CN108224017A - 带有水平控制系统的三点平台结构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有水平控制系统的三点平台结构及其控制方法，包含：上平台、下平台、连接设置在两者之间的3组连接组件、以及控制各个连接组件运动调整的水平控制系统；其中，每组连接组件包含：球幅连接模块，顶部与上平台固定连接；液压缸模块，顶部与球幅连接模块固定连接；旋转基座模块，顶部与液压缸模块固定连接，底部与下平台固定连接；通过水平控制系统控制旋转基座模块的旋转和移动，配合控制球幅连接模块的运动，将三点平台结构通过多个方向的控制调节至水平。本发明能有效增加上平台的调节方式；并且通过深度学习功能和反馈调节，精确调节上平台至水平理想状态。

Description

带有水平控制系统的三点平台结构及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种三点平台结构及其控制方法，具体是指带有水平控制系统的三点平台结构及其控制方法，属于三点平台结构控制的技术领域。

背景技术

随着现代社会的发展，对于各种机器的作业要求也越来越高，更多的体现在需要在平衡的工作台上进行工作。现如今，使用较多的是六自由度平台结构，但是该结构相对较为复杂，其中上平台不能进行灵活的水平移动，而下平台的液压缸位置则是固定的，这就使得液压缸的受力方式不可变化。因此，目前所普遍使用的六自由度平台结构具有结构复杂，灵活度低，兼容性差，无法适应不同环境的问题。

基于上述，本发明提出一种带有水平控制系统的三点平台结构及其控制方法，结构简化，灵活度高，兼容性好，适应度强，可有效解决现有技术中存在的缺点和限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种带有水平控制系统的三点平台结构及其控制方法，通过球幅连接模块连接上平台和液压缸模块，通过旋转基座模块连接下平台和液压缸模块，有效增加上平台的调节方式；并且通过深度学习功能和反馈调节，精确调节上平台至水平理想状态。

为实现上述目的，本发明提供一种带有水平控制系统的三点平台结构，包含：上平台、下平台、连接设置在上平台和下平台之间的3组连接组件、以及控制各个连接组件运动调整的水平控制系统；其中，每组连接组件包含：球幅连接模块，顶部与上平台固定连接；液压缸模块，顶部与球幅连接模块固定连接；旋转基座模块，顶部与液压缸模块固定连接，底部与下平台固定连接；通过水平控制系统控制旋转基座模块的旋转和移动，配合控制球幅连接模块的运动，将三点平台结构通过多个方向的控制调节至水平。

所述的球幅连接模块包含：上基座，通过上平台固定装置与上平台固定连接；下基座，通过液压缸固定装置与液压缸模块固定连接；球幅，通过球幅固定装置分别与上基座以及下基座连接；液压缸模块通过下基座向球幅传动，并通过球幅运动改变上平台的方向和位置，实现对上平台的调节控制。

进一步，所述的球幅连接模块还包含限位装置，调整并限制球幅的运动位置。

所述的旋转基座模块包含：底座，通过下平台固定装置与下平台固定连接；支撑架，其顶面设置有旋转轨道，通过该旋转轨道与液压缸模块连接；其底面设置有多个车轮固定架，通过对应设置在各个车轮固定架内的车轮与底座连接；通过改变支撑架的旋转方向，带动车轮在底座上多方向的移动，调整液压缸模块的位置。

