CN110259879B - 用于电动Stewart结构的无力反馈隔振控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电动Stewart结构的无力反馈隔振控制方法和系统，能够提高Stewart结构隔振平台的隔振效果。所述方法根据位置控制器计算的控制量u估计电动直线驱动机构轴向力F_l，以F_l的估计值解算隔振平台所受到的六维力τ，将τ输入六维隔振控制器计算隔振平台的位姿调整量Δq，将隔振平台的设定位姿与传感器测得的电动Stewart结构的基座位姿以及Δq做差，所得差值作为隔振平台的目标位姿进行位置逆解，得到各个电动直线驱动机构的位置给定，利用该位置给定控制各个电动直线驱动机构快速跟随，从而实现隔振控制。

Description

用于电动Stewart结构的无力反馈隔振控制方法和系统

技术领域

本发明属于隔振控制领域，尤其涉及一种用于电动Stewart结构的无力反馈隔振控制方法和控制系统。

背景技术

目前，隔振平台相关技术研究不断深入，对于保护平台负载、提高平台的稳定性和安全性具有重要意义。常见隔振平台主要包括适用于摄像头等小型负载的框架云台和用于车辆、舰船等较大负载工况的并联式隔振机构。Stewart结构作为一种重要的并联式机械结构，具有高控制精度、高频响和高稳定性的特点，广泛应用于工业制造、运动模拟和力学测量等领域，并在隔振领域展示出较强的适用性。日本学者Yutaka Tanaka在第五届中日流体动力论坛中介绍了一种用于舰船隔振的液压驱动Stewart结构，采用了基于姿态信息反馈的位置式控制方法。该方法通过陀螺仪和加速度计测量基座的姿态变化，然后通过位置解算获得各个驱动支链的目标位移，最终实现隔振平台的平稳控制。上述隔振系统的控制方法中没有测量隔振平台姿态参数并进行反馈，因此是一种开环控制结构，其抗扰能力不足，且姿态控制精度完全依赖驱动支链的位置控制精度。该系统以液压元件驱动，带来了由于摩擦、液压油液泄露以及温度变化后特性改变等带来的非线性干扰，使得液压元件控制精度难以得到保证。此外，难以构建驱动支链的位置与隔振平台姿态之间的控制模型。为实现Stewart结构更好的隔振控制效果，需要采用电动驱动方式，并设计一种基于模型的闭环控制方法。

发明内容

有鉴于此，本发明针对电动缸驱动的Stewart结构(电动Stewart结构)提出了一种无力反馈隔振控制方法和系统，能够提高Stewart结构隔振平台的隔振效果。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种用于电动Stewart结构的无力反馈隔振控制方法，该电动Stewart结构包括基座、隔振平台以及连接在基座与隔振平台之间的电动直线驱动机构；该方法包括：

步骤1、对单电动直线驱动机构进行动力学分析，构建电动直线驱动机构的位置控制量u与电动直线驱动机构轴向力F_l之间的关系表达，根据位置控制器计算的控制量u估计电动直线驱动机构轴向力F_l；

步骤2、构建电动Stewart结构动力学模型，以电动直线驱动机构轴向力F_l的估计值解算隔振平台所受到的六维力τ；

步骤3、针对电动Stewart结构设计基于弹簧-阻尼-惯容模型的六维隔振控制器，将六维力τ输入六维隔振控制器计算隔振平台的位姿调整量Δq；

步骤4、将隔振平台的设定位姿与传感器测得的电动Stewart结构的基座位姿以及隔振控制器计算的位姿调整量Δq做差，所得差值作为隔振平台的目标位姿进行位置逆解，得到各个电动直线驱动机构的位置给定；

步骤5、基于电动直线驱动机构的位置给定，利用位置控制器解算控制量u，通过驱动器驱动各个电动直线驱动机构快速跟随，从而实现隔振控制。

优选地，所述步骤1为：

构建电动直线驱动机构的力平衡方程，该方程表达了电动直线驱动机构轴向力F_l与电动直线驱动机构的驱动电机输出转矩T_e之间的关系；

在电动直线驱动机构的位置闭环控制系统中，驱动电机输出转矩T_e与其控制量u成线性关系；

基于所述力平衡方程和所述线性关系，在已知控制量u时，可以计算出电动直线驱动机构轴向力F_l。

优选地，所述步骤2为：

构建隔振平台力平衡方程为：

τ-G·F_L＝0

式中，τ∈R^6×1表示隔振平台受到的广义六维力；F_L∈R^6×1为六条电动缸的轴向力估计的集合，G∈R^6×6为Stewart结构的构型所决定的一阶静力影响矩阵，表达式为：

