CN104731103B - 一种多层闭环控制策略的Stewart六自由度飞行模拟平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多层闭环控制策略下的Stewart六自由度运动平台，分别为单自由度位置闭环，平台位姿闭环和应用层体感模拟闭环。单自由度位置闭环控制是飞行模拟运动系统控制结构的最内环，通过采集编码器反馈回来的信号，实现闭环控制。平台位姿闭环控制，利用视频目标跟踪技术获取平台的位姿信息，再结合支链正解获得的位姿信息通过数据融合估计，提高位姿信息的真实性。应用层体感模拟闭环控制，即通过加速度计和角加速度计采集飞行员感受到的加速度信息作为反馈，传回上位主机形成闭环，从而提高对运动感的真实模拟。本发明的优点为：有效避免了由于安装误差，机构形变等因素造成的无法准确解算平台位姿的问题，提高了控制精度。

Description

一种多层闭环控制策略的Stewart六自由度飞行模拟平台

技术领域

本发明涉及一种Stewart六自由度平台，属于飞行模拟器领域，具体的说，是一种多层闭环控制的用于飞行模拟器的六自由度电动平台。

背景技术

Stewart六自由度平台能在空间六个自由度上做任一自由度的单自由度运动，也能做任意几个自由度的复合运动。适中的运动范围和清晰的机构拓扑使其被广泛的应用到各种训练模拟器，如飞行模拟器、舰艇模拟器、坦克模拟器、地震模拟器以及动感电影能领域。甚至可用于飞船的空间交会对接。同时，随着军用民用航空事业的蓬勃发展，面向飞行模拟器的Stewart平台运动控制技术具有急迫且广泛的需要和重大意义。

由于Stewart运动平台是一个多输入多输出的高度非线性的复杂并联系统，

因此其控制策略也相对困难。一般来说，并联机构的控制策略按控制器实现的空间可分为支链空间控制和工作空间控制两种。

基于支链空间的控制策略即将各个支链看作单输入单输出系统来设计。中国申请号为201320521324.0实用新型专利公布了一种六自由度电动模拟训练舱，采用Stewart机构平台，可实现六个方向1g的加速度，可模拟漂浮极度颠簸、失重、超重、刹车等状态。但控制系统只在单一电动缸层面实现闭环系统，而对平台来说是半闭环的系统。同时由于忽略了各个支链耦合特性对支链本身动态性能的影响，因此系统的精度和稳定性会受到影响。

基于工作空间控制策略从整体出发，直接关心系统的位姿输出，相比于支链的控制具有一定的优势。哈尔滨工业大学研制的六自由度实验摇摆台，推导了六自由度摇摆台的位置姿态误差模型，从理论上确立了一种位姿精度补偿方法，通过在线查表的方式补偿运动学反解的控制伸缩量。但仍然没有实现位姿控制的真正闭环。申请号为201310181052.9发明专利公布了一种六自由度并联指向平台，其中通过安装在运动副轴线上的位置检测传感器，使用正解算法间接获得上平台相对于下平台的位姿信息，形成位姿空间的闭环。实际应用中由于正解算本身的不成熟及平台存在的关节误差、安装误差以及结构形变，导致平台真实位姿信息很难获得。

另外，从飞行模拟器运动系统的功能上看，对于运动平台的控制最终实现的是模拟飞行过程中飞行员感觉到的动感及过载信息。从应用层面上考虑，运动平台控制系统中需要对输出加速度和角加速度信息的反馈与评价。也即，目前在应用层面来说，没有完善的闭环控制策略。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有控制技术的缺陷，提供了一种多层闭环控制策略下的Stewart六自由度运动平台。

本发明一种多层闭环控制策略的Stewart六自由度飞行模拟平台，包括Stewart六自由度运动平台，包括上平台、下平台与6条结构完全相同的支链，每条支链由作动杆、电动缸构成；其中，作动杆位于支链上端，顶部通过上万向节与上平台连接，末端延伸到电动缸内部，与电动缸内的滚珠丝杆同轴相连；作动杆的伸缩由滚珠丝杆驱动；电动缸内底部具有伺服电机，伺服电机的输出轴与滚珠丝杆相连，驱动滚珠丝杆运动带动作动杆伸缩；电动缸缸体底部通过下万向节与下平台连接。本发明还具有采用三层闭环的飞行模拟运动系统控制结构，由内至外分别为单自由度伺服回路，平台位姿闭环与应用层体感模拟闭环。

