CN109564736B - 移动平台系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超定移动平台系统，包括：底座；平台，该平台能够相对于所述底座沿6个自由度移动；至少八个长行程致动器，其中每个致动器将底座与平台耦合；以及控制器，该控制器（a）被构造成使所需的平台移动设定点适应于所命令的平台移动设定点，（b）被构造成使该八个长行程致动器移动，从而实现所命令的平台移动设定点，并（c）被构造成在致动器之间动态地重新分配由致动器施加在平台上的力。

Description

移动平台系统
技术领域
本发明涉及移动平台系统，该移动平台系统包括：底座；平台，该平台能够相对于所述底座沿6个自由度移动；长行程致动器，该长行程致动器将底座与平台耦合；以及控制器，该控制器通过长行程致动器控制平台的移动。
背景技术
移动平台系统是众所周知的。众所周知的示例是飞行模拟器，该飞行模拟器包括如在US3295224和US4753596中所描述的所谓的高夫-斯图尔特 (Gough-Stewart)平台。这种平台广泛用于模拟民用和军用飞机以训练飞行员。最近，这种平台还用于主题公园所谓的供乘骑的游乐设施中的娱乐终端用途。这种平台设有六个致动器，以提供6个自由度移动。特别是对于娱乐终端用途，需要冗余系统。冗余系统在本文意味着，在其中一个致动器故障(即中断)的情况下，平台及其乘客将安全地返回至安全位置。到目前为止，已经开发出冗余系统，其中第二个致动器定位在六个致动器中的每个旁边的位置。在其中一个致动器故障的情况下，平行定位的致动器能够接管并使平台返回至安全位置。这种系统的缺点是它需要12个致动器而不是6个，并且系统变得非常笨重。
US5931739描述了具有三个致动器并且具有故障安全电路的故障安全交通工具模拟器，该故障安全交通工具模拟器被设置成连续监视致动器机构的状况并且在致动器机构发生不安全状况的情况下引起平台朝向安全位置自动移动。这种故障安全模拟器的缺点在于，在其中一个致动器完全故障的情况下，剩余的两个致动器可能无法使平台返回至安全位置。
发明内容
本发明的目的是提供冗余的6个自由度移动模拟器，该移动模拟器不具有上述系统的缺点。
该目标利用以下移动模拟器实现。一种超定移动平台系统，包括：底座；平台，该平台能够相对于所述底座沿6个自由度移动；至少八个长行程致动器，其中每个致动器将底座与平台耦合；以及控制器，该控制器(a)被构造成使所需的平台移动设定点适应于所命令的平台移动设定点，(b)被构造成使至少八个长行程致动器移动，从而实现所命令的平台移动设定点，并且(c)被构造成在致动器之间动态地重新分配由致动器施加在平台上的力。
通过提供至少八个致动器，获得冗余系统，甚至具有一倍冗余并且在一些情况下具有甚至两倍冗余。这是因为如果致动器故障，剩余的七个或相应的六个致动器仍然能够完全控制平台并且可选地将平台带到安全位置。如果两个致动器故障，则冗余将取决于它们是如何相对于彼此构造的。超定系统的结果在于，取决于致动器相对于有效载荷的取向，存在相对致动器的两种特定的模式，这仅使平台变形。这通常被称为致动器力对抗。根据本发明的平台系统的控制器使得能够通过主动控制这些力对抗来动态地重新分配在致动器之间的力。
例如具有八个致动器的平台系统的另一个优点在于，当一个单一致动器遇到所谓的单一致动器失控时，剩余的七个致动器将补偿这样的失控并调解任何负面结果。进一步的优点在于，与六个致动器的现有技术设计相比，八个致动器更垂直地定位。这是有利的，因为它使八个致动器在抗衡重力方面更有效。与六个致动器的现有技术设计相比，更高数量的致动器进一步导致在根据本发明的模拟器中能够应用较不强大的致动器。此外，根据本发明的模拟器的工作空间具有八个约束而不是六个约束。因此，工作空间(即模拟器能够在其中移动的空间)更加对称和紧凑。六个致动器的现有技术设计的工作空间具有体积，该体积的部分很少被使用但在致动器力方面是最坏的情况。对于根据本发明的模拟器，不存在工作空间的这些部分。这意味着，对于根据本发明的模拟器，例如机电致动器的电机和伺服驱动器功率可以更小。显然，当存在多于八个致动器时，上述优点也是有效的或甚至更有效。适当地，由于实践理由，致动器的数量不会超过24个。在说明书中，参考具有八个致动器的平台系统。如果没有明确排除，本公开内容对于具有多于八个致动器的平台系统也是有效的。
