CN109263870A - 基于矢量多旋翼系统的六自由度运动平台及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于矢量多旋翼系统的六自由度运动平台及其控制方法，该运动平台以成熟多旋翼飞行器为原型，通过引入新的控制通道实现其位置和姿态相互独立的规划与跟踪控制，进而在功能和概念上由多旋翼飞行器扩展至六自由度运动平台。运动平台主体部分由以碳纤材料为主的板材和管材组成，两端各配置一套由三个模块化的单轴倾转推力单元构成的六自由度矢量动力系统，具有便于改动、扩展和定制化设计的特点。根据载荷质量大小，运动平台的供电可在携带锂电池或系流电缆两种方式中选择。运动平台的操控方案采用逆动力学轨迹规划结合自抗扰控制算法实现。相比传统基于气浮台或直线导轨的多自由度运动平台，本发明具有运动自由度高、工程造价低等特点。

Description

基于矢量多旋翼系统的六自由度运动平台及其控制方法

技术领域

本发明涉及六自由度运动平台，尤其涉及一种基于矢量多旋翼系统的六自由度运动平台及其控制方法。

背景技术

在航空航天等涉及运动体设计和控制的领域，多自由度运动平台是产品在仿真测试阶段有广泛的应用和重要的地位。现有多自由度运动平台多以转台、气浮台和线性导轨为主，例如平面气浮台，三自由度线性导轨运动台、三自由度转台等，这类运动平台虽然具有良好的运动精度，但成本普遍较高，部署过程和后期维护通常较为复杂。

随着多旋翼飞行器的技术完善和硬件普及，各种尺寸型号的多旋翼飞行器已经进入成熟的商业阶段。然而考虑到常规多旋翼飞行器的欠驱动缺陷，其运动自由度小于六，即位置和姿态尚不能够独立控制，因此在运动的灵活性上仍有一定的限制。据此可以考虑在现有多旋翼飞行器的基础上改进其飞行特性，设计一种新型六自由度运动平台。

发明内容

针对上述不足，本发明提供一种基于矢量多旋翼系统的六自由度运动平台及其控制方法，解决了现有技术中存在的成本普遍很高，部署过程相当复杂，后期维护也较为困难，且运动范围一经确定则基本不可更改的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于矢量多旋翼系统的六自由度运动平台，包括支架和运动平台飞控系统，所述支架的两端对称安装一对六自由度矢量动力系统，所述六自由度矢量动力系统包括中心连接板，中心连接板沿圆周方向均匀安装三个机臂，每个机臂外端安装一单轴倾转推力单元；所述单轴倾转推力单元包括倾转机构以及贯穿支承在倾转机构上的机臂套筒，倾转机构用于调节其自身与机臂套筒之间的倾转角度，机臂套筒固定连接在机臂上，倾转机构的上下两端均安装有无刷电机，上端的无刷电机的转轴上安装逆时针旋翼，下端的无刷电机的转轴上安装顺时针旋翼，倾转机构的机壳的两侧还安装有一对用于驱动无刷电机的电子调速器，倾转机构的机壳与机臂套筒之间安装角度测量编码器；所述角度测量编码器与倾转机构电连接，倾转机构和电子调速器均与运动平台飞行控制系统电连接；从支架的一端向另一端方向看，两个六自由度矢量动力系统上的机臂相互错位，错位角为60度。

进一步的，所述倾转机构包括机壳以及均布置在机壳内的驱动电机、减速器和伺服系统驱动板；驱动电机固定安装在机壳内，驱动电机动力输入到减速器中，减速器输出动力到机臂套筒，伺服系统驱动板采集角度测量编码器读取的当前倾转角度信息，闭环控制控制驱动电机。