所述的水平控制系统包含：智能交互控制单元，预设三点平台结构的工作环境的相关参数，选择三点平台结构的工作模式；主控单元，与智能交互控制单元连接；传感器模块，设置在三点平台结构上，与主控单元连接，将实时采集到的三点平台结构的空间位置信息和运动信息传输至主控单元；D/A转换器，与主控单元连接，将三点平台结构的空间位置信息和运动信息由数字信号转换为模拟信号；自适应PID控制器模块，具有一并联连接的Smith预估器，与D/A转换器连接，对转换为模拟信号的三点平台结构的空间位置信息和运动信息进行深度学习和处理，最优化的计算出旋转基座模块的移动位置，以及球幅连接模块的最佳位置，通过旋转基座模块移动和旋转的结合，配合球幅连接模块的运动，将三点平台结构通过自动运动控制调节至理想状态；电子水平仪，设置在上平台上，且与主控单元连接，二次检测上平台的位置信息，并反馈发送至主控单元，进而通过自适应PID控制器模块再次调节液压缸模块的移动位置，使上平台保持平衡状态。

所述的水平控制系统还包含：过载控制模块，连接设置在D/A转换器与自适应PID控制器模块之间，对水平控制系统进行过载保护。

所述的智能交互控制单元包含：模式选择器，为三点平台结构选择合适的工作模式；参数更改器，根据三点平台结构的工作状态，实时调整旋转基座模块、球幅连接模块以及液压缸模块的运动速度和方向；模拟显示器，显示三点平台结构的运动状态，实时监测其空间位置。

所述的传感器模块包含：惯性传感器，安装在上平台上，实时采集上平台的位置信息、运动角速度和运动加速度；位置传感器，安装在旋转基座模块上，实时采集旋转基座模块的位置信息。

所述的惯性传感器和位置传感器均通过SPI向主控单元发送所采集到的信息，主控单元读取惯性传感器采集的上平台的位置信息、运动角速度和运动加速度，获得上平台的倾角、升程信息、空间位置信息以及液压缸模块需要调整的位置信息，并且主控单元读取位置传感器采集的旋转基座模块的位置信息。

本发明还提供一种带有水平控制系统的三点平台结构的控制方法，包含以下步骤：

S1、通过智能交互控制单元预设三点平台结构的工作环境的相关参数，选择三点平台结构的工作模式；

S2、惯性传感器将实时采集到的上平台的位置信息、运动角速度和运动加速度，以及位置传感器将实时采集到的旋转基座模块的位置信息传输至主控单元，得到上平台的倾角、升程信息、空间位置信息、液压缸模块需要调整的位置信息以及旋转基座模块的位置信息；经由D/A转换器进行数模转换后传输至自适应PID控制器模块；

S3、具有Smith预估器的自适应PID控制器模块对接收到的信息进行深度学习和处理，最优化的计算出旋转基座模块的移动位置，以及球幅连接模块的最佳位置，通过旋转基座模块移动和旋转的结合，并配合球幅连接模块的运动，将三点平台结构通过自动运动控制调节至理想状态；

S4、通过电子水平仪二次检测上平台的位置信息，并反馈发送至主控单元，进而通过自适应PID控制器模块再次调节液压缸模块的移动位置，使上平台保持平衡状态。

综上所述，本发明所提供的带有水平控制系统的三点平台结构及其控制方法，通过三个支撑点支撑上平台，并借助每个支撑点上设置的液压缸模块的伸缩运动来完成上平台的水平调节；同时水平控制系统利用电子水平仪作为反馈模块，并通过增加设置了球幅连接模块和旋转基座模块,使上平台的灵活度更高，可适应不同的环境，兼容性好，适应度强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行简单介绍，显而易见的，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中的水平控制系统的结构框图；

图2为本发明中的具有Smith预估器的自适应PID控制方法的流程图；

图3为本发明中的过载控制模块的电路图；

图4为本发明中的三点平台结构的结构示意图；

图5为本发明中的旋转基座的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”、“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。

以下结合图1～图5，以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

如图4所示，为本发明提供的带有水平控制系统的三点平台结构，其包含：上平台18、下平台25、连接设置在上平台18和下平台25之间的3组连接组件、以及控制各个连接组件运动调整的水平控制系统；其中，每组所述的连接组件包含：球幅连接模块21，顶部与上平台18固定连接；液压缸模块23，顶部与球幅连接模块21固定连接；旋转基座模块26，顶部与液压缸模块23固定连接，底部与下平台25固定连接；通过水平控制系统控制旋转基座模块26的旋转和移动，配合控制球幅连接模块21的运动，使得三点平台结构达到多个方向的调节。