适当地，所有致动器都有助于多个自由度的移动。这种系统也被称为协同系统。根据本发明的超定协同平台系统也可以用作解决方案，以实现比现有技术协同确定的运动系统可能的更大角位移。在平台移动所需的致动器力和抵消重力所需的致动器力变为无限的情况下，确定的协同运动系统的角位移受到机械奇点的出现的限制。在根据本发明的适当设计的超定协同平台系统中，这些机械奇点被冗余的致动器取消。然而，在现有技术的协同运动系统能够在工作空间中具有机械奇点存在的区域的情况下，超定协同平台系统能够在工作空间中具有机构的冗余局部减小的区域。这些是从致动器总数中任何一组6个致动器发展出机械奇点的区域。然而，剩余的(冗余的)致动器将取消奇点。因此，取消的机械奇点有效地减少了在工作空间的该区域中的冗余。在取消的机械奇点的这些区域中，可能需要非零力对抗以使致动器力最小化。
具有高致动器速度(例如1m/s或更高)的六足平台系统通常将设有液压致动器，该液压致动器具有相对细长的制动区域。在这种单一致动器发生故障的情况下需要这样的区域。这些制动区域导致致动器的长度增加并因此导致整个平台的尺寸增大。根据本发明的平台系统不需要这样的细长的制动区域，因为在其中一个致动器故障的情况下，剩余的7个致动器将确保故障的致动器将远离其端部区域，从而消除了对细长的制动区域的需要。
长行程致动器在本文指的是任何致动器，它能够从其最大压缩位置开始延伸超过其长度的10％。起始长度在本文定义为在致动器的每个端部处存在的两个连接点之间的距离。例如，如果当前的移动平台系统用于主题公园中所谓的供乘骑的游乐设施中的娱乐终端用途，则长行程致动器可以延伸的长度合适地超过 10cm。长行程致动器可以是液压致动器、机电致动器或电磁致动器，优选机电致动器。
上述优点主要是由于根据本发明的平台系统是超定系统的事实。平台系统是超定的，因为系统的自由度数(即6个自由度)小于致动器的数量。这样的超定系统以前没有应用于具有至少八个长行程致动器的移动平台系统。特别是不用于一种系统，其中平台移动至少在其位置域中被控制，更不用说在其位置、速度和加速度域中被控制。在物理上，这导致致动器的欠定控制问题，因为平台的状态不能完全确定致动器的状态。由于单独的平台是刚性的，以位置、速度和加速度表示的平台运动状态唯一地确定所有致动器的致动器位置、速度和加速度，但不是唯一地确定它们的力。解空间包括用于致动器力的无限解，不仅导致所需的平台移动，而且还试图使平台变形。这就是所谓的力对抗。
具有6个自由度和6个致动器的六足并不是超定的。这是因为平台可以在其所有6个自由度中自由移动，用于其六个致动器的所有移动的组合。
所命令和所需的平台移动设定点可以是平台位置设定点。优选地，所命令和所需的平台移动设定点为用于平台位置、速度和加速度的所命令和所需的设定点。
所需的平台移动设定点可以是模拟程序或主机的输出，例如娱乐的供乘骑的游乐设施或者飞行模拟程序或主机的输出。所需的移动设定点可以直接从模拟程序或主机提供，或者可以是运动提示过滤器的输出。这样的运动提示过滤器可以使不利于所需的运动提示体验的移动最小化。
平台位置、速度和加速度的所需的设定点也可以是程序的输出，该程序被设计成补偿平台系统的底座的大运动，使得平台本身保持在稳定的位置。这种移动的底座适当地是由于波动而移动的容器的一部分。
在上述申请中，所需的设定点不是预先知道的。这可能导致所命令的设定点将驱动移动平台系统脱离其操作和性能限制。在致动器是机电致动器或电磁致动器的情况下，这种预定的操作和性能限制可包括平台域限制、致动器域限制和电机电流域限制。当使用液压致动器时，性能限制将包括液压系统域限制。当使用机电致动器时，操作和性能限制的示例在下面的公式(1)的详细描述中提供。平台域限制是偏移限制。致动器域限制的示例是极端的致动器位置(即致动器的被提取和压缩的位置)、最大电机速度、最大电机或伺服驱动器连续或峰值电流、最大电功率、最大电机温度。液压致动器域限制的示例是连续和峰值液压流量限制。
控制器以及特别是控制器的部分(c)基于移动平台系统运动方程的局部线性化。由于系统在性能限制之外的非线性，该控制器的稳定性在性能限制之外可能是不利的。此外，致动器缓冲力等外力可作用于未被建模或不正确计时的致动器。由于这些原因，优选使用包括引导模块的控制器，该引导模块被构造成通过反向移动而使所需的平台移动设定点适应于所命令的平台移动设定点，并且该引导模块被构造成计算力对抗设定点，其中反向移动和力对抗设定点源自于模型预测控制算法，该模型预测控制算法使用成本最小化控制策略。优选地，长行程致动器为机电致动器，该机电致动器设有电机，该电机被构造成从伺服驱动器接收电机电流，其中平台系统具有预定的性能限制，该性能限制包括平台域限制、致动器域限制和电机电流限制，其中模型预测控制算法使用成本最小化控制策略，该成本最小化控制策略被构造成让平台保持在其性能限制内。
