CN110501958A - 一种六自由度运动平台的控制系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种六自由度运动平台的控制系统，包括：FPGA，用于获取目标六自由度运动平台的位姿信息；PID控制器，设置在FPGA上，用于对位姿信息进行解算，得到解算信息；驱动器，与PID控制器相连，用于根据解算信息对目标六自由度运动平台进行控制。显然，在本申请中，因为是基于FPGA来搭建六自由度运动平台的控制系统，所以，就可以利用FPGA本身所具有的硬件优势来提高对目标六自由度运动平台位姿信息的获取速度，以及PID控制器对位姿信息进行解算时的运算速度，这样驱动器就可以更为快速、及时地对目标六自由度运动平台进行控制，由此就可以相对提高六自由度运动平台控制系统的动态响应速度。

Description

一种六自由度运动平台的控制系统

技术领域

本发明涉及控制工程技术领域，特别涉及一种六自由度运动平台的控制系统。

背景技术

随着科学技术的不断发展，六自由度运动平台在工业领域得到了极为广泛的应用。在现有技术当中，通常是基于DSP(Digital Signal Processing)芯片、单片机或者是其它具有逻辑计算能力的控制板卡来搭建六自由度运动平台的控制系统，但是，通过此种开发方式得到的六自由度运动平台控制系统通常会出现动态响应速度较慢的问题。目前，针对这一技术问题，还没有较为有效解决办法。

由此可见，如何进一步提高六自由度运动平台控制系统的动态响应速度，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种六自由度运动平台的控制系统，以进一步提高六自由度运动平台控制系统的动态响应速度。其具体方案如下：

一种六自由度运动平台的控制系统，包括：

FPGA，用于获取目标六自由度运动平台的位姿信息；

PID控制器，设置在所述FPGA上，用于对所述位姿信息进行解算，得到解算信息；

驱动器，与所述PID控制器相连，用于根据所述解算信息对所述目标六自由度运动平台进行控制。

优选的，还包括：

显示器，与所述FPGA相连，用于显示所述位姿信息。

优选的，所述显示器具体为示波器。

优选的，还包括：

模拟信号接线盒，与所述FPGA相连，用于将所述解算信息转换成模拟信号，以使得所述驱动器根据所述模拟信号对所述目标六自由度运动平台进行控制。

优选的，所述FPGA包括：

信号获取单元，用于获取所述目标六自由度运动平台的位置信息；

信息转换单元，用于将所述位置信息转换为所述位姿信息。

优选的，所述FPGA还包括：

滤波模块，用于对所述位置信息进行滤波。

优选的，还包括：

下位机，与所述FPGA相连，用于当接收到上位机发送的触发指令时，则控制位置传感器采集所述位置信息。

优选的，还包括：

数字信号接线盒，与所述FPGA相连，用于将所述位置信息转换为数字信号，并将所述数字信号传输至所述FPGA，以使得所述FPGA将所述数字信号转换为所述位姿信息。

优选的，还包括：

调控器，设置在所述FPGA上，用于根据所述驱动器对所述目标六自由度运动平台进行控制时的响应频率，调整所述PID控制器对所述位姿信息的采样频率。

可见，在本发明中，首先是利用FPGA获取目标六自由度运动平台的位姿信息，然后，利用设置在FPGA上的PID控制器对目标六自由度运动平台的位姿信息进行解算，得到解算信息，最后，再通过与PID控制器相连的驱动器，根据解算信息对目标六自由度运动平台进行控制。显然，相比于现有技术而言，在本发明中，因为是基于FPGA来搭建六自由度运动平台的控制系统，所以，就可以利用FPGA本身所具有的硬件优势来提高对目标六自由度运动平台位姿信息的获取速度，以及PID控制器对位姿信息进行解算时的运算速度，这样驱动器在根据解算信息对目标六自由度运动平台进行控制的过程中，就可以更为快速、及时地对目标六自由度运动平台进行控制，由此就可以相对提高六自由度运动平台控制系统的动态响应速度。

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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种六自由度运动平台的控制系统的结构图；

图2为本发明实施例所提供的一种六自由度运动平台的控制系统的原理结构图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

请参照图1，图1为本发明实施例所提供的一种六自由度运动平台的控制系统的结构图，该控制系统包括：

FPGA，用于获取目标六自由度运动平台的位姿信息；

PID控制器，设置在FPGA上，用于对位姿信息进行解算，得到解算信息；

驱动器，与PID控制器相连，用于根据解算信息对目标六自由度运动平台进行控制。

在本实施例中，为了提高六自由度运动平台控制系统的动态响应速度，是基于FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)搭建了六自由度运动平台的控制系统。因为FPGA是由逻辑单元、ARM(Advanced RISC Machines，ARM处理器)、乘法器等硬件资源所组成，所以，通过对这些硬件资源进行合理配置，就可以实现乘法器、寄存器和地址发生器等硬件电路。而且，FPGA可以无限制地重新编程，所以，在FPGA上加载一个新的设计方案只需要几百毫秒，这样就可以显著减少硬件资源的开销。因此，在本实施例中，是基于FPGA本身所具有的这一属性开发了六自由度运动平台的控制系统，以进一步提高六自由度运动平台控制系统在运行过程中的动态响应速度。