如图4所示，所述的球幅连接模块21包含：上基座20，通过上平台固定装置19与上平台18固定连接，为上平台18提供支撑；下基座22，通过液压缸固定装置与液压缸模块23固定连接，为上平台18提供支撑；球幅，通过球幅固定装置分别与上基座20以及下基座22连接；液压缸模块23通过下基座22向球幅传动，并通过球幅运动改变上平台18的方向和位置，对上平台18进行液压伺服驱动。

进一步，所述的球幅连接模块21还包含限位装置，调整并限制球幅的运动位置。

如图5所示，所述的旋转基座模块26包含：底座32，通过下平台固定装置30与下平台25固定连接；支撑架28，其顶面设置有旋转轨道27，通过该旋转轨道27与液压缸模块23连接；其底面设置有多个车轮固定架29，通过对应设置在各个车轮固定架29内的车轮31与底座32连接；该支撑架28为液压缸模块23以及车轮固定架29提供支撑；通过改变支撑架28的旋转方向，带动车轮31在底座32上多方向的移动，进而改变液压缸模块23的位置。

如图1所示，所述的水平控制系统包含：智能交互控制单元1，为三点平台结构的重要控制单元，提前预设三点平台结构的工作环境的相关参数，选择三点平台结构的工作模式，使水平控制系统及时做出更为适合的调整，保持三点平台结构的稳定性；主控单元2，与智能交互控制单元1连接，为水平控制系统的核心，确保其有效运行；传感器模块3，为水平控制系统的监视模块，设置在三点平台结构上，与主控单元2连接，将实时采集到的三点平台结构的空间位置信息和运动信息传输至主控单元2；D/A（数/模）转换器4，与主控单元2连接，将采集到的三点平台结构的空间位置信息和运动信息由数字信号转换为模拟信号；过载控制模块5，与D/A转换器4连接，检测水平控制系统是否过载，对其进行过载保护，以实现对水平控制系统的电路保护；自适应PID控制器模块6，具有一并联连接的Smith预估器7，与过载控制模块5连接，对转换为模拟信号的三点平台结构的空间位置信息和运动信息进行深度学习和处理，最优化的计算出旋转基座模块26的移动位置，以及球幅连接模块21的最佳位置，包括通过改变支撑架28的旋转方向，带动车轮31在底座32上多方向的移动，进而改变液压缸模块23的位置，通过移动和旋转的结合，并配合球幅连接模块21的运动，以补偿三点平台结构在调节过程的特性变化，进行自动调控，将三点平台结构通过运动调节至理想状态；电子水平仪8，设置在上平台18上，且与主控单元2连接，作为反馈模块，对上平台18进行检测核实，二次检测上平台18的位置信息，并反馈发送至主控单元2，进而通过自适应PID控制器模块6再次调节液压缸模块23的移动位置，使上平台18保持平衡状态，从而有效提高三点平台结构的调节精度，大大降低水平控制系统的控制误差，使三点平台结构适应更高精度的环境。

所述的智能交互控制单元1包含：模式选择器，提供多个三点平台结构的工作模式以供选择，根据实际工作条件，选择合适的工作模式；参数更改器，根据实际三点平台结构的工作状态，实时调整旋转基座模块26、球幅连接模块21以及液压缸模块23的运动速度和方向；模拟显示器，具有图像识别技术，显示三点平台结构的运动状态，实时监测其空间位置，进行全局掌控。

所述的传感器模块3包含：惯性传感器，安装在上平台18上，实时采集上平台18的位置信息、运动角速度和运动加速度，以确定三点平台结构的运动姿态；位置传感器，安装在旋转基座模块26上，实时采集旋转基座模块26的位置信息。