平台的反向移动旨在让平台保持在其性能限制内。力对抗设定点的产生导致更好地平衡致动器之间的负载，使得不超过每个致动器的电机电流约束，或者使得电机电流被优化。在大多数情况下，力对抗设定点可以为零。当例如单独的致动器超过预定的力和/或当单独的致动器将具有预定的和被定义的接近于零的速度和力设定点时，力对抗设定点可以偏离零。已经发现，当单独的致动器具有接近于零的速度和力设定点时，可以获得可能导致不期望的振动的不稳定系统。通过允许小的力对抗，可以避免这种不期望的振动。
引导模块被适当地构造成通过平台的反向移动并通过力对抗设定点使所需的设定点适应于所命令的设定点。反向移动和力对抗设定点源自于模型预测控制 (MPC)算法，该模型预测控制算法计算平台的预测工作空间。模型预测控制算法可以是无约束或受约束的模型预测控制算法。模型预测控制算法使用成本最小化控制策略。适当地，例如在US8996179(B2)中更详细地描述的，通过对预测的平台状态进行单个DOF偏移分析来计算预测的工作空间。
引导模块利用移动平台系统以及移动平台系统的运动逆方程的运动学模型，该运动学模型是源自于移动平台、致动器和电机的运动学、质量和性能模型的模型。成本函数将成本分配给与上述性能限制相关联的限制属性。此外，存在与不遵循所需的平台移动相关联的成本。使用最佳的控制器来计算反向移动(也称为冲刷加速度)和力对抗设定点，该最佳的控制器使该成本函数最小化。引导模块被构造成在控制器的每个计算周期执行。
引导模块可以以不同的方式构造。假设，例如主机驱动器文件被适当地设计为优化如所需的平台移动设定点所传达的运动提示。引导模块应尽可能少地干涉，以便避免用户从所需的运动提示中体验到不同的运动提示。因此，引导模块适当地被设计成尽可能接近地跟踪所需的设定点。优选地，成本最小化控制策略 (i)使位置、速度和加速度中的平台跟踪误差最小化，(ii)保持在致动器的位置和速度限制内，(iii)使电机电流最小化和/或使力对抗最小化，并(iv)防止过电流。或者，成本最小化控制策略(v)使具体的力误差最小化，(vi)保持在致动器的位置和速度限制内，(vii)以非零力对抗为代价使电机电流最小化，例如在取消的机械奇点的区域中，和/或(viii)使力对抗最小化并(ix)防止过电流。
适当地，用于无约束模型预测控制算法的引导模块的成本函数可以如下：
J＝JPt+JVt+JAt+JVe+JAe+Jpe+Jve+JIe+JFF (1)
其中：
JPt为平台位置跟踪误差的成本函数。此成本函数将成本分配给平台位置的所需的设定点与平台位置的所命令的设定点之间的差异。
JVt为平台速度跟踪误差的成本函数。该成本函数将成本分配给平台速度的所需的设定点与平台速度的所命令的设定点之间的差异。
JAt为平台加速度跟踪误差的成本函数。该成本函数将成本分配给平台加速度的所需的设定点与平台加速度的所命令的设定点之间的差异。
JVe为所有6个自由度中平台超速的成本函数。平台超速成本函数将成本分配给超过的平台速度。它可用于定义平台水平的运行速度限制。由于没有交叉耦合，对于每个自由度，它被单独地定义为标量函数。
Jae为所有6个自由度中平台超加速度的成本函数。平台超加速度成本函数将成本分配给超过预定的极限值的平台加速度。它可用于降低操作平台加速度限制。由于没有交叉耦合，对于每个自由度，它被单独地定义为标量函数。
Jpe为八个致动器过量的位置的成本函数。位置成本函数的致动器过量的目的在于避免致动器超过它们的位置行程。为了使致动器能够在它们的终点处平稳地制动，位置成本函数适当地是致动器速率的函数。
Jve为八个致动器超速的成本函数。注意致动器速度受最大值和终点附近制动轮廓的约束。
JIe为八个致动器的超过电机电流的成本函数。该成本函数可以被构造成对所有电机组合实现最小二乘电流或者被构造成限制所允许的最大电机电流。电机电流可表示为平台加速度、力对抗值和平台静态重量的函数。
JFF为将成本分配给在致动器之间的力对抗的存在的成本函数。
在调谐控制器时，设置用于上述单独的成本函数的权重因子。
对于平台位置、速度和加速度的给定的所需的设定点，能够通过构建冲刷加速度来使总成本J最小化：
Figure GDA0003094449840000061
其中wo指的是平台，向量中的x、y……Ψ指的是六个自由度，并且力对抗设定点：
Figure GDA0003094449840000071
其中fip是指平面内力对抗，而fop是指平面外力对抗。平面内力对抗是平台的两条对角线被平面内的力挤压在一起的情况。平面外力对抗的情况是，通过垂直于矩形平台的平面的力，平台的一条对角线被向上推而平台的一条对角线被向下推。
