CN110308670A - 动感平台控制系统及动感平台 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种动感平台控制系统及动感平台，动感平台控制系统包括上位计算机、高速以太网、运动控制卡、基于模型的信号稳定器以及至少包括两个伺服电机的伺服驱动系统，其中，运动控制卡，用于接收来自上位计算机的控制输入信号，对控制输入信号进行解析得到第一控制输出信号，并将第一控制输出信号传输至信号稳定器；信号稳定器，用于接收第一控制输出信号并对第一控制输出信号进行信号处理，以将第一控制输出信号整合为连续、确定的第二控制输出信号；伺服驱动系统，用于接收来自信号稳定器的第二控制输出信号，并根据第二控制输出信号执行相应的运动操作。该动感平台控制系统具有可靠性高、实时性好的优点。
Description
技术领域
本申请属于动感平台技术领域，具体涉及一种动感平台控制系统及动感平台。
背景技术
虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)模拟人的各种感觉，包括视觉、听觉、触觉、嗅觉等，可使用户置身于人为的虚拟场景中，获得身临其境的体验，其中，VR动感平台产品，利用机械控制装置以模拟力学效果，能够模拟科普、教育、军事训练、医疗康复、运动、娱乐等动感仿真，是动感影院、动感电子游戏厅等VR线下体验店最受玩家欢迎的一种主流设备。
目前，现有动感平台大多采用电动缸控制模式，其中，控制电动缸伺服电机的运动卡大多采用脉冲控制的传输方式，可靠性较差，而且相对速度较慢，容易产生动作延时，进而影响体验的真实感。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本申请的目的是提供一种动感平台控制系统及动感平台，旨在解决现有动感平台可靠性差、实时性差而导致用户体验不佳的技术问题
本申请解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种动感平台控制系统，包括上位计算机、高速以太网、运动控制卡、基于模型的信号稳定器以及至少包括两个伺服电机的伺服驱动系统，上位计算机通过高速以太网连接运动控制卡，运动控制卡通过信号稳定器连接伺服驱动系统，其中，
运动控制卡，用于接收来自上位计算机的控制输入信号，对控制输入信号进行解析得到第一控制输出信号，并将第一控制输出信号传输至信号稳定器；
信号稳定器，用于接收第一控制输出信号并对第一控制输出信号进行信号处理，以将第一控制输出信号整合为连续、确定的第二控制输出信号；
伺服驱动系统，用于接收来自信号稳定器的第二控制输出信号，并根据第二控制输出信号执行相应的运动操作。
作为优选，信号稳定器包括预测控制器，预测控制器的模型为： 其中，
作为优选，信号稳定器包括自抗扰控制器，自抗扰控制器的模型为：其中，为比例增益，为微分增益，且为参考信号，为部件参数。
作为优选，前述的动感平台控制系统还包括放大器，信号稳定器通过放大器连接至伺服驱动系统。
作为优选，前述的动感平台控制系统还包括基于模型的异步滤波器，伺服驱动系统还通过异步滤波器与运动控制卡连接，其中，异步滤波器，用于对来自伺服驱动系统的状态反馈信号进行滤波，并将滤波后的状态反馈信号发送至运动控制卡，异步滤波器的模型为：其中，为滤波器状态变量，是滤波器输出向量，和为滤波器增益；运动控制卡，还用于接收滤波后的状态反馈信号，并将滤波后的状态反馈信号发送至上位计算机。
一种动感平台，包括平台主体以及前述的动感平台控制系统，伺服驱动系统包括多个伺服电机和多个曲柄传动机构，其中，信号稳定器与各个伺服电机连接，一个曲柄传动机构与一个伺服电机配套设置，平台主体上具有多个预定安装位，各个预定安装位与各个曲柄传动机构一一对应，各个曲柄传动机构的一端与对应的伺服电机传动连接，另一端活动连接至对应的预定安装位上。
作为优选，平台主体包括上平台和下平台，上位计算机和伺服驱动系统安装于下平台的顶部上，下平台的底部具有多个预定安装位。
作为优选，平台主体还包括支撑底座和万向节，支撑底座固定于下平台的顶部上，万向节的活动端与上平台的底部活动连接，万向节的固定端与支撑底座固定连接。
作为优选，下平台的底部设有多个万向轮。
作为优选，前述的动感平台还包括行星减速机，曲柄传动机构包括摆臂和连杆，伺服电机的输出轴固定连接行星减速机的输入轴，行星减速机的输出轴固定连接摆臂的一端，摆臂的另一端与连杆的一端活动连接，连杆的另一端与下平台底部对应的预定安装位活动连接。