其中

表示六个电动直线驱动机构的轴向力；电动直线驱动机构通过虎克铰与基座和隔振平台，则B₁～B₆表示与基座相连的虎克铰处十字键的质心，P₁～P₆表示与隔振平台相连的虎克铰处十字键的质心；

将步骤1获得的各电动直线驱动机构轴向力估计值F_l ¹～F_l ⁶代入隔振平台力平衡方程，即可解算出隔振平台所受到的六维力τ。

优选地，步骤4所述传感器测得的电动Stewart结构的基座位姿为：利用姿态传感器获得隔振平台的俯仰角和横滚角；则在做差时，与设定的六维位姿中的俯仰角和横滚角进行做差。

本发明还提供了一种用于电动Stewart结构的无力反馈隔振控制系统，包括：相减模块、位置逆解模块、位置控制器、驱动器、传感器、轴向力估计模块、六维力解算模块、隔振控制器；

相减模块，用于将隔振平台的设定位姿与所述传感器测得的电动Stewart结构的基座位姿以及隔振控制器计算的位姿调整量Δq做差，所得差值发送给位置逆解模块；

位置逆解模块，用于将所述差值作为隔振平台的目标位姿进行位置逆解，得到各个电动直线驱动机构的位置给定，发送给位置控制器；

位置控制器，用于基于电动直线驱动机构的位置给定解算控制量u，发送给驱动器和轴向力估计模块；

轴向力估计模块，用于通过对单电动直线驱动机构进行动力学分析，构建电动直线驱动机构的位置控制器输出控制量u与电动直线驱动机构轴向力F_l之间的关系表达，根据接收自位置控制器的控制量u估计电动直线驱动机构轴向力F_l，发送给六维力解算模块；

六维力解算模块，基于电动Stewart结构动力学模型，以电动直线驱动机构轴向力F_l的估计值解算隔振平台所受到的六维力τ；

隔振控制器是根据电动Stewart结构设计的基于弹簧-阻尼-惯容模型的六维隔振控制器，将六维力τ输入该六维隔振控制器计算得到隔振平台的位姿调整量Δq，输出到相减模块。

优选地，所述轴向力估计模块构建电动直线驱动机构的力平衡方程，该方程表达了电动直线驱动机构轴向力F_l与电动直线驱动机构的驱动电机输出转矩T_e之间的关系；

在电动直线驱动机构的位置闭环控制系统中，驱动电机输出转矩T_e与其控制量u成线性关系；

基于所述力平衡方程和所述线性关系，在已知控制量u时，可以计算出电动直线驱动机构轴向力F_l。

优选地，所述六维力解算模块构建隔振平台力平衡方程为：

τ-G·F_L＝0

式中，τ∈R^6×1表示隔振平台受到的广义六维力；F_L∈R^6×1为六条电动缸的轴向力估计的集合，G∈R^6×6为Stewart结构的构型所决定的一阶静力影响矩阵，表达式为：

其中F_l ¹～F_l ⁶表示六个电动直线驱动机构的轴向力；电动直线驱动机构通过虎克铰与基座和隔振平台，则B₁～B₆表示与基座相连的虎克铰处十字键的质心，P₁～P₆表示与隔振平台相连的虎克铰处十字键的质心；

将轴向力估计模块获得的各电动直线驱动机构轴向力估计值F_l ¹～F_l ⁶代入隔振平台力平衡方程，即可解算出隔振平台所受到的六维力τ。

有益效果：

(1)该方法以电动缸位置控制过程中的状态量估计轴向受力大小，不需要安装相应的力传感器，简化了机械结构，降低了成本。相比于安装力传感器测量电动缸的轴向力，以电动缸位置控制过程中的状态量估计轴向力可以避免力传感器信号传输和信号处理过程中的噪声，提高测量精度。而且该方法省去了由力传感器受到力作用到获得力信息的过程，减小了电动缸轴向力测量的滞后性。

(2)该方法充分结合了电动Stewart结构在隔振和力测量领域的成熟应用背景，以单电动缸的轴向力解算隔振平台受到的六维力，此为无力反馈控制的基础。

(3)该方法采用基于位置内环的隔振控制方法，避免了电动Stewart结构单自由度力控制难以实现的问题，发挥了其单自由度位置控制精度高的优势。

(4)该方法于电动Stewart结构单自由度采用ADRC设计隔振控制器。由于隔振平台的姿态变化将导致其惯量在六个自由度的分配产生变化，六个自由度之间存在较强的非线性耦合，但是此部分是可建模的。该方法考虑上述问题，将此部分非线性耦合作为单自由度的非线性扰动，以ADRC方法增强抗扰能力。