对于未来的时间点Δt，成本函数(1)的二阶泰勒近似。
Figure GDA0003094449840000072
其中：
Figure GDA0003094449840000073
在时刻Δt，成本被最小化：
Figure GDA0003094449840000074
这意味着最佳的变化率
Figure GDA0003094449840000075
由下式给出：
Figure GDA0003094449840000076
为了避免半静态偏移和漂移，跟踪回路适当地是控制器的一部分。跟踪回路被构造成调整所命令的平台移动设定点，使得所命令的平台移动设定点与所测量的平台移动之间的稳态误差朝零减小。
适当地，致动器为机电致动器，该机电致动器设有电机，该电机被构造成从伺服驱动器接收电机电流。对于这样的平台系统，控制器由控制律模块组成，该控制律模块被构造成(b)使八个长行程致动器移动，从而实现所命令的平台移动设定点，并且(c)被构造成通过使用平台移动设定点为每个单独的伺服驱动器提供速度和电机电流设定点而在致动器之间动态地重新分配由致动器施加在平台上的力，其中电机电流设定点补偿实际的力对抗信号与引导模块中所获得的力对抗设定点的差异。
设有机电致动器的平台系统的控制器适当地由以下控制律模块组成，该机电致动器设有电机，该电机被构造成从伺服驱动器接收电机电流。控制律模块被构造为多输入多输出控制器，以(b)使至少八个长行程致动器移动，从而实现所命令的平台移动设定点，并(c)被构造成通过两条前馈路径(x)和两条反馈路径(y)而在致动器之间动态地重新分配由致动器施加在平台上的力。在两条前馈路径(x)中，用于每个单独的伺服驱动器的速度设定点使用所命令的平台移动设定点作为输入来确定，电机电流设定点使用所命令的平台移动设定点和力对抗设定点作为输入使用来确定。在两条反馈路径(y)中，在实际的平台移动与所命令的平台移动设定点之间的误差减小，其中电机电流设定点被调整，使得实际的力对抗与力对抗设定点之间的差异被抵消。控制律模块将利用移动平台的运动学模型及其运动逆方程。
在上述移动平台系统中，每个机电致动器适当地设有传感器，该传感器被构造成获得所测量的致动器位置和速度传感器数据。在路径(y)中，优选在位置中并更优选在位置、速度和加速度中的实际的平台移动，使用运动平台系统的向后运动学模型以及所测量的致动器位置和速度感测器数据作为输入来重新构建。作为(y)的部分的跟踪回路被构造成调整平台位置的所命令的设定点，使得平台移动的所命令的设定点与所测量的平台移动之间的稳态误差朝零减小。
在机电致动器的八个致动器之间的(y)中的实际的力对抗信号使用伺服驱动器的实际的电机电流、致动器的加速度和平台位置作为输入来确定。带有八个致动器的平台和具有四个角和两条对角线的平台的实际的力对抗是(i)八个致动器的在平台的平面中的力对抗，该力对抗引起平面内变形，其中平台的两条对角线被挤压在一起，以及(ii)八个致动器的垂直于平台的平面的力对抗，该力对抗引起平面外变形，其中平台的一条对角线被向上推，而平台的一条对角线被向下推。
平台系统的平台和底座可以具有适合于通过至少八个致动器将底座连接至平台的任何形状。在八个致动器的情况下，底座和平台可以是矩形的，适当地是方形。也可以想到具有四个角的其他平面，例如梯形。
适当地，长行程致动器为同轴直接驱动致动器类型的机电致动器，包括直接安装在机电致动器的滚珠丝杠上的电机。这种类型比使用带或链的折叠致动器优选，因为它导致平台系统在使用中具有较小的加速度噪声和可听噪声。电机适当地是扭矩电机。致动器可设有弹性体缓冲器，以当致动器处于完全压缩时吸收故障。致动器可设有挤压管，以当致动器处于完全压缩时吸收故障。适当地，每个致动器设有用于测量电机位置和速度的传感器，该传感器具有通过伺服驱动器连接至控制器的输出装置。位置和速度传感器信号用于重新构建致动器以及平台位置，优选位置、速度和加速度。
适当地，扭矩电机的电机相连接至短线圈制动电阻器。这样的短线圈制动电阻器在电源或其他故障的情况下是有利的。在这种情况下，致动器将对工作空间内的任何静态位置具有压缩致动器力，导致平台系统在重力作用下在短线圈制动器上被动地返回至预定的安全位置。例如在US5931739中所描述的，不需要主动返回至归属系统。电机相将通过短线圈制动电路连接至短线圈制动电阻器。在出现故障的情况下，机电致动器充当阻尼器，其中动能和势能在电阻器中消散，导致致动器减速并以有限的速率向下移动至稳定的位置。