所述的惯性传感器和位置传感器均通过SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口），以串行方式向主控单元2发送所采集到的信息，主控单元2通过SPI接口寄存器读取惯性传感器采集的上平台18的位置信息、运动角速度和运动加速度，获得上平台18的倾角、升程信息、空间位置信息以及液压缸模块23需要调整的位置信息，并且主控单元2通过SPI接口寄存器读取位置传感器采集的旋转基座模块26的位置信息。

如图3所示，为本实施例中的过载控制模块5的电路图，其中接口9为INH（高电平禁止）输入端，接口10-12为信号输入端，接口13-16为单掷开关，接口17为X接口；可通过接口10-12输入信号，使接口9-16这八个通道中的一个与X接口17接通，在接口9为高电平时，此时无论输入信号为何值，八个通道均不通，从而对水平控制系统进行过载保护，以实现对水平控制系统的电路保护。

本实施例中，所述的主控单元2采用常规微处理器即可满足要求，例如可采用STM32F103C8T6和STM32F103CBT6等的微处理器。且所述的微处理器与自适应PID控制器模块6之间采用I2C通讯，由微处理器通过I2C接口向自适应PID控制器模块6发送目标地址信号，此时I2C总线会根据目标地址是否匹配，决定接受或屏蔽微处理器发出的信号。当目标地址匹配时，微处理器向自适应PID控制器模块6发送相应的数据，从而实现自适应PID控制器模块6和微处理器之间的通信。

如图2所示，为本实施例中的具有Smith预估器的自适应PID控制方法的流程图，其能自动调整参数，以补偿过程特性的变化。对时变控制系统，假定被控对象的参数已知，通过单变量寻求方法估计实际的纯滞后，然后再用带遗忘因子的最小二乘法辨识过程的其他参数，以在线修正模型，并以参数估计值代替控制器中多用的真值对系统进行控制。当系统无延时，系统等同于简单的PID控制回路，而当系统有时延时，延时对系统的影响即可由Smith预估器消除，这样可以避免时延带来的参数整定误差。

通过引入具有深度学习功能的自适应PID控制器模块6，可确定水平控制系统中的相关参数，其主要作用是针对三点平台结构的平衡控制中，合理调配液压缸模块23的工作状态。Smith预估器7的预估补偿是在系统的反馈回路中引入补偿装置，它是表现为给自适应PID控制器模块6并接一个补偿环节，将控制通道传递函数中的纯滞后部分与其他部分分离。其特点是预先估计出系统在给定信号下的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使被延迟了的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而减少超调量并加速调节过程。如果预估模型准确，该方法能够获得较好的控制效果，从而消除纯滞后对系统的不利影响，使系统品质与被控过程无纯滞后时相同。这样通过位置空间信号和运动参数的输入和反馈，能够预估和及时调节收集三点平台的位置姿态，组成一条高稳定性的闭环控制系统。

带有Smith预估器7的自适应PID控制器模块6，能够有效的减小参数整定的计算复杂度和整定效果。自适应PID控制器模块6由比例单元P、积分单元I、微分单元D组成，带有Smith预估器7的自适应PID控制器模块6根据系统的误差和电子水平仪8的反馈，利用微分、积分和比例计算出运动参数进行控制，从而具有很好的动态特性和鲁棒性。主控单元2的算法程序包括姿态、位置和启发学习算法，其中采用惯性传感器测量得到的加速度经过两次积分得到上平台18的数据信息，角速度经过一次积分得到上平台18的倾角数据信息，这样进而得到上平台18的空间位置特性和运动特性，相比其他传感器有显著的优点。带有Smith预估器7的自适应PID控制器模块6，利用误差传播定理对模型进行误差分析和数据验证，对比分析，多次调整，将调整参数发送到控制器。