其中，单自由度伺服回路用来实现对Stewart六自由度运动平台中各条支链位置信息的准确控制。

所述平台位姿闭环利用视频目标跟踪技术获取Stewart六自由度运动平台的位姿信息，再结合支链正解获得的位姿信息通过数据融合估计，提高Stewart六自由度运动平台位姿信息的真实性。

所述应用层体感模拟闭环，通过加速度计和角加速度计采集飞行员感受到的加速度信息作为反馈，传回上位机形成闭环，从而提高对运动感的真实模拟。

本发明的优点为：

1、本发明多层闭环控制策略的Stewart六自由度飞行模拟平台，通过基于视频跟踪技术的非接触测量方式获得Stewart平台的位姿信息作反馈，有效避免了由于安装误差，机构形变等因素造成的无法准确解算平台位姿的问题，提高了控制精度；

2、从飞行模拟器的全局设计角度考虑，飞行模拟器所完成的任务并不是对于简单的位置和姿态的伺服控制，而是提供模拟器中飞行员头部处的加速度信号与角速度信号，因此本发明多层闭环控制策略的Stewart六自由度飞行模拟平台，应用层面的反馈补偿能提高飞行模拟的真实度，也便于评价飞行指标。

附图说明

图1为Stewart六自由度飞行模拟平台结构示意图；

图2为本发明多层闭环控制策略下的Stewart六自由度运动平台中三层闭环结构框图；

图3为平台位姿闭环中三台相机安装位置示意图；

图4为平台位姿闭环中3组标记贴安装位置示意图；

图5为标记贴结构示意图。

图中：

1-六自由度运动平台 2-飞行模拟运动系统控制结构 101-上平台

102-下平台 103-支链 103a-作动杆

103b-电动缸 103c-上万向节 103d-下万向节

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明多层闭环控制策略的Stewart六自由度飞行模拟平台，包括Stewart六自由度运动平台1与上位机中的飞行模拟运动系统控制结构2；上述飞行模拟运动系统控制结构采用三层闭环结构，由内至外分别为单自由度伺服回路201，平台位姿闭环202与应用层体感模拟闭环203。

Stewart六自由度平台1的结构，如图1所示，包括上平台101、下平台102与6条结构完全相同的支链103，每条支链103由作动杆103a、电动缸103b构成。其中，作动杆103a位于支链103上端，顶部通过上万向节103c与上平台101连接，末端延伸到电动缸103b内部，与电动缸103b内的滚珠丝杆同轴相连。作动杆103a的伸缩由滚珠丝杆驱动。电动缸103b内底部具有伺服电机，伺服电机的输出轴与滚珠丝杆相连，驱动滚珠丝杆运动带动作动杆103a伸缩。电动缸103b缸体底部通过下万向节103d与下平台102连接，下平台102固定在基座上。上述电动缸103b顶端安装有防冲撞装置，以此有效的预防由于电力系统故障造成的上平台101对电动缸103b的损伤。

所述单自由度伺服回路201为6套，每套对应Stewart六自由度平台1的一条支链，包括限位开关、编码器与控制器，分别用来实现对Stewart六自由度运动平台中各条支链103位置信息的准确控制，如图2所示。6套单自由度伺服回路201中，编码器为绝对值编码器，安装于伺服电机输出轴上，用来获取作动杆103a的绝对位置信号。限位开关为四路，安装在电动缸103b的缸体外部，用来输出作动杆103a的极限位置信号。控制器获取上位机发送的支链位移信息，转换为差分脉冲信号发送到六自由度运动平台中的伺服电机，控制伺服电机驱动作动杆103a伸缩；同时，伺服电机内置的绝对值编码器向控制器反馈作动杆103a的绝对位置信号(差分脉冲信号)到控制器，由控制器转换得到作动杆的位移信息；由此，实现了六自由度平台的位移闭环控制。此外，极限位置开关反馈的作动杆极限位置信号也通过控制器采集，用于安全措施及运动过程中的校准。