附图说明

图1为现有电动Stewart结构隔振控制系统的系统组成框图；

图2为一种用于电动Stewart结构的无力反馈隔振控制原理图；

图3为一种滚柱丝杠传动的电动缸结构示意图与受力分析；

图4为电动Stewart结构的数学模型；

图5为一种用于电动Stewart结构的无力反馈隔振控制器框图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。在以下实施例中，以电动缸作为电动直线驱动机构为例进行描述。

本发明针对电动Stewart结构隔振控制系统，现有系统组成框图如图1所示。该系统主要包括控制器、驱动器、执行机构和姿态传感器。控制器主要实现根据设定位姿、基座位姿以及驱动器的反馈信息产生控制信号并给到驱动器。驱动器根据接收到的控制信号驱动执行机构在振动激励的工况下实现跟随。姿态传感器用来测量执行机构基座位姿，并反馈给控制器。通过上述描述可知其为闭环控制系统。

图2为本发明所设计的用于电动Stewart结构的无力反馈隔振控制系统的原理图，如图所示，该系统包括相减模块、位置逆解模块、位置控制器、驱动器、传感器、轴向力估计模块、六维力解算模块和隔振控制器。

基于该系统的控制方法包括如下步骤：

步骤1、轴向力估计模块通过对电动缸进行动力学分析，构建电动缸的位置控制器输出控制量u与电动缸轴向力F_l之间的关系表达，根据位置控制器计算的控制量u估计电动缸轴向力F_l，发送给六维力解算模块。

步骤2、六维力解算模块基于电动Stewart结构动力学模型，以电动缸轴向力F_l的估计值解算隔振平台所受到的六维力τ，输出到隔振控制器。

步骤3、针对电动Stewart结构设计基于弹簧-阻尼-惯容模型的六维隔振控制器，将六维力τ输入六维隔振控制器计算隔振平台的位姿调整量Δq，输出到相减模块。

步骤4、将隔振平台的设定位姿与传感器测得的电动Stewart结构的基座位姿以及隔振控制器计算的位姿调整量Δq做差，所得差值作为隔振平台的目标位姿，根据电动Stewart结构的运动学模型分析实现逆运动学解算，即由位置逆解模块进行位置逆解，得到各个电动缸的位置给定，发送给位置控制器。位置逆解模块采用并联六自由度平台的常用模型实现位置逆解。

在本步骤中，传感器测得电动Stewart结构的基座位姿可以是利用姿态传感器获得隔振平台的俯仰角和横滚角；则在做差时，这两个角度与设定的六维位姿中的俯仰角和横滚角进行做差即可。在实际中，还可以利用姿态传感器和加速计获得隔振平台的俯仰角、横滚角和加速度等信息，进而获得位移变化，那么在做差时，可以针对俯仰角、横滚角和三个轴的位移进行做差。

步骤5、位置控制器基于电动缸的位置给定解算控制量u，通过驱动器驱动各个电动缸快速跟随，从而实现隔振控制。

至此，本流程结束。

下文将重点介绍单缸轴向力估计方法、六维力解算和隔振控制器设计。

(1)电动缸轴向力估计

首先构建电动直线驱动机构的力平衡方程，该方程表达了电动直线驱动机构轴向力F_l与电动直线驱动机构的驱动电机输出转矩T_e之间的关系；同时考虑到在电动直线驱动机构的位置闭环控制系统中，驱动电机输出转矩T_e与其控制量u成线性关系；因此基于上述力平衡方程和所述线性关系，在已知控制量u时，可以计算出电动直线驱动机构轴向力F_l。

电动缸的工作原理是通过诸如行星滚柱丝杠、滚珠丝杠或传送带将伺服电机的旋转运动转换为伸缩杆的直线运动。以一种滚珠丝杠传动的电动缸为例，其结构示意图与受力分析如图3所示，系统的力平衡方程为：

式中，F_l表示电动缸的轴向力，T_e表示电动缸驱动电机的输出转矩，T_f表示滚珠丝杠的摩擦转矩，f表示滚珠丝杠的摩擦力，T_r表示径向扭矩，P表示电动缸的导程(即，电动缸的驱动电机每转一圈缸杆前进的距离)，D表示电动缸缸杆的直径，α是由导程和缸杆直径所决定的升角。