每个长行程致动器通过具有两个旋转自由度的万向接头适当地连接至平台并连接至底座。每个接头可包括机加工的钢壳体和轴，该轴在两个锥形的滚子轴承或的滚针轴承中作为平台或底座的一部分运转。优选地，平台和底座设有滚针轴承，因为这使最大可能的轴直径成为可能，其中弯矩具有其最大值，同时仍然保持平台系统的有限外部尺寸。作为底座的一部分的下轴承单元可以“组合化 (siamized)”(结合)，以便减小两个接头之间的间距。由于平台系统本身具有两倍冗余的事实，因此这种下轴承的故障并不重要，因此允许这样的组合化结构。
本发明还涉及控制超定移动平台系统的方法，该超定移动平台系统包括：底座；平台，该平台能够相对于所述底座沿6个自由度移动；至少八个长行程致动器，该长行程致动器通过执行引导步骤(a)和控制律步骤(b)来将底座与平台耦合，其中在引导步骤(a)中，所需的平台移动设定点通过计算平台的反向移动并通过计算力对抗设定点来适应于所命令的平台移动设定点，其中反向移动和力对抗设定点使用模型预测控制算法来得到，该模型预测控制算法使用成本最小化控制策略，并且在控制律步骤(b)中，长行程致动器被移动，从而实现(a)的所命令的平台移动设定点，同时根据在(a)中获得的力对抗设定点在致动器之间动态地重新分配由致动器施加在平台上的力。
致动器的数量可以如平台所述。对于平台提到的优选实施例和解释对于该方法也是有效的。下文描述一些优选实施例。
适当地，所命令和所需的平台移动设定点为用于平台位置、速度和加速度的所命令和所需的设定点。
控制律步骤(b)适当地包括前馈路径(x)和反馈路径(y)。前馈路径(x) 包括两条前馈路径，其中用于每个单独的伺服驱动器的速度设定点使用所命令或调整的所命令的平台移动设定点作为输入来确定，电机电流设定点使用所命令或调整的所命令的平台移动设定点和力对抗设定点作为输入来确定。反馈路径(y) 包括两条反馈路径，其中在实际的平台位置、速度和加速度与所命令或调整的所命令的平台移动设定点之间的误差减小，其中所测量的致动器位置和速度感测器数据用于使用运动平台系统的向后运动学模型来重新构建实际的平台位置、速度和加速度，其中电机电流设定点被调整，使得实际的力对抗与力对抗设定点之间的差异被抵消。
适当地，所命令和所需的平台移动设定点为平台位置的所命令和所需的设定点，其中每个致动器的位置被测量，所测量的平台位置使用所测量的致动器位置作为在向后运动学模型中的(y)中的输入来计算，其中位置的所命令的设定点被调整，以通过减小平台位置的所命令的设定点与所测量的平台位置之间朝零的稳态误差来获得经调整的平台移动设定点。优选地所命令和所需的平台移动设定点为用于平台位置、速度和加速度的所命令和所需的设定点，其中每个致动器的位置、速度和加速度被测量，所测量的平台位置使用所测量的致动器位置、速度和加速度作为向后运动学模型中的输入来在(y)中计算，其中位置的所命令的设定点被调整，以通过减小平台位置的所命令的设定点与所测量的平台位置之间朝零的稳态误差来获得经调整的平台移动设定点。
适当地，长行程致动器为机电致动器，该机电致动器设有电机，该电机从伺服驱动器接收电机电流。平台系统具有预定的操作和性能限制，该操作和性能限制包括平台域限制和致动器域限制，包括电机限制和伺服驱动器限制。然后，模型预测控制算法适当地使用成本最小化控制策略，该成本最小化控制策略被构造成让平台保持在其性能限制内。
适当地，在控制律步骤(b)中，通过利用经调整的平台移动设定点为每个单独的伺服驱动器提供速度和电机电流设定点，由致动器施加在平台上的力在致动器之间被动态地重新分配。电机电流设定点补偿实际的力对抗信号与引导模块中所获得的力对抗设定点的差异。
适当地，控制律步骤(b)由根据如下的前馈路径(x)和反馈路径(y)组成
(x)两条前馈路径，其中每个单独的伺服驱动器的速度设定点使用所命令的作为输入来确定，电机电流设定点使用所命令或调整的所命令的平台移动设定点和力对抗设定点作为输入来确定，以及
(y)两条反馈路径，其中在实际的平台位置、速度和加速度与所命令或调整的所命令的平台移动设定点之间的误差减小，其中电机电流设定点被调整，使得实际的力对抗与力对抗设定点之间的差异被抵消。
实际的平台位置、速度和加速度可以使用运动平台系统的向后运动学模型以及所测量的致动器位置和速度感测器数据作为输入来重新构建。在致动器之间的实际的力对抗可以使用八个伺服驱动器的实际的电机电流、八个致动器的实际的加速度和平台位置作为输入来确定。对于具有八个致动器的平台和具有四个角和两条对角线的平台，力对抗被定义为(i)八个致动器的在平台的平面中的力对抗，该力对抗引起平面内变形，其中平台的两条对角线被挤压在一起，以及(ii) 被定义为八个致动器的垂直于平台的平面的力对抗，该力对抗引起平面外变形，其中平台的一条对角线被向上推，而平台的一条对角线被向下推。
附图说明
