弦響應(yīng)試驗曲線

曲線1為命令軌跡，曲線2、3、4、5是分別采用PID控制、模糊自適應(yīng)整定PID控制、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制和RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制的實際跟蹤軌跡。由圖中可看出，模糊自適應(yīng)整定PID控制和PID控制對1 Hz正弦信號的跟蹤效果基本相同，而RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制的效果是最好的。對于4 Hz的正弦信號，RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制跟蹤最快，幅值衰減最小。

圖5 頻率為4 Hz、幅值為10 mm正弦響應(yīng)試驗曲線

圖6為1號油缸的電液位置伺服系統(tǒng)在不同控制策略下的方波響應(yīng)試驗曲線，輸入信號幅值10 mm。曲線1為命令軌跡，曲線2、3、4、5分別為采用PID控制、模糊自適應(yīng)整定PID控制、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制和RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制的實際跟蹤軌跡。由圖可知，RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制效果最好，具有較好的方波響應(yīng)特性，上升時間快，超調(diào)量小，其次是RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制，其控制效果也明顯好于另外兩種控制方法。

圖6 方波響應(yīng)試驗曲線

從上面的單缸試驗結(jié)果，可以看出RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制策略的綜合控制效果要明顯好于另外3種控制方法。

六自由度運動平臺各單自由度具有相似的動、靜態(tài)特性是平臺系統(tǒng)具有良好控制性能的必要保證。在系統(tǒng)每次啟動上升到中位和試驗結(jié)束回到初始位置的過程中，可以對6個電液位置伺服系統(tǒng)進(jìn)行比較和調(diào)整，從而盡量保證6個位置伺服系統(tǒng)具有相近的運動特性。

圖7 平臺做升沉運動時6個液壓缸同步響應(yīng)曲線

在相同的輸入信號下，平臺做升沉運動時6個液壓缸的同步響應(yīng)曲線如圖7所示，輸入正弦信號幅值10 mm、頻率1 Hz時6個伺服液壓缸的響應(yīng)曲線。可以看出，各自由度的運動響應(yīng)曲線具有很好的一致性。

3.2 平臺軌跡跟蹤性能實驗

當(dāng)動平臺以一定的形式運動時，可求出驅(qū)動桿上各個構(gòu)件的速度和加速度的變化情況。在這一部分中，給定動平臺中心點運動，對連桿構(gòu)件的運動學(xué)指標(biāo)進(jìn)行仿真。由于空間直線較為簡單，這里以具有代表性的螺旋運動為例進(jìn)行試驗研究。

當(dāng)動平臺作螺旋運動時，動平臺的軌跡只與其活動半徑有關(guān)，動平臺的速度和加速度只與動平臺的軌跡半徑以及角速度有關(guān)，只需調(diào)整動平臺的運動角速度或者動平臺的線加速度，就可以同時調(diào)整動平臺的速度和加速度的各個分量。螺旋運動可以測試平臺的各種運動學(xué)特性，因此試驗過程中采用此軌跡作為動平臺的運動軌跡。以動平臺的幾何中心為激勵點，其運動軌跡參數(shù)化方程如下式所示:

式中:導(dǎo)程S=40 mm，運動周期T=8 s，動平臺初始高度Z0=1 460 mm。

把上式所示的圓錐螺旋曲線參數(shù)化方程代入位置反解式中，可計算出動平臺要實現(xiàn)給定的空間螺旋曲線時各驅(qū)動桿應(yīng)施加的運動規(guī)律，6個油缸的伸長量變化曲線如圖8所示。

圖8 平臺做螺旋運動時各缸伸長量變化試驗曲線

圖9 平臺中心點沿X、Y和Z方向的軌跡

由圖8可以看到，平臺中心點做螺旋運動時，6個油缸伸長量變化的命令軌跡和實際軌跡。由于沒有對六自由度空間位姿進(jìn)行測量的設(shè)備，采用將6個油缸的實際運動軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行運動學(xué)正解的方法求解上平臺中心點的實際運動軌跡。上平臺中心點沿X、Y和Z方向的運動軌跡如圖9所示，上平臺中心點的空間運動軌跡如圖10所示。

