CN104743145A - 一种1/6g低重力平衡吊挂装置的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种1/6g低重力平衡吊挂装置的控制系统。本发明通过对六根吊索的张力和角度控制，实现吊索的恒张力，并且对吊索的状态进行监控。整个控制系统，由上位机和下位机组成，上位机与下位机直接通过工业以太网总线进行指令、数据的通信。下位机各单元由底层控制部分和中央控制芯片组成，底层控制部分包括底层控制器、张力传感器、电机驱动控制器、角度传感器和加速度传感器。底层控制部分进行各吊索的底层控制、传感器信号采集，为中央控制芯片提供控制接口与反馈信号。本发明对月球车能够有效、安全的控制，保证了1/6g低重力环境的模拟。

Description

一种1/6g低重力平衡吊挂装置的控制系统

技术领域

本发明涉及航天测控领域、机器人、设备监控系统领域，具体为一种1/6g低重力平衡吊挂装置的控制系统。

背景技术

月球探测不仅是人类对遥远太空的科学探索，同时也体现了一个国家的综合实力，具有重大的科学、经济、政治和军事意义。在今后的探月过程中，月球探测车将发挥着极其重要的作用。为了完成探月二期工程的任务，需要对巡视器的前进、后退、转弯、爬坡、取物、采样和翻转等基本功能进行试验，这就需要在地球表面搭建模拟月球表面的低重力环境，需要对巡视器进行重力补偿。

由于目前所应用的月表1/6g低重力模拟系统重力机构补偿及测控方法精度低，对巡视器运行的干扰力大，无法真实复现巡视器在月表的运行状况，因此开发新型的高精度柔索重力补偿机构及测控方法来满足空间机器人地面物理仿真试验具有重要的理论及现实意义。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种1/6g低重力平衡吊挂装置的控制系统，对试验用7个吊点的低重力环境模拟装置的控制，通过现场传感器的反馈信息，对7根吊索的张力和角度进行控制，实现整个系统低重力环境的模拟。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种1/6g低重力平衡吊挂装置的控制系统，包括上位机和下位机，

所述上位机为工业计算机，负责采集、显示试验台运行状态信息，根据反馈的数据，适时调整控制策略；同时记录试验数据，生成相应试验报告；

所述下位机由PMAC运动控制卡附以工控机构成，内置多轴运动控制模块和接口模块，用于根据上位机的控制指令控制各执行部件，实现对吊索的恒张力控制。

所述试验台运行状态信息包括位置、速度/加速度、主/被动约束力、静刚度分布、工作行程、动力平衡、碰撞及干涉检查信息。

所述试验报告包括试验报告、设备运行记录报告、设备维护记录报告。

所述上位机和下位机之间通过工业以太网进行通讯。

所述下位机与各执行部件通过现场总线进行命令和数据的发送。

所述各执行部件包括伺服电机、力矩电机、编码器、转盘、力传感器、角度传感器。

所述下位机按功能分为三部分：辅助吊点张力控制单元、辅助吊点跟随控制单元和主调点、行车和转盘控制单元；

辅助吊点张力控制单元，包括收绳电机、角度传感器、力传感器、电动缸和弹簧，负责辅助吊点和备用吊点共5套吊挂装置中吊索的恒张力控制；

辅助吊点跟随控制单元，包括水平二维滑台和角度传感器，通过角度传感器采集的数据计算出吊索的伸缩量和在X、Y轴的倾角，计算出二维滑台各轴的位移量，从而完成对辅助吊点二维滑台的位置控制，控制吊点跟随巡视器车轮的运动，保证每个吊索始终保持铅垂；

主调点、行车和转盘控制单元，包括行车、转盘、力传感器、角度传感器，通过采集力传感器、角度传感器信息，分析巡视器的运动轨迹，确定巡视器横向和纵向运动的偏移量和转角，控制跟随平台作相应的横向和纵向运动，保证各吊点始终处于工作行程范围内并且保证格调点张力恒定。

所述辅助吊点张力控制单元根据上位机的指令，在垂直方向工作行程范围内实现恒定的吊索张力；通过力传感器的反馈信息计算吊索的张力变化值，从而控制电动缸的伸缩来改变弹簧的变形量，使吊索张力为恒张力；当电动缸位移达到设定值时，收绳电机动作来收放吊索，从而保证吊索张力恒定。

所述恒张力控制采用弹簧缓冲装置实现，根据恒张力控制杆的偏移信号，对吊索进行PID控制，保证恒张力控制杆在正常的工作范围内，具体为：

在系统运行过程中，当张力传感器测量值减少时，伺服电动缸伸出，推动动滑轮，张紧吊挂绳索，使吊挂绳索的张力满足张力要求；当伺服电动缸的伸出量达到Smax时，系统启动卷扬电机，缓慢收缩吊挂绳索，伺服电动缸根据张力传感器的张力变化收缩；当收缩至伺服电动缸行程为Smid时，卷扬伺服电机停止工作，电机制动抱闸抱紧。