与现有技术相比，本申请的有益效果是：
本申请提出的动感平台控制系统从控制信号的传输和稳定性两方面进行优化，具体地，上位计算机与运动控制卡之间通过高速以太网实现通信，利用高速以太网高速传输的特性，使得上位计算机所产生的控制信号能够快速地传输至伺服驱动系统中，有效地避免了因信号传输速度慢而导致动感平台发生动作延时的问题，同时，由于控制信号在传输的过程中容易受网络环境不稳定等外界扰动因素的影响变得不连续和不确定，因此通过在运动控制卡和伺服驱动系统之间增设信号稳定器，在控制信号到达伺服驱动系统之前，利用信号稳定器进行信号处理，使得伺服驱动系统最终可接收到连续、确定的控制信号，有效地避免了因控制信号的非线性和不确定性问题而降低动感平台工作的可靠性，从而可有效提高用户的使用体验。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一实施例中动感平台控制系统的结构示意图；
图2是本申请另一实施例中动感平台控制系统的结构示意图；
图3是本申请又一实施例中动感平台控制系统的结构示意图；
图4是本申请一实施例中动感平台的正面结构示意图；
图5是图4的左视图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，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方式，都属于本申请保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。
参照图1、图4和图5，本申请实施例提出一种动感平台控制系统，包括上位计算机11、高速以太网12、运动控制卡13、基于模型的信号稳定器14以及至少包括两个伺服电机153的伺服驱动系统15，上位计算机11通过高速以太网12连接运动控制卡13，运动控制卡13通过信号稳定器14连接伺服驱动系统15，其中，运动控制卡13，用于接收来自上位计算机11的控制输入信号，对控制输入信号进行解析得到第一控制输出信号，并将第一控制输出信号传输至信号稳定器14；信号稳定器14，用于接收第一控制输出信号并对第一控制输出信号进行信号处理，以将第一控制输出信号整合为连续、确定的第二控制输出信号；伺服驱动系统15，用于接收来自信号稳定器14的第二控制输出信号，并根据第二控制输出信号执行相应的运动操作。
在本实施例中，高速以太网12可以是由高速以太网交换机构成的交换性高速以太网系统，也可以由共享型集线器组成的共享型高速以太网系统，也可以是其它类型的高速以太网，只要能满足使用需求即可，对此不作具体的限制，示例性地，本实施例所采用的高速以太网12为EtherCAT(用于控制自动化技术的以太网)；示例性地，运动控制卡13采用型号为AM3358的微处理器，当然也可以采用其它型号的处理器，只要能满足使用要求即可，对此不作具体的限制；具体地，该动感平台控制系统的工作原理如下：
以模拟赛车为例，当用户操作方向盘或者油门时(如踩油门)，上位计算机11经过计算会输出一个控制信号(即控制输入信号，如向前加速的动作指令)至运动控制卡13，然后运动控制卡13将接收到的控制输入信号进行解析可得到第一控制输出信号(如控制运动平台向前平移的信号)，第一控制输出信号经过信号稳定器14的信号处理后，被整合为连续、确定的第二控制输出信号并传输至伺服驱动系统15中，伺服驱动系统15再根据第二控制输出信号执行相应的运动操作(如驱动运动平台向前平移)。
在本实施例中，该动感平台控制系统从控制信号的传输和稳定性两方面进行优化，具体地，上位计算机11与运动控制卡13之间通过高速以太网12实现通信，利用高速以太网12高速传输的特性，使得上位计算机11所产生的控制信号能够快速地传输至伺服驱动系统15中，有效地避免了因信号传输速度慢而导致动感平台发生动作延时的问题，同时，由于控制信号在传输的过程中容易受网络环境不稳定等外界扰动因素的影响变得不连续和不确定，因此通过在运动控制卡13和伺服驱动系统15之间增设信号稳定器14，在控制信号到达伺服驱动系统15之前，利用信号稳定器14进行信号处理，使得伺服驱动系统15最终可接收到连续、确定的控制信号，有效地避免了因控制信号的非线性和不确定性问题而降低动感平台工作的可靠性，从而可有效提高用户的使用体验。
参照图1和图2，在一个可选的实施例中，信号稳定器14包括预测控制器141，预测控制器141的模型为：其中，