图1示出了根据本发明的超定移动平台系统。
图2和图3从上方示出了平台，示出了向上和向下的力。
图4示出了平台系统的控制器的控制图。
图5示出了图4所示的制导律 的控制图。
图6更详细地示出了图4的八足控制律。
具体实施方式
本发明将通过以下非限制性附图来阐明。
图1示出了移动平台系统(1)，包括：矩形的底座(2)；矩形的平台(3)，该平台能够相对于所述底座(2)沿6个自由度移动；八个长行程致动器(4)。八个致动器(4)直接将底座(2)与平台(3)耦合。底座具有四个角(5)，其中在每个角处，两个致动器(4)的下端成对地连接至所述底座(4)。平台具有四个角(6)，其中在每个角处，两个致动器(4)的上端成对地连接至平台(3)。致动器(4)通过具有两个旋转自由度的万向接头(7)连接至所述底座(4)和平台(3)。万向接头(7)具有机加工的钢壳体(8)，其一端连接至致动器的末端，其另一端可旋转地连接至滚针轴承(9)。滚针轴承(9)位于在角(6) 的两侧与平台的角(6)相同的高度并指向远离所述平台(3)的位置。通过在与平台(3)相同的平面中在平台的角(6)的相同高度处直接连接滚针轴承，获得具有低重心的平台系统(1)。低重心将减少施加在平台系统上的力，降低功耗并使人们能够利用功率较小的致动器。此外，在使用中定位在平台顶部(例如在舱室等中)的使用者的眼点将相对于所谓的运动平台质心(MPC)降低。这将导致改善的运动提示，即更少的寄生加速度，因为MPC和使用者眼点之间的垂直距离减小。MPC是由8个接头中心形成的八边形的几何中心。最后，因为整个平台系统和可能的舱室或放置在平台系统顶部的其它结构的高度可以降低，所以有可能将平台系统放入具有较低的天花板的建筑物中。
在底座(2)的角(5)处的一对万向接头(7)的滚针轴承(9)被组合化或结合在一个壳体(10)中，使得所述滚针轴承之间的距离最小化。
图2示出了从上面看的平台(3)。带有圆点的圆圈和带有十字的圆圈表示由平台(3)的角(6)上的八个致动器施加的垂直于矩形的平台(3)的平面的相应向下的力和向上的力。这些力引起力对抗，该力对抗引起平面外变形，其中平台(3)的一条对角线(22)被向上推，而平台(3)的一条对角线(21)被向下推。
图3示出了从上面看的平台(3)。箭头表示由平台(3)的平面中的八个致动器施加在平台(3)的角(6)上的力，导致力对抗，其中平面内变形将发生在平台(3)的两条对角线(20、21)被挤压在一起的地方。
图4示出了根据图1的平台系统的控制器或基于八足模型的控制器如何与分别单独地连接至八个长行程机电致动器的八个伺服驱动器通信。主计算机在平台位置、速度和加速度中产生所需的平台移动设定点。该设定点可以通过可选的运动提示过滤器来调整，以获得经过滤的设定点(未示出)。控制器分为两个要素，即八足制导律和八足控制律。八足制导律从外部主计算机接受平台位置、速度和加速度中的所需的平台移动设定点。所需的设定点转换为平台的位置速度和加速度的所有命令的设定点，以及机电致动器的电机的力对抗设定点。制导律被设计使得当平台按照这些设定点移动时，不会超过操作或物理限制。将利用图5进一步描述制导律。
图4中的八足控制律的目的在于，如由制导律所命令的，使运动平台按照所命令的设定点移动。图1的平台系统可以表征为高度交叉耦合的多通道(即多个自由度)、超定系统(比自由度更多的致动器)。控制律(CL)被设计为具有前馈路径和反馈路径的多输入多输出控制器，其被设计成解耦自由度之间的交叉耦合并处理处理力对抗问题，该力对抗问题源于具有比自由度更多的致动器。将利用图6进一步描述控制律及其与伺服驱动器的通信。
图5更详细地示出了图4的制导律。制导律的输入为平台位置、速度和加速度(PVA)中的所需的平台移动设定点。存在两种输出：平台和力对抗设定点的所命令的位置速度和加速度设定点。制导律被设计，使得平台的所命令的PVA 设定点与致动器力对抗的组合是这样的，所需的平台PVA被最佳地跟踪，同时遵守移动平台系统硬件的物理限制和操作限制。制导律的核心要素是模型预测控制(MPC)。MPC基于使用成本最小化策略的移动平台系统状态的迭代有限时域优化。在该方法中，成本被分配给特定系统控制的变量相对于期望参考的偏差。该方法使用系统的动态模型，以计算使成本最小化同时遵守特定系统限制的最佳动作。MPC算法可以被构造为无约束或受约束的格式。
图5示出了所命令的平台PVA被投射到未来的小时间实例DT。这导致预测平台PVA，其是MPC控制器的直接输入。存在两个额外的输入至MPC控制器，这些额外的输入也取决于预测的平台PVA。它们是：使用运动学模型从预测的平台PVA计算的预测的致动器PVA和使用运动平台的运动逆方程从所命令的 PVA计算的预测的电机电流。利用这些输入，成本最小化策略用于找到所需的平台PVA以及因此所命令的平台PVA的最佳适应性，与力对抗设定点相结合。参数是控制目标、运动平台物理限制和操作(使用)限制。