在电动缸的位置闭环控制系统中，驱动电机的输出转矩T_e与其控制量u(t)近似成以系数K_p的线性关系。同时缸杆只有轴线方向的位移而没有转动，可得如下条件

结合公式(1)和(2)，在已知u的情况下，即可估计得电动缸的轴向受力F_l。

(2)六维力解算

构建电动Stewart结构的动力学模型，以单电动缸轴向力估计解算隔振平台所受到的六维力。本环节的实现方式有多种，例如：

构建电动Stewart结构的数学模型如图4所示，该结构具有1个基座、1个隔振平台、6个电动缸和12个虎克铰。与基座相连的虎克铰处十字键的质心表示为B₁～B₆，与隔振平台相连的虎克铰处十字键的质心表示为P₁～P₆，6个电动缸的长度表示为l₁～l₆。基座坐标系Σ^b(简称基坐标系)建立在基座上，其坐标原点O_B位于基座铰点外接圆的圆心，Z轴(图中Z_B)垂直于基座指向动平台，Y轴(图中Y_B)垂直于铰点B₃和B₄的连线，X轴(图中X_B)由右手法则确定。同理建立隔振平台坐标系Σ^p。本文默认所提到点的坐标为Σ^b下的表示，在Σ^p的坐标表示记作*|Σ^p。以q表示隔振平台的当前姿态，以Δq表示q在六个自由度的变化量。隔振平台力平衡方程为

τ-G·F_L＝0 (3)

式中，τ∈R^6×1表示运动平台受到的广义六维力，这个六维力包括平台在空间中受到的6个自由度的力，包括三个坐标轴的平移和旋转。F_L∈R^6×1为六条电动缸的轴向力估计，G∈R^6×6为Stewart结构的构型所决定的一阶静力影响矩阵，表达式为。

其中F_l ¹～F_l ⁶表示六条电动缸的轴向力。

将步骤1获得的各电动直线驱动机构轴向力估计值F_l ¹～F_l ⁶代入上述隔振平台力平衡方程(3)和(4)，即可解算出隔振平台所受到的六维力τ。

(3)隔振控制器设计

本发明针对电动Stewart结构设计基于弹簧-阻尼-惯容模型的六维隔振控制器，采用自抗扰(Active Disturbance Rejection Control简称：ADRC)控制算法处理各个自由度之间由于隔振平台的惯量分解引起的非线性耦合。于电动Stewart结构单自由度实现基于位置内环的主动隔振控制。

具体来说，本发明针对电动Stewart结构设计的无力反馈隔振控制器的原理框图如图5所示，τ_e表示环境对隔振平台的扰动力，q_d表示隔振平台的目标位姿，

和

分别表示Δq的一阶导数和二阶导数。跟踪微分器用于根据Δq获得

和

观测器用于对隔振平台受到的六维力和系统受到的扰动进行观测。控制量计算用于根据弹簧-阻尼-惯容模型通过

和观测量计算控制量Δq，实现对Stewart结构的隔振平台的隔振控制。设计系统广义弹簧-阻尼-惯容模型为

其中，M(q)∈R^6×6表示系统运动部分的广义质量，包括了隔振平台相对于三个平移自由度的质量和三个旋转自由度的转动惯量，并且，M(q)随着隔振平台的运动而时刻变化。ξ∈R^6×6和K∈R^6×6表示系统在六个自由度的广义阻尼和刚度。该闭环控制系统为典型二阶系统，针对其进行基于ADRC控制器设计，将M(q)作为系统的扰动λ(t)以达到较好的控制效果。具体的设计过程为现有可考技术，此处不再赘述。

综上所述，本发明的四个创新点是：

(1)以电动缸位置控制过程中的状态量估计电动缸的轴向受力；

(2)通过对电动Stewart结构进行动力学分析，以各个电动缸的轴向力解算隔振平台的广义六维力，此为无力反馈控制的基础；

(3)针对电动Stewart结构设计了一种基于弹簧-阻尼-惯容模型的任务空间隔振控制方法。

(4)采用ADRC方法，将由隔振平台的姿态变化引起的模型变化作为系统的扰动，通过控制器的优化设计实现隔振。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于电动Stewart结构的无力反馈隔振控制方法，该电动Stewart结构包括基座、隔振平台以及连接在基座与隔振平台之间的电动直线驱动机构；其特征在于，包括：

步骤1、对单电动直线驱动机构进行动力学分析，构建电动直线驱动机构的位置控制器输出的控制量u与电动直线驱动机构轴向力F_l之间的关系表达，根据位置控制器计算的控制量u估计电动直线驱动机构轴向力F_l；

步骤2、构建电动Stewart结构动力学模型，以电动直线驱动机构轴向力F_l的估计值解算隔振平台所受到的六维力τ；

步骤3、针对电动Stewart结构设计基于弹簧-阻尼-惯容模型的六维隔振控制器，将六维力τ输入六维隔振控制器计算隔振平台的位姿调整量△q；

步骤4、将隔振平台的设定位姿与传感器测得的电动Stewart结构的基座位姿以及隔振控制器计算的位姿调整量△q做差，所得差值作为隔振平台的目标位姿进行位置逆解，得到各个电动直线驱动机构的位置给定；