在本实施例中，由于网络带宽受限及网络环境不稳定等原因，使得系统不可避免的存在丢包所带来的信号不连续、不确定等问题，而这些问题的存在会破坏系统的性能，为了提高系统的鲁棒性，采用了基于模型的预测控制器141来实现，其中，预测控制器141的设计过程如下：
在假设时滞小于采样周期T的情况下，同时考虑两种形式的丢包，一种是在瞬间时刻k从传感器(图中未示意出)到运动控制卡13的丢包情况，用变量θk表示；另一种是在瞬间时刻k从运动控制卡13到伺服驱动系统15的丢包情况，用变量φk表示，假设系统是单包传输的情况下，则有如下的公式：
其中，表示过程输入，u(k)表示运动控制卡13的控制输出，表示运动控制卡13的控制输入，x(k)表示过程状态。
同时假设系统的模型为：其中，A为系统矩阵、B为输入矩阵、C为输出矩阵，则运动控制卡13的控制输出可采用以下形式：其中，K为反馈增益，进而可得到系统的状态模型为：
若定义：XT＝[Δx(k+1)T，Δx(k+2)T，...，Δx(k+P)T]，ΔUT＝[Δu(k)T，Δu(k+1)T，...，Δu(k+M-1)T]，其中，P表示预测范围，M表示控制水平；则可得到预测控制器141的模型为：
其中，
参照图1和图2，在另一个可选的实施例中，信号稳定器14包括自抗扰控制器142，自抗扰控制器142的模型为：其中，为比例增益，为微分增益，且为参考信号，为部件参数。
在本实施例中，视不确定性、非线性(即不连续性)等复杂动态特性对系统的干扰为外界扰动，采用自抗扰控制策略，设计自抗扰控制器142来实现多维模态的大尺度鲁棒控制，具体地，设计自抗扰控制器142主要分两步：1、构造观测器；2、设计控制器，首先构造如下的扩维状态观测器：
其中，为观测器的部件参数，b0z和为常数,yz为测量输出。
则根据观测器，可以给出控制器的形式为：其中，u0z由典型的PD控制器(即，比例微分控制器)给出，典型的PD控制器形式为：其中，为比例增益，为微分增益，且(为参考信号)。
参照图1和图3，在一个可选的实施例中，前述的动感平台控制系统还包括放大器16，信号稳定器14通过放大器16连接至伺服驱动系统15。
在本实施例中，放大器16采用现有的放大处理电路即可，其作用在于将第二控制输出信号进行放大后再传输至伺服驱动系统15中，防止信号发生衰弱而导致失真的问题。
参照图1、图2、图4和图5，在一个可选的实施例中，前述的动感平台控制系统还包括基于模型的异步滤波器17，伺服驱动系统15还通过异步滤波器17与运动控制卡13连接，其中，异步滤波器17，用于对来自伺服驱动系统15的状态反馈信号进行滤波，并将滤波后的状态反馈信号发送至运动控制卡13，异步滤波器17的模型为：其中，为滤波器状态变量，是滤波器输出向量，和为滤波器增益；运动控制卡13，还用于接收滤波后的状态反馈信号，并将滤波后的状态反馈信号发送至上位计算机11。
在本实施例中，运动控制卡13通过接收源自伺服驱动系统15在工作过程中产生的状态反馈信号，并将状态反馈信号发送至上位计算机11，这样，可使得上位计算机11可根据状态反馈信号实时获知伺服驱动系统15的工作状态(如伺服电机153的绝对位置、负载率等工作状态)，进而上位计算机11可根据伺服驱动系统15的工作状态向运动控制卡13发送控制输入信号，如此，形成闭环的负反馈控制，有利于进一步提升动感平台控制系统的稳定性，另外，目前的数字信号处理几乎都是基于均匀采样来描述信号特征的，但由于采用整周期采样技术或者由于时钟脉冲的不稳定性，容易造成采样时间间隔是非均匀的，进而在进行频谱分析和数字信号处理时，由于引入了时间归一化过程，采样序列的自变量以整数形式给出，没有任何关于非均匀采样时间间隔的信息，这必然导致频谱分析及信号处理结果都存在误差，同时非均匀采样在整个频带范围内都会产生频谱噪声，甚至可以淹没幅度小的信号频谱，使得检测和处理幅度小的信号较为困难，为此，在本实施例中，为保证上位计算机11可根据所获得的状态反馈信号准确获知伺服驱动系统15的工作状态，通过增设非均匀采样的异步滤波器17对来自伺服驱动系统15的状态反馈信号进行滤波处理，排除掉状态反馈信号中的噪声干扰，具体地，异步滤波器17的设计过程如下：
假设伺服驱动系统15的离散动力学模型为：采用如下形式的非均匀采样方法：
假设1：设ρi表示非均匀采样器的第一个采样时刻，则ρi＝nT，其中，T为非均匀采用周期，n＝1，2，3，...；假设2：ρi和ρi+1表示非均匀采样器的两个连续采样时刻，则ρi+1-ρi＝(si+1)T，其中si是有限集合S＝{0，1，2，...，s}中的元素。