图6更详细地示出了图4的八足控制律。控制律是具有前馈路径和反馈路径的多输入多输出控制器。在前馈路径中，八足(移动平台系统)的运动学模型用于将命令的平台PVA转换为八个所命令的致动器PVA设定点信号。它们作为输入传递给伺服驱动器。运动平台的运动逆方程用于将所命令的平台PVA转换为每个致动器的电机电流设定点。对于每个时间实例，电机电流Im能够用所命令的平台加速度Ac、重力扳手Wg和力对抗设定点如下表示：
Im＝K1*Ac+K2*Wg+K3*FF (8)
其中：
Im为包含电机电流的尺寸8矢量
Ac为包含6个自由度的所命令的平台加速度的尺寸6矢量
K1为将平台加速度转换为电机电流的(8x6)矩阵
Wg为包含当前所命令的平台位置的重力扳手的尺寸6矢量
K2为将重力扳手转换为电机电流的8x6矩阵
FF为包含平面内力对抗设定点和平面外力对抗设定点的尺寸2向量
K3为将力对抗设定点转换为电机电流的(8x2)矩阵。
反馈路径是力对抗误差的反馈以及平台位置速度和加速度误差的反馈。力对抗误差的反馈，其中电机电流设定点被调整，使得所测量的力对抗与平面内变形和平面外变形的力对抗设定点之间的差异被抵消。对于任何时间实例，导致平面内变形和平面外变形的所测量的力对抗FF_sensor能够如下计算：
FF_sensor＝K5*Ac-K6*Im_sensor (9)
其中：
FF_sensor为包含导致平面内变形和平面外变形的所测量的力对抗的尺寸2矢量
K5为6x2矩阵，平台所命令的加速度乘以该6x2矩阵
Im_sensor为具有所测量的电机电流的尺寸8矢量
K6为8x2矩阵，所测量的电机电流乘以该8x2矩阵。
FF_sensor使用以下方程对于每个致动器转换为电机电流误差：
Im_error＝K4*(FF-FF_sensor) (10)
其中：
Im_error为具有8个电机电流误差的尺寸8矢量
FF为具有力对抗设定点的尺寸2矢量
K4为将设定点力对抗与所测量的力对抗之间的差异转换为电机电流误差的8x2矩阵。
平台位置速度和加速度误差的反馈使用所测量的致动器位置和速度感测器数据，以使用运动平台的向后运动学模型来重新构建所测量的平台PVA。抗漂移的跟踪回路控制器使用所述命令的平台PVA与所测量的平台PVA之间的误差，以缓慢调整所述命令的平台PVA，使得误差减小，如图6所示。

Claims (15)

1.一种超定移动平台系统，包括：
底座；
平台，该平台能够相对于所述底座沿6个自由度移动；
至少八个长行程致动器，其中每个致动器将底座与平台耦合，并且其中超定移动平台系统被定义为可存在致动器力对抗，该致动器力对抗根据致动器相对于平台的取向而使平台变形；以及
控制器，该控制器(a)被构造成使所需的平台移动设定点适应于所命令的平台移动设定点，(b)被构造成使八个长行程致动器移动，从而实现所命令的平台移动设定点，并且(c)被构造成在致动器之间动态地重新分配由致动器施加在平台上的力。
2.根据权利要求1所述的移动平台系统，其中长行程致动器为液压致动器、机电致动器或电磁致动器。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的移动平台系统，其中控制器包括引导模块，该引导模块被构造成通过平台的反向移动而使所需的平台移动设定点适应于所命令的平台移动设定点，并且该引导模块被构造成计算力对抗设定点，其中反向移动和力对抗设定点源自于模型预测控制算法，该模型预测控制算法使用成本最小化控制策略。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的移动平台系统，其中所命令和所需的平台移动设定点为用于平台位置、速度和加速度的所命令和所需的设定点。
5.根据权利要求1-2中任一项所述的移动平台系统，其中长行程致动器为机电致动器，该机电致动器设有电机，该电机被构造成从伺服驱动器接收电机电流，其中平台系统具有预定的操作和性能限制，该操作和性能限制包括平台域限制和致动器域限制，其中模型预测控制算法使用成本最小化控制策略，该成本最小化控制策略被构造成让平台保持在其预定的操作和性能限制内。
6.根据权利要求5所述的移动平台系统，其中控制器由控制律模块组成，该控制律模块被构造成(b)使八个长行程致动器移动，从而实现所命令的平台移动设定点，并且(c)被构造成通过使用平台移动设定点为每个单独的伺服驱动器提供速度和电机电流设定点而在致动器之间动态地重新分配由致动器施加在平台上的力，其中电机电流设定点补偿实际的力对抗信号与引导模块中所获得的力对抗设定点的差异。