进一步的，所述减速器包括依次传递的第一级齿轮减速机构、第二级齿轮减速机构、第三级同步带减速机构和第四级同步带减速机构。

进一步的，所述无刷电机通过减振电机座固定在机壳的上下两端。

进一步的，所述机壳由壳体和分别固定连接在壳体左右端的端盖组成；端盖通过薄壁轴承套接在机臂套筒上，机臂套筒上设有一对限位环，用于限制薄壁轴承的位置。

进一步的，所述驱动电机可选用空心杯电机或小型无刷电机。

进一步的，还包含一个UBEC模块，用于将电源电压稳压至角度伺服系统驱动板所需电压。

本发明的另一目的是提供一种基于矢量多旋翼系统的六自由度运动平台的控制方法，该控制方法包括如下步骤：

在前馈通道中：

步骤1：将六自由度运动平台的期望三轴位置和姿态的时间序列带入逆运动学模型，获得六自由度运动平台的规划飞行速度和姿态角速度；

步骤2：将得到的规划飞行速度和角速度分别与反馈通道的PID控制器输出相加，再经逆动力学模型获得六自由度运动平台的规划合力和合力矩；

步骤3：将得到的规划合力和合力矩与反馈通道的ADRC控制器输出相加，再经六自由度运动平台的广义力映射矩阵得到每个单轴倾转推力单元所需的旋翼转速和倾转角度；

在反馈通道中：

将六自由度运动平台的实测速度和角速度测量结果反馈至位于内环的自抗扰控制器，同时将位置和姿态测量结果反馈至位于外环的PID控制器。

进一步的，步骤1中，所述逆运动学模型参考牛顿欧拉方程中的速度积分部分。

进一步的，步骤2中，所述逆动力学模型可参考牛顿欧拉方程中的加速度积分部分。

相比于航空航天等自动化仿真测试领域所使用的现有同类多自由度运动平台，例如转台、气浮平台或直线导轨平台，本发明的有益效果是：

(1)支持载荷在三维空间中的三轴线运动和三轴角运动的模拟，使载荷获得最高运动自由度；

(2)单轴倾转推力单元采用共轴双旋翼设计，基本消除高速旋转的旋翼在倾转时产生的进动力矩，从而提高了力和力矩的输出精度，降低了控制系统设计的难度；

(3)工程造价相对较低，对使用场合的准备工作。不涉及安装大理石台或导轨铺设等复杂的现场施工环节，所以基于矢量多旋翼系统的六自由度运动平台在选择和建设试验环境方面更为灵活，运动平台的工作空间范围仅受限于所配备的三维定位设备的测量范围和精度，如差分GPS、UWB定位系统或视觉捕捉系统。

附图说明

图1为基于矢量多旋翼系统的六自由度运动平台结构示意图，其中1为支架，11为碳纤管，12为法兰连接盘，13为载荷安装台，14为运动平台飞控系统，2为六自由度矢量动力系统；

图2为六自由度运动平台达到水平姿态时的状态示意图；

图3为六自由度矢量动力系统结构示意图；其中21为单轴倾转推力单元，22为机臂，23为中心连接板，24为电路接口模块；

图4为单轴倾转推力单元结构示意图，其中211为无刷电机，212为逆时针旋翼，213为顺时针旋翼，214为减振电机座，215为倾转机构，216为机臂套筒，217为电子调速器，218为角度测量编码器；

图5为推力单元之倾转机构内部的角度伺服系统的一种实现方案的结构示意图，其中2151为端盖，2152为壳体，2153为薄壁轴承，2154为伺服系统驱动板，2155为驱动电机，2156为第一级齿轮减速机构，2157为第二级齿轮减速机构，2158为第三级同步带减速机构，2159为第四级同步带减速机构，2161为限位环；

图6为逆动力学轨迹规划前馈和自抗扰控制闭环反馈方法流程图，其中PID为比例-积分-微分控制器缩写，ADRC为自抗扰控制器缩写，广义力映射矩阵是一个仅与六自由度矢量动力系统几何尺寸有关的六阶方阵。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有的实施方式。相反，它们仅是与如所附中权利要求书中所详述的，本发明的一些方面相一致的装置的例子。本说明书的各个实施例均采用递进的方式描述。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

如图1所示，一种基于矢量多旋翼系统的六自由度运动平台，包括支架1和运动平台飞行控制系统14，所述支架1的两端对称安装一对六自由度矢量动力系统2，进一步的技术方案是，机架1以传统多旋翼飞行器机架为参考，两组碳纤管11(每组三根，一共六根)通过法兰连接盘12拼接成贯穿运动平台的主梁，所有碳纤管11沿法兰连接盘12圆周方向均匀分布；主梁两端各安装一套六自由度矢量动力系统2；在法兰连接盘12两侧各设置一个位置恰当、形状合适的载荷安装台13，用于适配运动平台的载荷设备，若半径较大时应额外采用碳纤管稳固支撑；六自由度运动平台的飞行控制系统14安装在法兰连接盘2的中心，尽可能靠近整个运动平台质心位置，六自由度运动平台的飞控系统的硬件组成与现有多旋翼飞行器的飞控系统相同，但所运行的控制算法是特有的(即本发明提出的控制方法)。根据平台的承重能力和载荷质量需求，当载荷较重时运动平台可选择电缆系流的供电方式，无需额外携带电池，从而允许增大有效载荷质量。图2展示了六自由度运动平台经过姿态机动从图1中的垂直状态过渡到水平状态。