若用表示kT时刻的滤波器输入向量(其中，k＝1，2，3，...)，ρk表示最近的采样时刻，假设θk＝k-ρk是服从马尔科夫分布的，则有在非均匀采样下，采用增量法，将系统改写为其中，
Ai、Bi、Ci、Di和Li为具有适当维数的常数矩阵，i＝1，2，3，...；
xa(k)＝[xT(k)，xT(k-1)，...，xT(k-s)]T；
ya(k)＝[yT(k)，yT(k-1)，...，yT(k-s)]T；
wa(k)＝[wT(k)，wT(k-1)，...，wT(k-s)]T；
za(k)＝[zT(k)，zT(k-1)，...，zT(k-s)]T；
则可得到异步滤波器17的模型为：其中，为滤波器状态变量，是滤波器输出向量，和为滤波器增益。
参照图4，本申请实施例还提出一种动感平台，包括平台主体2以及前述的动感平台控制系统，伺服驱动系统15包括多个伺服电机153和多个曲柄传动机构，其中，信号稳定器14与各个伺服电机153连接，一个曲柄传动机构与一个伺服电机153配套设置，平台主体2上具有多个预定安装位211，各个预定安装位211与各个曲柄传动机构一一对应，各个曲柄传动机构的一端与对应的伺服电机153传动连接，另一端活动连接至对应的预定安装位211上。
一般地，多自由度的动感平台需要完成左右倾斜、前后倾斜、水平旋转、左右平移、前后平移、上下升降六个自由度或其中几个自由度，其中，二自由度平台完成左右倾斜、前后倾斜两个自由度；三自由度平台完成左右倾斜、前后倾斜、上下升降三个自由度；六自由度平台完成六个自由度，而一个自由度则需要一个伺服驱动电机，因此，曲柄传动机构的设置数量可根据实际使用需求而定，在本实施例中，示例性地，曲柄传动机构的数量为两个，即，图示的动感平台为二自由度平台。
现有技术中，由于动感平台大多采用电动缸控制模式，而电动缸的特点是通过丝杆旋转推动平台直线往复运动，因此平台动作会比较生硬，而且运动幅度不大(电动缸相同功率下的伺服电机153驱动负载小，运动幅度小，如1.2KW伺服电机153，平台左右最大倾角为8°左右，前后最大倾角为12°左右)，进而影响用户体验，而在本实施例中，通过采用曲柄传动机构来代替传统的电动缸驱动，利用曲柄传动机构工作时的运动轨迹遵循正弦波曲线原理的特性，再结合动感平台控制系统的实时控制，使得平台主体2的动作不仅响应快速，而且柔和流畅，运动幅度大(相同功率下，伺服电机153驱动负载大，运动幅度大，如1.2KW伺服电机153，平台左右最大倾角为12°左右，前后最大倾角为18°左右)，使人体验时不会感到平台动作生硬和眩晕，大大地提高了用户的动感仿真体验。
参照图4和图5，在一个可选的实施例中，平台主体2包括上平台21和下平台22，上位计算机11和伺服驱动系统15安装于下平台22的顶部上，下平台22的底部具有多个预定安装位211。
参照图4和图5，在一个可选的实施例中，平台主体2还包括支撑底座和万向节23，支撑底座固定于下平台22的顶部上，万向节23的活动端与上平台21的底部活动连接，万向节23的固定端与支撑底座固定连接，示例性地，万向节23的活动端与上平台21的底部活动连接，万向节23的固定端通过一个中心轴24与支撑底座固定连接。
在本实施例中，以万向节23为支撑点，利用万向节23的旋转特性，可使得动感平台的旋转运动受力更均匀，进而使得动感平台可运行得更稳定和更安全，有利于进一步提高用户的使用体验。
参照图4和图5，在一个可选的实施例中，下平台22的底部设有多个万向轮5和多个地脚6，其中，地脚6用于将整个动感平台固定于地面上，而万向轮5的设置则可方便对动感平台进行移动。
参照图1至图5，在一个可选的实施例中，前述的动感平台还包括行星减速机3，曲柄传动机构包括摆臂151和连杆152，伺服电机153的输出轴固定连接行星减速机3的输入轴，行星减速机3的输出轴固定连接摆臂151的一端，摆臂151的另一端与连杆152的一端活动连接，连杆152的另一端与下平台22底部对应的预定安装位211活动连接；示例性地，连杆152的两端为具有安装通孔(图中未示意出)的第一连接头1521，对应的预定安装位211上固定有具有安装通孔(图中未示意出)的第二连接头8，摆臂151的另一端通过销轴4与连杆152一端的第一连接头1521转动连接，连杆152另一端的第一连接头1521通过转轴7与对应的第二连接头8转动连接。
在本实施例中，该动感平台的工作原理如下：