所述平台位姿闭环201利用视频目标跟踪技术获取Stewart六自由度运动平台1的位姿信息，再结合支链正解获得的位姿信息通过数据融合估计，提高Stewart六自由度运动平台位姿信息的真实性。平台位姿闭环201包括相机、图像处理模块、多传感器数据融合模块、运动学正解模块、平台位姿输入模块、平台运动控制模块与标记贴。其中，相机采用为三台工业相机，通过网络交换机实现与上位机间的通讯。三台相机分别位于Stewart六自由度平台中下平台102三条长边到下平台102中心的连线中点(经典Stewart六自由度平台中上下平台对称，均为具有3条短边与三条长边间隔的六边形平台)，使三台相机呈三角形布局固定在下平台102上表面，如图3所示。标记贴共12张，分为3组，每组4张；3组标记贴分别位于上平台101三条短边到上平台101中心连线的中点四周均布，且靠近中点，如图4所示。通过调整相机，使三台相机的镜头轴线垂直于下平台，且分别过上平台101三条短边到中心连线的中点，可向上拍摄标记贴；进而每台相机对应4张标记贴，获取4张标记贴的图像。上述标记贴采用基于容错编码的设计方案，使用了现代通讯系统中广泛应用的循环冗余码的编解码(CRC)以及前向纠错(FEC)技术，大大增强了标记贴识别的鲁棒性，提高了可靠性。如图5所示，标记贴由黑色矩形边框组成，在黑色边框之内，有6*6的黑白方块，分别代表二进制码“0”和“1”，由此，通过对36位二进制码的识别、纠错和解码，就可以达到识别的目的。其中，编码过程为：标记块的信息字段一共有12位，采用CRC循环冗余码技术，增加长度为24位校验字段，形成了36位码的标记块，编码完成。解码过程为：通过联通域提取算法得到标记贴不可靠的36位编码，采用FEC前向纠错技术对编码进行错码检验与纠正，然后再通过CRC解码技术计算出真实的12位信息字段，从而达到识别标记贴的目的。

平台位姿输入模块用来给出期望的上平台位置姿态信息，包括上平台101中点位置信息x、y、z，与上平台101上设置的座舱姿态角α、β、γ；经过平台运动控制模块转换为6条支链103各自的位移信号，实现对上平台101的运动控制。图像处理模块为三个，分别实时获取的三台相机拍摄的图像信息，并进行处理得到3组上平台101的位姿信息，并将这三路位姿信号传输至多传感器数据融合模块；同时，通过运动学正解模块，对由单自由度伺服回路中控制器得到的六条作动杆位移信息进行运动学正解，从而得到上平台的位姿信息，并传输至多传感器数据融合模块。传感器数据融合模块根据收到的4路位姿信息，利用数据融合算法转换为准确的上平台的位姿信息，发送回平台位姿输入模块，至此，完成了第二层位置和姿态的闭环控制。此设计引入的相机，以非接触的形式实时测量平台的位姿信息作为反馈，能提高上平台101位姿信息的真实性，达到对上平台101位姿的准确控制。

所述应用层体感模拟闭环103，通过加速度计和角加速度计采集飞行员感受到的加速度信息作为反馈，传回上位机形成闭环，从而提高对运动感的真实模拟。应用层体感模拟闭环103包括飞行员头部处动感/过载模块、洗出模块，以及加速度计与角速度计。飞行员头部处动感/过载模块用来输入期望模拟的加速度及角速度，由洗出模块根据输入的加速度及角速度，通过洗出算法，解算出上平台位姿的期望输入信息，发送至平台位姿输入模块。加速度计和角速度计均安装于飞行员头盔上，位于大脑前庭部位，在运动过程中，通过加速度计与角速度计实时反馈飞行员体验到的实际加速度与角速度，发送至飞行员头部处动感/过载模块，与输入的期望模拟的加速度及角速度进行对比实现精准控制。此外，本平台在设计之初，基于一定的理论基础，使设计的平台全工作区域都是无奇异的，从而使上位机算法省去了奇异规避的问题。

Claims (4)

