CN102298320A - 多自由度平台的手柄模拟控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多自由度平台的手柄模拟控制系统，包括：计算机、控制器、数模转换模块、至少两个液压比例阀和与液压比例阀数量相同的位置反馈装置、与液压缸数量相同的手柄模拟装置及位置给定装置；手柄模拟装置的位置信号反馈到控制器，经比例换算滤波处理后生成姿态输入数据；液压缸各位置反馈装置分别与控制器连接，每个位置反馈装置能检测一个液压缸的位置，并将检测到的位置数据输送给控制器；控制器驱动液压缸实现快速响应的多自由平台运动控制系统。该系统结构简单，控制传统的比例阀实现快速响应性，解决了现有伺服阀或者数字液压缸的高成本和应用领域局限性，普通的液压缸完全实现伺服控制的多领域应用。
Description
系统领域
本发明涉及运动仿真系统领域，更具体地说，涉及一种多自由度平台的手柄模拟控制系统。
背景系统
多自由度平台可实现刚体在空间多个自由度的运动。单自由度平台实现沿Z轴(垂直轴)的移动。三自由度平台即实现沿Z轴(垂直轴)的移动及绕X、Y轴(水平轴)的转动。六自由度平台，既实现沿X、Y、Z轴的移动及绕X、Y、Z轴的转动。因此多自由度平台可模拟刚体在空间的运动状态。这个特点使多自由度平台作为运动的模拟平台得以广泛的应用，如飞行模拟器、车辆驾驶模拟器、海浪模拟台、多自由度振动摇摆台、动感电影摇摆台等。目前多自由度平台的控制系统中，大多采用电动控制、数字液压缸或伺服阀，限制了平台的行程、加速度和承载能力，并且成本也比较高。
发明内容
本发明要解决的系统问题在于，针对现有多自由度平台的控制系统中，大多采用电动控制、数字液压缸或伺服阀，限制了平台的行程、加速度和承载能力，并且成本也比较高的缺陷，提供一种多自由度平台的手柄模拟控制系统，使用普通比例阀驱动液压缸，可根据检测到的各液压缸的位移量，由手柄装置生成自由度平台的运动轨迹。
本发明解决其系统问题所采用的系统方案是：构造一种多自由度平台的手柄模拟控制系统，包括：计算机、控制器、数模转换模块、至少两个液压比例阀和与所述液压比例阀数量相同的位置反馈装置、与液压缸数量相同的手柄模拟装置及位置给定装置，其中，
所述手柄模拟装置的位置信号反馈到控制器，经比例换算滤波处理后生成姿态输入数据；
控制器经数模转换模块与各液压比例阀连接，每个液压比例阀驱动其连接的一个液压缸；
液压缸各位置反馈装置分别与所述控制器连接，每个位置反馈装置能检测一个液压缸的位置，并将检测到的位置数据输送给所述控制器；
所述控制器将姿态输入数据运算转换成模拟信号，由数模转换模块控制比例阀，驱动液压缸实现快速响应的多自由平台运动控制系统。
在本发明所述的多自由度平台的手柄模拟控制系统中，所述控制器存储的姿态数据，包括：
根据手柄的位置给定经比例换算滤波处理后生成姿态输入数据，计算机导入数据或上述数据修改的数据。
在本发明所述的多自由度平台的手柄模拟控制系统中，所述控制器包括：接收模块、存储模块和伺服功能模块，其中，
所述接收模块，用于接收各位置反馈装置检测后输送的各液压缸和手柄装置的位置数据；
所述存储模块，用于存储伺服功能模块数据和所述接收模块接收的所述位置数据，以及液压缸各种的运行数据；
所述伺服功能模块，参照所述存储模块存储的姿态数据，控制各液压比例阀，通过实时改变各液压比例阀的流量压力大小对各液压缸进行伺服驱动。
在本发明所述的多自由度平台的手柄模拟控制系统中，所述控制器还包括：
补偿控制模块，用于将所述接收模块接收的各位置反馈装置输送的各液压缸的位置数据与控制器生成的姿态输入位置数据进行比较，将比较结果输送至伺服功能模块，经补偿运算控制各液压比例阀。
在本发明所述的多自由度平台的手柄模拟控制系统中，还包括：
与液压比例阀数量相同的液压缸，分别与各液压比例阀和各位置反馈装置连接。
在本发明所述的多自由度平台的手柄模拟控制系统中，还包括：
接收各位置反馈装置输送的分别与各液压比例阀连接的各液压缸的位置数据；
存储手柄装置生成的姿态数据、液压缸各种运行数据以及计算机导入，或上述数据修改的数据。
在本发明所述的多自由度平台的手柄模拟控制系统中，所述参照存储的伺服功能模块控制各液压比例阀包括：
根据姿态输入数据，按照比例阀的模拟量给定量与液压缸的位置反馈形成的伺服闭环数据。
在本发明所述的多自由度平台的手柄模拟控制系统中，所述伺服功能模块根据接收到的姿态数据与各液压缸的位置数据的比较结果，补偿控制各液压比例阀。
在本发明所述的多自由度平台的手柄模拟控制系统中，还包括：手柄模拟装置和平台部件，所述各液压比例阀和各位置反馈装置分别与各液压缸连接，平台部件设置在各液压缸的升降端上。