上位计算机11的控制信号发出后，伺服电机153的输出轴经过行星轮减速机的减速(减速是为了获得较大的力矩)作用后，由行星减速机3的输出轴带动摆臂151进行摆动，进而带动连杆152，再由连杆152带动上平台21进行运动，其中，通过使用标准配件的行星减速机3，相比传统使用非标的传动机构电动缸，成本更低，有利于动感平台类产品向标准化、规模化、产业化方向发展。
以上所述，仅是本申请的较佳实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制，故凡是未脱离本申请技术方案内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本申请技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种动感平台控制系统，其特征在于，包括上位计算机、高速以太网、运动控制卡、基于模型的信号稳定器以及至少包括两个伺服电机的伺服驱动系统，所述上位计算机通过所述高速以太网连接所述运动控制卡，所述运动控制卡通过所述信号稳定器连接所述伺服驱动系统，其中，
所述运动控制卡，用于接收来自所述上位计算机的控制输入信号，对所述控制输入信号进行解析得到第一控制输出信号，并将所述第一控制输出信号传输至所述信号稳定器；
所述信号稳定器，用于接收所述第一控制输出信号并对所述第一控制输出信号进行信号处理，以将所述第一控制输出信号整合为连续、确定的第二控制输出信号；
所述伺服驱动系统，用于接收来自所述信号稳定器的所述第二控制输出信号，并根据所述第二控制输出信号执行相应的运动操作。
2.根据权利要求1所述的动感平台控制系统，其特征在于，所述信号稳定器包括预测控制器，所述预测控制器的模型为：其中，
3.根据权利要求1所述的动感平台控制系统，其特征在于，所述信号稳定器包括自抗扰控制器，所述自抗扰控制器的模型为：其中，为比例增益，为微分增益，且 为参考信号，为部件参数。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的动感平台控制系统，其特征在于，还包括放大器，所述信号稳定器通过所述放大器连接至所述伺服驱动系统。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的动感平台控制系统，其特征在于，还包括基于模型的异步滤波器，所述伺服驱动系统还通过所述异步滤波器与所述运动控制卡连接，其中，所述异步滤波器，用于对来自所述伺服驱动系统的状态反馈信号进行滤波，并将滤波后的所述状态反馈信号发送至所述运动控制卡，所述异步滤波器的模型为：其中，为滤波器状态变量，是滤波器输出向量，和为滤波器增益；所述运动控制卡，还用于接收滤波后的所述状态反馈信号，并将滤波后的所述状态反馈信号发送至所述上位计算机。
6.一种动感平台，其特征在于，包括平台主体以及如权利要求1-5中任一项所述的动感平台控制系统，所述伺服驱动系统包括多个伺服电机和多个曲柄传动机构，其中，所述信号稳定器与各个所述伺服电机连接，一个所述曲柄传动机构与一个所述伺服电机配套设置，所述平台主体上具有多个预定安装位，各个所述预定安装位与各个所述曲柄传动机构一一对应，各个所述曲柄传动机构的一端与对应的所述伺服电机传动连接，另一端活动连接至对应的所述预定安装位上。
7.根据权利要求6所述的动感平台，其特征在于，所述平台主体包括上平台和下平台，所述上位计算机和所述伺服驱动系统安装于所述下平台的顶部上，所述下平台的底部具有多个所述预定安装位。
8.根据权利要求7所述的动感平台，其特征在于，所述平台主体还包括支撑底座和万向节，所述支撑底座固定于所述下平台的顶部上，所述万向节的活动端与所述上平台的底部活动连接，所述万向节的固定端与所述支撑底座固定连接。
9.根据权利要求7所述的动感平台，其特征在于，所述下平台的底部设有多个万向轮。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的动感平台，其特征在于，还包括行星减速机，所述曲柄传动机构包括摆臂和连杆，所述伺服电机的输出轴固定连接所述行星减速机的输入轴，所述行星减速机的输出轴固定连接所述摆臂的一端，所述摆臂的另一端与所述连杆的一端活动连接，所述连杆的另一端与所述下平台底部对应的所述预定安装位活动连接。
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