如图3所示，所述六自由度矢量动力系统2包括中心连接板23，中心连接板23沿圆周方向均匀安装三个机臂22，三个机臂22在同一平面内，每个机臂22外端安装一单轴倾转推力单元21；中心连接板还安装一个电路接口模块24，可将三个推力单元的电缆并联汇总；根据需要还可包含一个UBEC模块，将电源电压稳压至角度伺服系统驱动板2154所需电压。经运动平台飞行控制系统的规划解算，每个单轴倾转推力单元21若置于恰当的倾角和旋翼转速，该六自由度矢量动力系统能够同步输出指定的三轴推力和三轴力矩以驱动六自由度运动平台的主体部分发生平动或转动。需要注意的是，从支架的一端向另一端方向看，两个六自由度矢量动力系统上的机臂22相互错位，错位角为60度。

如图4所示，所述单轴倾转推力单元21包括倾转机构215以及贯穿支承在倾转机构215上的机臂套筒216，倾转机构215用于调节其自身与机臂套筒216之间的倾转角度，机臂套筒216固定连接在机臂上，倾转机构215的上下两端共轴对称安装有无刷电机211，两个无刷电机211同型号、转向相反；为了减少振动，所述无刷电机211通过减振电机座214经四颗橡胶隔振螺丝固定连接在机壳的上下两端。上端的无刷电机的转轴上安装逆时针旋翼212，下端的无刷电机的转轴上安装顺时针旋翼213，倾转机构215的机壳的两侧还安装有一对用于驱动无刷电机的电子调速器217，倾转机构215的机壳与机臂套筒216之间安装角度测量编码器218(即其外壳连接在倾转机构的壳体上，转轴连接在机臂套筒216的末端)；

该倾转机构215被机臂套筒216贯穿，且能够以机臂套筒216为轴连续双向旋转有限圈(倾转机构的实际连续旋转角度范围受限于电缆束允许的扭转程度)，旋转角度可由倾转机构215内部的角度伺服系统精确控制，倾转机构215的设计高度应当与旋翼半径成正相关，使正反旋翼之间留有一定空间以缓解下洗流气动干扰；整个单轴倾转推力单元21的电路接口包含：两组共地的电源线，分别为电机和倾转机构供电；三组共地的信号线，分别用于两个电子调速器217的转速给定和倾转角度给定。

如图5所示，所述倾转机构215包括机壳以及均布置在机壳内的驱动电机2155、减速器和伺服系统驱动板；驱动电机2155固定安装在机壳内，驱动电机2155动力输入到减速器中，减速器输出动力到机臂套筒216，伺服系统驱动板采集角度测量编码器218读取的当前倾转角度信息，闭环控制控制驱动电机2155；所述驱动电机2155可选用空心杯电机或小型无刷电机，视倾转机构整体的负载惯量而定。所述角度伺服系统驱动板2154集成了微控制芯片和功率放大电路，具体实现可参考现有无刷或空心杯电动舵机的驱动板。

所述机壳采用纺锤形硬质外壳，由壳体2152和分别固定连接在壳体左右端的端盖2151组成；端盖2151通过薄壁轴承2153套接在机臂套筒216上，机臂套筒216上设有一对限位环2161，用于限制薄壁轴承2153的位置。

所述减速器包括依次传递的第一级齿轮减速机构2156、第二级齿轮减速机构、第三级同步带减速机构2158和第四级同步带减速机构2159，以减小倾转机构的运动回差；当然不限于这样的结构。所述角度测量编码器218与倾转机构215电连接，倾转机构215、电子调速器217均与运动平台飞行控制系统电连接。

如图6所示，所述逆动力学轨迹规划前馈和自抗扰控制闭环反馈方法，具体为：

前馈通道中：

步骤1：将六自由度运动平台的期望三轴位置和姿态的时间序列带入逆运动学模型，获得六自由度运动平台的规划飞行速度和姿态角速度，所述逆运动学模型可参考牛顿欧拉方程中的速度积分部分；

步骤2：将得到的规划飞行速度和角速度分别与反馈通道的PID控制器输出相加，再经逆动力学模型获得六自由度运动平台的规划合力和合力矩，所述逆动力学模型可参考牛顿欧拉方程中的加速度积分部分；