圖10 平臺做螺旋運動時上平臺中心點軌跡

3.3 正弦道路模擬試驗

六自由度運動平臺主要用于模擬裝甲車輛在各種復(fù)雜路面上行駛時的實驗條件。利用六自由度運動平臺可以檢測裝甲車輛在各種位置姿態(tài)下的戰(zhàn)技性能指標(biāo)，進(jìn)行裝甲車輛可靠性、人－機－環(huán)等試驗研究。本小節(jié)利用六自由度運動平臺對裝甲車輛行駛的典型正弦路面進(jìn)行了模擬試驗［4］。

正弦路面如圖11所示，波峰為0.075 m，波峰之間的間隔為20 m。正弦路面可以評估車輛的俯仰特性。

圖11 正弦路面地形

假定某型裝甲車以10 m/s的速度勻速直線行駛，忽略車輪大小。根據(jù)地形及車速信息，可以求得車體的姿態(tài)變化。將姿態(tài)變化作為六自由度運動平臺的輸入，可得平臺姿態(tài)響應(yīng)曲線、姿態(tài)跟蹤誤差曲線及6個油缸的伸長量變化曲線如圖12、圖13和圖14所示。

圖12 平臺位姿響應(yīng)曲線

圖13 平臺姿態(tài)參數(shù)跟蹤誤差曲線

圖14 油缸伸長量變化曲線

如圖12所示，實線為期望姿態(tài)軌跡，虛線為實際姿態(tài)軌跡?？梢钥闯?，平臺可以較好的跟蹤給定運動姿態(tài)，再現(xiàn)正弦路面狀況。由圖13可以看出，平臺的實際運動姿態(tài)與期望姿態(tài)有一定的誤差，這主要是由平臺各部件存在裝配間隙及油缸伸長量誤差所造成的。

4 結(jié)論

基于“PC+PMAC”結(jié)構(gòu)的六自由度平臺運動控制系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)開放性、實時性及可靠性不可兼得的矛盾。應(yīng)用六自由度運動平臺，進(jìn)行了正弦道路模擬試驗，并對六自由度運動控制系統(tǒng)上進(jìn)行的單自由度位置跟蹤試驗，并通過運動學(xué)正解的方法對平臺軌跡跟蹤性能進(jìn)行的測試，證明了基于RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制的可行性和有效性。

［1］趙慧，張尚盈，韓俊偉.道路模擬振動臺的控制策略及關(guān)鍵技術(shù)［J］.流體傳動與控制，2008(2):14－17.

［2］楊云，沈毅力，曹陽，等.道路模擬振動臺及其控制系統(tǒng)的研制［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2004，16(5):1044－1046.

［3］FRENCH M.An Introduction to Road Simulation Testing［J］.Experimental Techniques，2000，24(3):37－38.

［4］“Clipper”Board Harware Reference Manual［M］.Delta Tau，2007.

Analysis of Control System of Six Degree of Freedom Platform

CHAO Zhiqiang，NING Chuming，LI Xinze，HAN Shousong，CHEN Qiang
(Department of Mechanical Engineering，Academy of Armored Forces Engineering，Beijing 100072，China)

According to the performance characteristics of six degree of freedom(6-DOF)motion platform，the trajectory for the platform was planned based on an inverse solution of the position，the overall structure and the control system software and hardware of the platform were analyzed，and with“PC+with PMAC”for the structure，the 6-DOF platform motion control system was designed.The performances of a single cylinder position tracking and trajectory tracking were tested by experiments in using the control system.Test results verify the validity of the model，and the project feasibility and effectiveness of PID control based on RBF fuzzy neural network setting，which provides a convenient and efficient platform for further research of hydraulic 6-DOF motion platform in the future.

Six degrees of freedom;Control system;Motion platform

TP242

A

1001－3881(2014)9－044－5

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.09.012

2013－04－26

晁智強 (1967—)，男，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事流體傳動和控制方面的研究工作。E－mail: 747850185@qq.com。