步骤5、基于电动直线驱动机构的位置给定，利用位置控制器解算控制量u，通过驱动器驱动各个电动直线驱动机构快速跟随，从而实现隔振控制。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1为：

构建电动直线驱动机构的力平衡方程，该方程表达了电动直线驱动机构轴向力F_l与电动直线驱动机构的驱动电机输出转矩T_e之间的关系；

在电动直线驱动机构的位置闭环控制系统中，驱动电机输出转矩T_e与其控制量u成线性关系；

基于所述力平衡方程和所述线性关系，在已知控制量u时，可以计算出电动直线驱动机构轴向力F_l。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2为：

构建隔振平台力平衡方程为：

τ-G·F_L＝0

式中，τ∈R^6×1表示隔振平台受到的广义六维力；F_L∈R^6×1为六条电动缸的轴向力估计的集合，G∈R^6×6为Stewart结构的构型所决定的一阶静力影响矩阵，表达式为：

其中F_l ¹～F_l ⁶表示六个电动直线驱动机构的轴向力；电动直线驱动机构通过虎克铰与基座和隔振平台，则B₁～B₆表示与基座相连的虎克铰处十字键的质心，P₁～P₆表示与隔振平台相连的虎克铰处十字键的质心；

将步骤1获得的各电动直线驱动机构轴向力估计值F_l ¹～F_l ⁶代入隔振平台力平衡方程，即可解算出隔振平台所受到的六维力τ。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4所述传感器测得的电动Stewart结构的基座位姿为：利用姿态传感器获得隔振平台的俯仰角和横滚角；则在做差时，与设定的六维位姿中的俯仰角和横滚角进行做差。

5.一种用于电动Stewart结构的无力反馈隔振控制系统，其特征在于，包括：相减模块、位置逆解模块、位置控制器、驱动器、传感器、轴向力估计模块、六维力解算模块、隔振控制器；

相减模块，用于将隔振平台的设定位姿与所述传感器测得的电动Stewart结构的基座位姿以及隔振控制器计算的位姿调整量△q做差，所得差值发送给位置逆解模块；

位置逆解模块，用于将所述差值作为隔振平台的目标位姿进行位置逆解，得到各个电动直线驱动机构的位置给定，发送给位置控制器；

位置控制器，用于基于电动直线驱动机构的位置给定解算控制量u，发送给驱动器和轴向力估计模块；

轴向力估计模块，用于通过对单电动直线驱动机构进行动力学分析，构建电动直线驱动机构的位置控制器输出控制量u与电动直线驱动机构轴向力F_l之间的关系表达，根据接收自位置控制器的控制量u估计电动直线驱动机构轴向力F_l，发送给六维力解算模块；

六维力解算模块，基于电动Stewart结构动力学模型，以电动直线驱动机构轴向力F_l的估计值解算隔振平台所受到的六维力τ；

隔振控制器是根据电动Stewart结构设计的基于弹簧-阻尼-惯容模型的六维隔振控制器，将六维力τ输入该六维隔振控制器计算得到隔振平台的位姿调整量△q，输出到相减模块。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述轴向力估计模块构建电动直线驱动机构的力平衡方程，该方程表达了电动直线驱动机构轴向力F_l与电动直线驱动机构的驱动电机输出转矩T_e之间的关系；

在电动直线驱动机构的位置闭环控制系统中，驱动电机输出转矩T_e与其控制量u成线性关系；

基于所述力平衡方程和所述线性关系，在已知控制量u时，可以计算出电动直线驱动机构轴向力F_l。

7.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述六维力解算模块构建隔振平台力平衡方程为：

τ-G·F_L＝0

式中，τ∈R^6×1表示隔振平台受到的广义六维力；F_L∈R^6×1为六条电动缸的轴向力估计的集合，G∈R^6×6为Stewart结构的构型所决定的一阶静力影响矩阵，表达式为：

其中F_l ¹～F_l ⁶表示六个电动直线驱动机构的轴向力；电动直线驱动机构通过虎克铰与基座和隔振平台，则B₁～B₆表示与基座相连的虎克铰处十字键的质心，P₁～P₆表示与隔振平台相连的虎克铰处十字键的质心；

将轴向力估计模块获得的各电动直线驱动机构轴向力估计值F_l ¹～F_l ⁶代入隔振平台力平衡方程，即可解算出隔振平台所受到的六维力τ。

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