由本发明实施方式提供的系统方案可以看出，实施本发明具有以下有益效果为：通过手柄模拟装置的运动生动的姿态数据或者计算机提供的姿态数据，控制器将姿态输入数据运算转换成模拟信号，由数模转换模块控制比例阀，驱动液压缸实现快速响应的动仿真系统。该系统结构简单可靠，控制精度高，既具有快速的动态响应又具备高精度的稳态定位性能和实时性，且成本低。解决了现有多自由度平台系统控制中采用电动控制、数字液压缸或伺服阀等运行行程、加速度和承载能力受限制、成本高的问题。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例提供的多自由度平台的手柄模拟控制系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的多自由度平台的手柄模拟控制系统的控制器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的多自由度平台的手柄模拟控制系统的具体结构图；
图4为本发明实施例提供的多自由度平台的手柄模拟控制系统的设备结构图。
具体实施方式
为了对本发明的系统特征、目的和效果有更加清楚的解释，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的具体实施例提供一种多自由度平台的手柄模拟控制系统，该系统可实现对多个液压缸进行伺服控制，如图1所示，该系统包括：计算机1、控制器2、数模转换模块3(D/A模块)、至少两个液压比例阀4、与液压比例阀数量相同液压缸5、位置反馈装置6、手柄装置7、位置给定装置8；
其中，计算机1监控操作，与控制器2进行通讯，手柄装置7的运动由位置给定装置8反馈到控制器2，或者由计算机1生成的数据，存储在控制器2，控制器2经数模转换模块3与各液压比例阀4连接，每个液压比例阀4能驱动其连接的一个液压缸5；各位置反馈装置6分别与所述控制器2连接，每个位置反馈装置6能检测一个液压缸5的位置，并将检测到的位置数据输送给所述控制器2；控制器2能根据各位置反馈装置6输送的各液压缸的位置数据，参照控制器2存储的姿态数据控制各液压比例阀4，通过各液压比例阀4对各液压缸5进行同步驱动，实现各液压缸的自由度运动。
上述系统中，控制器2存储的姿态数据为：根据手柄的位置给定经比例换算滤波处理后生成成姿态输入数据，计算机导入数据或上述数据修改的数据。
如图2所示，上述系统中的控制器2包括：接收模块11、存储模块12、伺服功能模块13和补偿模块14；
其中，接收模块11与存储模块12连接，用于接收各位置反馈装置检测后输送的各液压缸的位置数据；
存储模块12与伺服功能模块13连接，用于存储姿态数据和所述接收模块接收的所述位置数据；
伺服功能模块13，用于根据存储模块12的姿态数据运算后由数模转换模块3，控制各液压比例阀4，通过各液压比例阀4对各液压缸5进行伺服驱动；
补偿模块14，用于根据存储模块12的姿态数据与各液压缸5的位置数据进行比较，将比较结果输送至所述伺服功能模块13，经所述伺服功能模块13补偿控制各液压比例阀4；
在上述控制系统的基础上，还可以设置与液压比例阀数量相同的液压缸，分别与各液压比例阀和各位置反馈装置连接，形成一种带有液压缸的多轴液压同步控制系统。
在实际应用中，如图3所示，本发明具体实施例的多自由度平台的手柄模拟控制系统，具体可由两套以上液压缸5、驱动各液压缸的液压比例阀4、检测液压缸位置的位置反馈装置6、计算机1、控制器2(可采用单片机或PLC可编程控制器或工控卡安装在计算机内)、D/A模块3(数模转换模块)、手柄装置7、位置给定装置8构成；其中，
计算机1与控制器2通讯，手柄装置7的运动产生的运动轨迹由位置给定装置8反馈到控制器2，控制器2运算后形成姿态数据，转换成电压或电流信号通过D/A模块3控制液压比例阀4，每个液压比例阀4均连接一个液压缸5，在控制器2的控制下液压比例阀4能驱动液压缸5；位置反馈装置6与控制器2连接，用于对每个液压缸5的位置进行检测，并将检测的位置信号(包含检测获得的液压缸的位置数据)输送给控制器2，使控制器2能根据位置反馈装置6反馈的位置信号运算处理后控制液压比例阀4，实现伺服控制各液压缸5。该系统中各液压元件(如液压比例阀与液压缸)之间的相互连接可采用高压软管连接，可在进油口及出油口做出标记；各电气元件之闻的相互连接及外部设备的接线采用端子连接，每个端子分别标有端子排名称及端子号。
上述多自由度平台的手柄模拟控制系统设备中，如2自由度平台、3自由度平台、4自由度平台和6自由度平台等平台部件设置在各液压缸的升降端上，通过控制各液压比例阀驱动各液压缸伺服运动，按照姿态数据的轨迹实现运动仿真。