所述辅助吊点跟随控制单元采用经典的PID控制原理，通过控制伺服电机的运动，保证吊索始终保持铅垂。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.运用了高精度的位置跟随技术、力跟随技术，保证了吊点精度；

2.大质量大惯量频繁启动电机控制技术的实现，使大范围跟踪成为可能；

3.现场试验证明已经完全实现了对1/6g低重力环境模拟试验系统的控制，对试验状态的监测，对试验数据的采集、处理与记录等功能；

4.探索虚拟样机技术、多领域建模方法和数值算法的组合应用方法，并研究了基于仿真的全局优化设计；

5.本发明填充了国内无月面低重力环境模拟装置控制的空白，实现了可用于在地面实验系统下模拟月球低重力环境的1/6g重力补偿机构的控制。

附图说明

图1为本发明的控制系统结构图；

图2为本发明的恒张力控制原理图；

图3为本发明的跟随控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

根据集中分散型控制系统（DCS）的设计思想，综合运用新出现的现代软件设计工具，采用分层架构的设计方法，围绕具体的工作方式，面向对象进行分析与设计，实现了控制系统与各执行单元的无缝连接，完成对整个试验系统的智能化、柔性控制。控制系统结构图如图1所示。

由控制系统结构图1可以看出，整个系统由上位机和下位机两部分组成，上位机由工业计算机构成，运行以美国NI公司的LABVIEW软件编制的主控软件。下位机由PMAC运动控制卡附以工控机构成。内置多轴运动控制模块和多种接口模块，可根据上位机的控制指令，有效控制伺服电机、电动缸、收绳电机和行车的运动。执行单元有伺服电机、编码器、磁栅、转盘、二维滑台、力传感器、角度传感器、电动推杆等。上位机与下位机之间通过工业以太网进行通讯，下位机与各执行单元间通过现场总线进行通讯。

由恒张力控制原理图2可以看出，恒张力控制杆的偏移信号，对吊索进行PID控制，保证恒张力控制杆在正常的工作范围内。在系统运行前，通过以太网，主控计算机将力指令发送到下位机。在系统运行过程中，当张力传感器测量值减少时，伺服电动缸伸出，推动动滑轮，张紧吊挂绳索，使吊挂绳索的张力满足张力要求。当伺服电动缸的伸出量达到Smax时，系统启动卷扬电机，缓慢收缩吊挂绳索，伺服电动缸根据张力传感器的张力变化收缩。当收缩至伺服电动缸行程为Smid时，卷扬伺服电机停止工作，电机制动抱闸抱紧。卷扬伺服电机工作在位置模式。

跟随控制原理图3可以看出，吊索的跟随控制采用的经典的PID控制，利用吊索的角度偏移量对伺服电机进行控制，从而保证吊索始终保持铅垂。吊索的期望角度为零，在系统运行过程中，通过角度传感器采集的数据计算出吊索的伸缩量和在X轴、Y轴方向的倾角，从而计算出水平二维滑台各轴的位移量，从而完成对辅助吊点二维滑台精确的位置控制，控制吊点跟随巡视器车轮的运动，保证每个吊索始终保持铅垂。

系统控制策略：

系统实时采集角度传感器、位置传感器、力传感器及相关辅助传感器的信息，计算月面巡视器各吊点的运动姿态，通过角度传感器信息控制二维跟踪平台的伺服电机运动，保证吊索铅垂。当吊点在跟踪平台上移动行程达到阈值时，天车运动，保证吊点小于阈值。当月面巡视器做偏航运动时，根据各吊点的姿态信息，计算月面巡视器的转角，通过转盘控制单元控制水平跟随平台作相应的转向，保证水平跟随平台的各吊挂点始终处于工作行程范围内。

系统可分为两层控制：第一层，实时控制。根据角度传感器的反馈信息，实时控制二维跟踪平台的伺服电机动作，调整吊索倾角，保证吊索处于铅垂方向。根据力传感器的反馈信息，恒张力控制杆和卷扬机动作，保证吊索张力满足控制要求。对于吊索角度和张力控制，要求实时性高，响应快。所以该层控制策略上处于最高级。第二层，分时控制。根据吊点信息，计算出吊点位置信息是否达到阈值，如果达到，天车运动，保证吊点运动在合适范围内；如果月面巡视器运动方向发生变化，通过转盘控制单元控制转盘作相应的转向，保证水平跟随平台的坐标系与巡视器坐标系平行。