本发明还提供一种带有水平控制系统的三点平台结构的控制方法，包含以下步骤：

S1、通过智能交互控制单元1提前预设三点平台结构的工作环境的相关参数，选择三点平台结构的工作模式；

S2、惯性传感器将实时采集到的上平台18的位置信息、运动角速度和运动加速度，以及位置传感器将实时采集到的旋转基座模块26的位置信息传输至主控单元2，得到上平台18的倾角、升程信息、空间位置信息、液压缸模块23需要调整的位置信息以及旋转基座模块26的位置信息；经由D/A转换器4进行数模转换后传输至自适应PID控制器模块6；

S3、具有Smith预估器7的自适应PID控制器模块6对接收到的信息进行深度学习和处理，最优化的计算出旋转基座模块26的移动位置，以及球幅连接模块21的最佳位置，通过旋转基座模块26移动和旋转的结合，并配合球幅连接模块21的运动，将三点平台结构通过自动运动控制调节至理想状态；

S4、通过电子水平仪8二次检测上平台18的位置信息，并反馈发送至主控单元2，进而通过自适应PID控制器模块6再次调节液压缸模块23的移动位置，使上平台18保持平衡状态。

综上所述，本发明所提供的带有水平控制系统的三点平台结构及其控制方法，通过三个支撑点支撑上平台，并借助每个支撑点上设置的液压缸模块的伸缩运动来完成上平台的水平调节；同时水平控制系统利用电子水平仪作为反馈模块，并通过增加设置了球幅连接模块和旋转基座模块,使上平台的灵活度更高，可适应不同的环境，兼容性好，适应度强。

因此，本发明所提供的带有水平控制系统的三点平台结构及其控制方法，具有以下优点和有益效果：

1、在三点平台结构中，上平台和液压缸模块之间采用球幅连接模块进行连接，上、下基座为上平台提供支撑，同时液压缸模块的运动通过下基座进行传动，进而通过球幅连接模块的运动改变上平台的方向和位置；

2、在三点平台结构中，下平台和液压缸模块之间采用旋转基座模块进行连接，能够调节液压缸模块的位置，改变液压缸模块与竖直方向的夹角，通过改变其受力方式增加上平台的调节方式；

3、水平控制系统中的自适应PID控制器模块具有深度学习功能，能够精确确定上平台和液压缸模块的位置信息，合理分配各液压缸模块的工作强度；

4、采用电子水平仪作为水平控制系统的反馈，通过双重调节，使上平台的调节控制更为精确。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种带有水平控制系统的三点平台结构，其特征在于，包含：上平台、下平台、连接设置在上平台和下平台之间的3组连接组件、以及控制各个连接组件运动调整的水平控制系统；其中，