对上述多自由度平台的手柄模拟控制系统控制过程为：将手柄的位置给定经比例换算滤波处理后生成姿态输入数据，计算机导入数据或上述数据修改的数据，按时间先后顺序传送到伺服功能模块，伺服功能模块按照特定的计算方法后输出电流或电压信号，由数模转换模块输出模拟给定值(该模拟给定值可控制液压比例阀的开口大小，从而决定输送到液压缸的流量和压力，驱动液压缸按给定的轨迹运动，各液压缸位置反馈到控制器，控制器将位置数据存储起来，能够下次调用或者进行修改后调用。采用伺服功能模块，内部进行了一系列复杂的运算，包括液压缸反馈位置与姿态数据的偏差进行补偿给定，确保各液压缸的运转轨迹与姿态数据的重复性和稳定性。
请参阅图4，为本发明实施例提供的多自由度平台的手柄模拟控制系统的设备结构图，该设备包括：伺服控制系统、手柄模拟给定系统、多个液压缸和平台部件，所述各液压比例阀和各位置反馈装置分别与各液压缸连接，平台部件设置在各液压缸的升降端上。
综上所述，本发明实施例提供的多自由度平台的手柄模拟控制系统控制系统，该系统结构简单可靠，控制精度高，既具有快速的动态响应又具备高精度的稳态定位性能和实时性，且成本低。解决了现有多自由度平台系统控制中采用电动控制、数字液压缸或伺服阀等运行行程、加速度和承载能力受限制、成本高的问题。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本系统领域的系统人员在本发明揭露的系统范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种多自由度平台的手柄模拟控制系统，其特征在于，包括：计算机、控制器、数模转换模块、至少两个液压比例阀和与所述液压比例阀数量相同的位置反馈装置、与液压缸数量相同的手柄模拟装置及位置给定装置，其中，
所述手柄模拟装置的位置信号反馈到控制器，经比例换算滤波处理后生成姿态输入数据；
控制器经数模转换模块与各液压比例阀连接，每个液压比例阀驱动其连接的一个液压缸；
液压缸各位置反馈装置分别与所述控制器连接，每个位置反馈装置能检测一个液压缸的位置，并将检测到的位置数据输送给所述控制器；
所述控制器将姿态输入数据运算转换成模拟信号，由数模转换模块控制比例阀，驱动液压缸实现快速响应的多自由平台运动控制系统。
2.根据权利要求1所述的多自由度平台的手柄模拟控制系统，其特征在于，所述控制器存储的姿态数据，包括：
根据手柄的位置给定经比例换算滤波处理后生成姿态输入数据，计算机导入数据或上述数据修改的数据。
3.根据权利要求1所述的多自由度平台的手柄模拟控制系统，其特征在于，所述控制器包括：接收模块、存储模块和伺服功能模块，其中，
所述接收模块，用于接收各位置反馈装置检测后输送的各液压缸和手柄装置的位置数据；
所述存储模块，用于存储伺服功能模块数据和所述接收模块接收的所述位置数据，以及液压缸各种的运行数据；
所述伺服功能模块，参照所述存储模块存储的姿态数据，控制各液压比例阀，通过实时改变各液压比例阀的流量压力大小对各液压缸进行伺服驱动。
4.根据权利要求3所述的多自由度平台的手柄模拟控制系统，其特征在于，所述控制器还包括：
补偿控制模块，用于将所述接收模块接收的各位置反馈装置输送的各液压缸的位置数据与控制器生成的姿态输入位置数据进行比较，将比较结果输送至伺服功能模块，经补偿运算控制各液压比例阀。
5.根据权利要求1～3任一项所述的多自由度平台的手柄模拟控制系统，其特征在于，还包括：
与液压比例阀数量相同的液压缸，分别与各液压比例阀和各位置反馈装置连接。
6.根据权利要求1～3任一项所述的多自由度平台的手柄模拟控制系统，其特征在于，还包括：
接收各位置反馈装置输送的分别与各液压比例阀连接的各液压缸的位置数据；
存储手柄装置生成的姿态数据、液压缸各种运行数据以及计算机导入，或上述数据修改的数据。
7.根据权利要求3所述的多自由度平台的手柄模拟控制系统，其特征在于，所述参照存储的伺服功能模块控制各液压比例阀包括：
根据姿态输入数据，按照比例阀的模拟量给定量与液压缸的位置反馈形成的伺服闭环数据。
8.根据权利要求7所述的多自由度平台的手柄模拟控制系统，其特征在于，所述伺服功能模块根据接收到的姿态数据与各液压缸的位置数据的比较结果，补偿控制各液压比例阀。
9.根据权利要求7所述的多自由度平台的手柄模拟控制系统，其特征在于，还包括：手柄模拟装置和平台部件，所述各液压比例阀和各位置反馈装置分别与各液压缸连接，平台部件设置在各液压缸的升降端上。
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