7.根据权利要求6所述的移动平台系统，其中控制律模块通过两条前馈路径(x)和两条反馈路径(y)而被构造为多输入多输出控制器：
(x)两条前馈路径，其中用于每个单独的伺服驱动器的速度设定点使用所命令的平台移动设定点作为输入来确定，电机电流设定点使用所命令的平台移动设定点和力对抗设定点作为输入使用来确定，以及
(y)两条反馈路径，其中在实际的平台移动与所命令的平台移动设定点之间的误差减小，其中电机电流设定点被调整，使得实际的力对抗与力对抗设定点之间的差异被抵消。
8.根据权利要求7所述的移动平台系统，其中每个致动器设有传感器，该传感器被构造成获得所测量的致动器位置和速度感测器数据，其中实际的平台移动为实际的平台位置、速度和加速度，该实际的位置、速度和加速度使用运动平台系统的向后运动学模型以及所测量的致动器位置和速度感测器数据作为输入来重新构建。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的移动平台系统，其中平台系统具有八个致动器以及平台，该平台具有四个角和两条对角线，其中在八个致动器之间的实际的力对抗信号使用八个伺服驱动器的实际的电机电流、八个致动器的实际的加速度和平台位置作为输入来确定，以计算(i)八个致动器的在平台的平面中的力对抗，该力对抗引起平面内变形，其中平台的两条对角线被挤压在一起，以及计算(ii)八个致动器的垂直于平台的平面的力对抗，该力对抗引起平面外变形，其中平台的一条对角线被向上推，而平台的一条对角线被向下推。
10.控制超定移动平台系统的方法，该超定移动平台系统包括：底座；平台，该平台能够相对于所述底座沿6个自由度移动；至少八个长行程致动器，该长行程致动器通过执行引导步骤(a)和控制律步骤(b)来将底座与平台耦合，其中超定移动平台系统被定义为可存在致动器力对抗，该致动器力对抗根据致动器相对于平台的取向而使平台变形，并且其中
在引导步骤(a)中，所需的平台移动设定点通过计算平台的反向移动并通过计算力对抗设定点来适应于所命令的平台移动设定点，其中反向移动和力对抗设定点使用模型预测控制算法来得到，该模型预测控制算法使用成本最小化控制策略，并且
在控制律步骤(b)中，长行程致动器被移动，从而实现(a)的所命令的平台移动设定点，同时根据在(a)中获得的力对抗设定点在致动器之间动态地重新分配由致动器施加在平台上的力。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所命令和所需的平台移动设定点为用于平台位置、速度和加速度的所命令和所需的设定点。
12.根据权利要求10-11中任一项所述的方法，其中长行程致动器为机电致动器，该机电致动器设有电机，该电机从伺服驱动器接收电机电流，其中平台系统具有预定的操作和性能限制，该操作和性能限制包括平台域限制和致动器域限制，包括电机限制和伺服驱动器限制，其中模型预测控制算法使用成本最小化控制策略，该成本最小化控制策略被构造成让平台保持在其性能限制内。
13.根据权利要求12所述的方法，其中控制律步骤(b)由根据如下的前馈路径(x)和反馈路径(y)组成
(x)两条前馈路径，其中每个单独的伺服驱动器的速度设定点使用所命令的作为输入来确定，电机电流设定点使用所命令或调整的所命令的平台移动设定点和力对抗设定点作为输入来确定，以及
(y)两条反馈路径，其中在实际的平台位置、速度和加速度与所命令或调整的所命令的平台移动设定点之间的误差减小，其中电机电流设定点被调整，使得实际的力对抗与力对抗设定点之间的差异被抵消。
14.根据权利要求13所述的方法，其中实际的平台位置、速度和加速度使用运动平台系统的向后运动学模型以及所测量的致动器位置和速度感测器数据作为输入来重新构建。
15.根据权利要求13-14中任一项所述的方法，其中移动平台系统具有八个致动器和平台，该平台具有四个角和两条对角线，在八个致动器之间的实际的力对抗使用八个伺服驱动器的实际的电机电流、八个致动器的实际的加速度和平台位置作为输入来确定，以计算(i)八个致动器的在平台的平面中的力对抗，该力对抗引起平面内变形，其中平台的两条对角线被挤压在一起，以及计算(ii)八个致动器的垂直于平台的平面的力对抗，该力对抗引起平面外变形，其中平台的一条对角线被向上推，而平台的一条对角线被向下推。
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