步骤3：将得到的规划合力和合力矩与反馈通道的ADRC控制器输出相加，再经六自由度运动平台的广义力映射矩阵得到每个单轴倾转推力单元21所需的旋翼转速和倾转角度，所述广义力映射矩阵是一个六阶方阵，该矩阵与六自由度矢量动力系统的几何尺寸有关；

反馈通道中，将六自由度运动平台的实测速度和角速度测量结果反馈至位于内环的ADRC控制器，同时将位置和姿态测量结果反馈至位于外环的PID控制器，所述PID控制器和ADRC控制器均可参考其标准设计方法。

六自由度矢量动力系统由前馈和反馈通道共同管理，通过双闭环控制消除跟踪误差并保证系统稳定性，实现对六自由度期望轨迹的跟踪。

本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种基于矢量多旋翼系统的六自由度运动平台，其特征在于，包括支架和运动平台飞控系统等，所述支架的两端对称安装一对六自由度矢量动力系统，所述六自由度矢量动力系统包括中心连接板，中心连接板沿圆周方向均匀安装三个机臂，每个机臂外端安装一单轴倾转推力单元；所述单轴倾转推力单元包括倾转机构以及贯穿支承在倾转机构上的机臂套筒，倾转机构用于调节其自身与机臂套筒之间的倾转角度，机臂套筒固定连接在机臂上，倾转机构的上下两端均安装有无刷电机，上端的无刷电机的转轴上安装逆时针旋翼，下端的无刷电机的转轴上安装顺时针旋翼，倾转机构的机壳的两侧还安装有一对用于驱动无刷电机的电子调速器，倾转机构的机壳与机臂套筒之间安装角度测量编码器；所述角度测量编码器与倾转机构电连接，倾转机构和电子调速器均与运动平台飞行控制系统电连接；从支架的一端向另一端方向看，两个六自由度矢量动力系统上的机臂相互错位，错位角为60度。

2.根据权利要求1所述的一种基于矢量多旋翼系统的六自由度运动平台，其特征在于，所述倾转机构包括机壳以及均布置在机壳内的驱动电机、减速器和伺服系统驱动板；驱动电机固定安装在机壳内，驱动电机动力输入到减速器中，减速器输出动力到机臂套筒，伺服系统驱动板采集角度测量编码器读取的当前倾转角度信息，闭环控制控制驱动电机。

3.根据权利要求2所述的一种基于矢量多旋翼系统的六自由度运动平台，其特征在于，所述减速器包括依次传递的第一级齿轮减速机构、第二级齿轮减速机构、第三级同步带减速机构和第四级同步带减速机构。

4.根据权利要求1所述的一种基于矢量多旋翼系统的六自由度运动平台，其特征在于，所述无刷电机通过减振电机座固定在机壳的上下两端。

5.根据权利要求2所述的一种基于矢量多旋翼系统的六自由度运动平台，其特征在于，所述机壳由壳体和分别固定连接在壳体左右端的端盖组成；端盖通过薄壁轴承套接在机臂套筒上，机臂套筒上设有一对限位环，用于限制薄壁轴承的位置。

6.根据权利要求2所述的一种基于矢量多旋翼系统的六自由度运动平台，其特征在于，所述驱动电机可选用空心杯电机或小型无刷电机。

7.根据权利要求2所述的一种基于矢量多旋翼系统的六自由度运动平台，其特征在于，还包含一个UBEC模块，用于将电源电压稳压至角度伺服系统驱动板所需电压。

8.根据权利要求1所述的一种基于矢量多旋翼系统的六自由度运动平台的控制方法，其特征在于，该控制方法包括如下步骤：

在前馈通道中：

步骤1：将六自由度运动平台的期望三轴位置和姿态的时间序列带入逆运动学模型，获得六自由度运动平台的规划飞行速度和姿态角速度；

步骤2：将得到的规划飞行速度和角速度分别与反馈通道的PID控制器输出相加，再经逆动力学模型获得六自由度运动平台的规划合力和合力矩；

步骤3：将得到的规划合力和合力矩与反馈通道的ADRC控制器输出相加，再经六自由度运动平台的广义力映射矩阵得到每个单轴倾转推力单元所需的旋翼转速和倾转角度；

在反馈通道中：

将六自由度运动平台的实测速度和角速度测量结果反馈至位于内环的自抗扰控制器，同时将位置和姿态测量结果反馈至位于外环的PID控制器。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，步骤1中，所述逆运动学模型参考牛顿欧拉方程中的速度积分部分。

10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，步骤2中，所述逆动力学模型可参考牛顿欧拉方程中的加速度积分部分。