1.一种多层闭环控制策略的Stewart六自由度飞行模拟平台，包括Stewart六自由度运动平台，包括上平台、下平台与6条结构完全相同的支链，每条支链由作动杆、电动缸构成；其中，作动杆位于支链上端，顶部通过上万向节与上平台连接，末端延伸到电动缸内部，与电动缸内的滚珠丝杆同轴相连；作动杆的伸缩由滚珠丝杆驱动；电动缸内底部具有伺服电机，伺服电机的输出轴与滚珠丝杆相连，驱动滚珠丝杆运动带动作动杆伸缩；电动缸缸体底部通过下万向节与下平台连接；其特征在于：具有采用三层闭环的飞行模拟运动系统控制结构，由内至外分别为单自由度伺服回路，平台位姿闭环与应用层体感模拟闭环；

其中，单自由度伺服回路用来实现对Stewart六自由度运动平台中各条支链位置信息的准确控制；

所述平台位姿闭环利用视频目标跟踪技术获取Stewart六自由度运动平台的位姿信息，再结合支链正解获得的位姿信息通过数据融合估计，提高Stewart六自由度运动平台位姿信息的真实性；平台位姿闭环包括相机、图像处理模块、多传感器数据融合模块、运动学正解模块、平台位姿输入模块、平台运动控制模块与标记贴；其中，相机采用为三台工业相机，分别位于Stewart六自由度平台中下平台三条长边到下平台中心的连线中点；标记贴为三组，分别位于上平台三条短边到上平台中心连线的中点处；三台相机分别获取标记贴的图像；平台位姿输入模块用来给出期望的上平台位置姿态信息，经过平台运动控制模块转换为6条支链各自的位移信号；图像处理模块为三个，分别实时获取的三台相机拍摄的图像信息，并进行处理得到3组上平台的位姿信息，并将这三路位姿信号传输至多传感器数据融合模块；同时，通过运动学正解模块，对由单自由度伺服回路中控制器得到的六条作动杆位移信息进行运动学正解，从而得到上平台的位姿信息，并传输至多传感器数据融合模块；传感器数据融合模块根据收到的4路位姿信息，利用数据融合算法转换为准确的上平台的位姿信息，发送回平台位姿输入模块；

所述应用层体感模拟闭环，通过加速度计和角加速度计采集飞行员感受到的加速度信息作为反馈，传回上位机形成闭环，从而提高对运动感的真实模拟。

2.如权利要求1所述一种多层闭环控制策略的Stewart六自由度飞行模拟平台，其特征在于：所述单自由度伺服回路为6套，每套对应Stewart六自由度平台的一条支链，包括限位开关、编码器与控制器；编码器安装于伺服电机输出轴上，用来获取作动杆的绝对位置信号；限位开关安装在电动缸的缸体外部，用来输出作动杆的极限位置信号；控制器获取上位机发送的支链位移信息，转换为差分脉冲信号发送到六自由度运动平台中的伺服电机，控制伺服电机驱动作动杆伸缩；编码器向控制器反馈作动杆的绝对位置信号到控制器，由控制器转换得到作动杆的位移信息；限位开关反馈的作动杆极限位置信号也通过控制器采集。

3.如权利要求1所述一种多层闭环控制策略的Stewart六自由度飞行模拟平台，其特征在于：所述标记贴共12张，分为3组，每组4张；3组标记贴分别位于上平台三条短边到上平台中心连线的中点四周均布，且靠近中点。

4.如权利要求1所述一种多层闭环控制策略的Stewart六自由度飞行模拟平台，其特征在于：所述应用层体感模拟闭环包括飞行员头部处动感/过载模块、洗出模块，以及加速度计与角速度计；飞行员头部处动感/过载模块用来输入期望模拟的加速度及角速度，由洗出模块根据输入的加速度及角速度，通过洗出算法，解算出上平台位姿的期望输入信息；加速度计和角速度计均安装于飞行员头盔上，位于大脑前庭部位，在运动过程中，通过加速度计与角速度计实时反馈飞行员体验到的实际加速度与角速度，发送至飞行员头部处动感/过载模块，与输入的期望模拟的加速度及角速度进行对比实现精准控制。