每组连接组件包含：球幅连接模块，顶部与上平台固定连接；液压缸模块，顶部与球幅连接模块固定连接；旋转基座模块，顶部与液压缸模块固定连接，底部与下平台固定连接；

通过水平控制系统控制旋转基座模块的旋转和移动，配合控制球幅连接模块的运动，将三点平台结构通过多个方向的控制调节至水平。

2.如权利要求1所述的带有水平控制系统的三点平台结构，其特征在于，所述的球幅连接模块包含：

上基座，通过上平台固定装置与上平台固定连接；

下基座，通过液压缸固定装置与液压缸模块固定连接；

球幅，通过球幅固定装置分别与上基座以及下基座连接；

液压缸模块通过下基座向球幅传动，并通过球幅运动改变上平台的方向和位置，实现对上平台的调节控制。

3.如权利要求2所述的带有水平控制系统的三点平台结构，其特征在于，所述的球幅连接模块还包含限位装置，调整并限制球幅的运动位置。

4.如权利要求2所述的带有水平控制系统的三点平台结构，其特征在于，所述的旋转基座模块包含：

底座，通过下平台固定装置与下平台固定连接；

支撑架，其顶面设置有旋转轨道，通过该旋转轨道与液压缸模块连接；其底面设置有多个车轮固定架，通过对应设置在各个车轮固定架内的车轮与底座连接；

通过改变支撑架的旋转方向，带动车轮在底座上多方向的移动，调整液压缸模块的位置。

5.如权利要求4所述的带有水平控制系统的三点平台结构，其特征在于，所述的水平控制系统包含：

智能交互控制单元，预设三点平台结构的工作环境的相关参数，选择三点平台结构的工作模式；

主控单元，与智能交互控制单元连接；

传感器模块，设置在三点平台结构上，与主控单元连接，将实时采集到的三点平台结构的空间位置信息和运动信息传输至主控单元；

D/A转换器，与主控单元连接，将三点平台结构的空间位置信息和运动信息由数字信号转换为模拟信号；

自适应PID控制器模块，具有一并联连接的Smith预估器，与D/A转换器连接，对转换为模拟信号的三点平台结构的空间位置信息和运动信息进行深度学习和处理，最优化的计算出旋转基座模块的移动位置，以及球幅连接模块的最佳位置，通过旋转基座模块移动和旋转的结合，配合球幅连接模块的运动，将三点平台结构通过自动运动控制调节至理想状态；

电子水平仪，设置在上平台上，且与主控单元连接，二次检测上平台的位置信息，并反馈发送至主控单元，进而通过自适应PID控制器模块再次调节液压缸模块的移动位置，使上平台保持平衡状态。

6.如权利要求5所述的带有水平控制系统的三点平台结构，其特征在于，所述的水平控制系统还包含过载控制模块，连接设置在D/A转换器与自适应PID控制器模块之间，对水平控制系统进行过载保护。

7.如权利要求5所述的带有水平控制系统的三点平台结构，其特征在于，所述的智能交互控制单元包含：

模式选择器，为三点平台结构选择合适的工作模式；

参数更改器，根据三点平台结构的工作状态，实时调整旋转基座模块、球幅连接模块以及液压缸模块的运动速度和方向；

模拟显示器，显示三点平台结构的运动状态，实时监测其空间位置。

8.如权利要求5所述的带有水平控制系统的三点平台结构，其特征在于，所述的传感器模块包含：

惯性传感器，安装在上平台上，实时采集上平台的位置信息、运动角速度和运动加速度；

位置传感器，安装在旋转基座模块上，实时采集旋转基座模块的位置信息。

9.如权利要求8所述的带有水平控制系统的三点平台结构，其特征在于，所述的惯性传感器和位置传感器均通过SPI向主控单元发送所采集到的信息，主控单元读取惯性传感器采集的上平台的位置信息、运动角速度和运动加速度，获得上平台的倾角、升程信息、空间位置信息以及液压缸模块需要调整的位置信息，并且主控单元读取位置传感器采集的旋转基座模块的位置信息。

10.一种带有水平控制系统的三点平台结构的控制方法，包含以下步骤：

S1、通过智能交互控制单元预设三点平台结构的工作环境的相关参数，选择三点平台结构的工作模式；

S2、惯性传感器将实时采集到的上平台的位置信息、运动角速度和运动加速度，以及位置传感器将实时采集到的旋转基座模块的位置信息传输至主控单元，得到上平台的倾角、升程信息、空间位置信息、液压缸模块需要调整的位置信息以及旋转基座模块的位置信息；经由D/A转换器进行数模转换后传输至自适应PID控制器模块；

S3、具有Smith预估器的自适应PID控制器模块对接收到的信息进行深度学习和处理，最优化的计算出旋转基座模块的移动位置，以及球幅连接模块的最佳位置，通过旋转基座模块移动和旋转的结合，并配合球幅连接模块的运动，将三点平台结构通过自动运动控制调节至理想状态；

S4、通过电子水平仪二次检测上平台的位置信息，并反馈发送至主控单元，进而通过自适应PID控制器模块再次调节液压缸模块的移动位置，使上平台保持平衡状态。