系统中控制伺服电机轴数多达为30个，采集传感器信息包括角度编码器21个、位置传感器2个，力传感器7个，是一个典型的多变量、强耦合控制系统，为保证系统运行稳定可靠，可采用分布式控制的思想，将系统划分为上位机和下位机，对下位机30轴的伺服分为三部分控制，第一部分将天车、转盘和巡视器上两个主吊点采用一台工控机内嵌16轴运动控制卡，控制14个伺服轴和4个角度传感器和2个位移传感器，主要控制天车、转盘和巡视器的运动；第二部分将其余四个辅助吊点采用一台工控机内嵌8轴运动控制卡，控制8个伺服轴和8个角度传感器，完成四个吊点二维跟随平台控制；第三部分将四个辅助吊点张力控制用一台工控机内嵌8轴运动控制卡，控制8个伺服轴，实现系统的恒张力控制。下位机各部分之间及与上位机采用以太网通讯，保证数据可靠传输，满足系统实时和分时控制需求。

Claims (10)

1.一种1/6g低重力平衡吊挂装置的控制系统，其特征在于，包括上位机和下位机，

所述上位机为工业计算机，负责采集、显示试验台运行状态信息，根据反馈的数据，适时调整控制策略；同时记录试验数据，生成相应试验报告；

所述下位机由PMAC运动控制卡附以工控机构成，内置多轴运动控制模块和接口模块，用于根据上位机的控制指令控制各执行部件，实现对吊索的恒张力控制。

2.根据权利要求1所述的一种1/6g低重力平衡吊挂装置的控制系统，其特征在于，所述试验台运行状态信息包括位置、速度/加速度、主/被动约束力、静刚度分布、工作行程、动力平衡、碰撞及干涉检查信息。

3.根据权利要求1所述的一种1/6g低重力平衡吊挂装置的控制系统，其特征在于，所述试验报告包括试验报告、设备运行记录报告、设备维护记录报告。

4.根据权利要求1所述的一种1/6g低重力平衡吊挂装置的控制系统，其特征在于，所述上位机和下位机之间通过工业以太网进行通讯。

5.根据权利要求1所述的一种1/6g低重力平衡吊挂装置的控制系统，其特征在于，所述下位机与各执行部件通过现场总线进行命令和数据的发送。

6.根据权利要求1或5所述的一种1/6g低重力平衡吊挂装置的控制系统，其特征在于，所述各执行部件包括伺服电机、力矩电机、编码器、转盘、力传感器、角度传感器。

7.根据权利要求1所述的一种1/6g低重力平衡吊挂装置的控制系统，其特征在于，所述下位机按功能分为三部分：辅助吊点张力控制单元、辅助吊点跟随控制单元和主调点、行车和转盘控制单元；

辅助吊点张力控制单元，包括收绳电机、角度传感器、力传感器、电动缸和弹簧，负责辅助吊点和备用吊点共5套吊挂装置中吊索的恒张力控制；

辅助吊点跟随控制单元，包括水平二维滑台和角度传感器，通过角度传感器采集的数据计算出吊索的伸缩量和在X、Y轴的倾角，计算出二维滑台各轴的位移量，从而完成对辅助吊点二维滑台的位置控制，控制吊点跟随巡视器车轮的运动，保证每个吊索始终保持铅垂；

主调点、行车和转盘控制单元，包括行车、转盘、力传感器、角度传感器，通过采集力传感器、角度传感器信息，分析巡视器的运动轨迹，确定巡视器横向和纵向运动的偏移量和转角，控制跟随平台作相应的横向和纵向运动，保证各吊点始终处于工作行程范围内并且保证格调点张力恒定。

8.根据权利要求7所述的一种1/6g低重力平衡吊挂装置的控制系统，其特征在于，所述辅助吊点张力控制单元根据上位机的指令，在垂直方向工作行程范围内实现恒定的吊索张力；通过力传感器的反馈信息计算吊索的张力变化值，从而控制电动缸的伸缩来改变弹簧的变形量，使吊索张力为恒张力；当电动缸位移达到设定值时，收绳电机动作来收放吊索，从而保证吊索张力恒定。

9.根据权利要求7所述的一种1/6g低重力平衡吊挂装置的控制系统，其特征在于，所述恒张力控制采用弹簧缓冲装置实现，根据恒张力控制杆的偏移信号，对吊索进行PID控制，保证恒张力控制杆在正常的工作范围内，具体为：

在系统运行过程中，当张力传感器测量值减少时，伺服电动缸伸出，推动动滑轮，张紧吊挂绳索，使吊挂绳索的张力满足张力要求；当伺服电动缸的伸出量达到Smax时，系统启动卷扬电机，缓慢收缩吊挂绳索，伺服电动缸根据张力传感器的张力变化收缩；当收缩至伺服电动缸行程为Smid时，卷扬伺服电机停止工作，电机制动抱闸抱紧。

10.根据权利要求7所述的一种1/6g低重力平衡吊挂装置的控制系统，其特征在于，所述辅助吊点跟随控制单元采用经典的PID控制原理，通过控制伺服电机的运动，保证吊索始终保持铅垂。