具体的，在本实施例中，首先是在FPGA上搭建一个PID(ProportionIntegralDifferential，比例积分微分)控制器，因为在六自由度运动平台的控制系统中，一般利用PID控制器就可以达到较为准确的控制效果，所以，在本实施例中，是在FPGA上搭建了PID控制器。当在FPGA上搭建了PID控制器之后，先是利用FPGA来获取目标六自由度运动平台的位姿信息，也即，利用FPGA来获取被控对象目标六自由度运动平台在各个自由度上的姿态信息，其中，目标六自由度运动平台的位姿信息包括目标六自由度运动平台的姿态信息、高度信息以及水平位置信息等等。

可以理解的是，在FPGA搭建的硬件平台上，一般是通过程序代码驱动硬件平台上的控制器来对目标六自由度运动平台进行控制的，所以，在本实施例中，当FPGA获取得到目标六自由度运动平台的位姿信息之后，是利用设置在FPGA上的PID控制器对目标六自由度运动平台的位姿信息进行解算，解算得到解算信息，以使得驱动器可以根据解算信息来对目标六自由度运动平台进行控制。具体的，解算信息包括目标六自由度运动平台的空间姿态角度信息、高度信息以及水平位置信息等等。

可以理解的是，因为在本实施例中，是利用FPGA来获取目标六自由度运动平台的位姿信息，并利用设置在FPGA上的PID控制器来对目标六自由度运动平台的位姿信息进行解算，这样就能够充分利用FPGA中可以硬件并行的优势，让FPGA可以在一个时钟周期内完成更多的处理任务，由此就可以超越现有技术当中DSP、单片机或者是其它具有逻辑计算能力的控制板卡的处理性能。

显然，通过这样的处理方式，就可以使得FPGA可以更为快速地获取到目标六自由度运动平台的位姿信息，并且，也可以使得设置在FPGA上的PID控制器能够更为快速地对目标六自由度运动平台的位姿信息进行解算，这样六自由度运动平台控制系统中的驱动器就可以更为快速、及时地对目标六自由度运动平台进行控制，由此就可以显著提高六自由度运动平台控制系统的动态响应速度。

请参见图2，图2为本发明实施例所提供的六自由度运动平台的控制系统的原理结构图。在该原理结构图中，目标六自由度运动平台的位置环采用的是PID控制来实现闭环，驱动器采用的是电流环控制策略，这样就使得六自由度运动平台的控制系统具有串联的双闭环结构，由此就可以显著提高六自由度运动平台控制系统的动态响应特性。此外，在本实施例所提供六自由度运动平台的控制系统中，由于使用的是硬件并行的优势，所以，在很大程度上可以减少在搭建六自由度运动平台控制系统时所需要的开发时间和造价成本，同时又能达到硬件级的控制效果。

可见，在本实施例中，首先是利用FPGA获取目标六自由度运动平台的位姿信息，然后，利用设置在FPGA上的PID控制器对目标六自由度运动平台的位姿信息进行解算，得到解算信息，最后，再通过与PID控制器相连的驱动器，根据解算信息对目标六自由度运动平台进行控制。显然，相比于现有技术而言，在本实施例中，因为是基于FPGA来搭建六自由度运动平台的控制系统，所以，就可以利用FPGA本身所具有的硬件优势来提高对目标六自由度运动平台位姿信息的获取速度，以及PID控制器对位姿信息进行解算时的运算速度，这样驱动器在根据解算信息对目标六自由度运动平台进行控制的过程中，就可以更为快速、及时地对目标六自由度运动平台进行控制，由此就可以相对提高六自由度运动平台控制系统的动态响应速度。

基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，具体的，上述六自由度运动平台的控制系统还包括：

显示器，与FPGA相连，用于显示位姿信息。

在本实施例中，还在六自由度运动平台的控制系统中设置了与FPGA相连的显示器，并利用显示器来显示目标六自由度运动平台的位姿信息。能够想到的是，当通过显示器将目标六自由度运动平台的位姿信息显示在显示器当中时，工作人员就可以更为清楚、直观地查看到目标六自由度运动平台的运动状态，这样不仅可以提高工作人员在使用六自由度运动平台控制系统时的用户体验，而且，工作人员也可以根据查看到的目标六自由度运动平台的位姿信息对PID控制器的运行参数进行重新整定，这样一来，PID控制器就能够对目标六自由度运动平台的位姿信息进行更好的解算。

可见，通过本实施例所提供的技术方案，可以进一步提高工作人员在使用六自由度运动平台控制系统过程中的用户体验。

作为一种优选的实施方式，显示器具体为示波器。

具体的，在实际应用当中，可以将显示器设置为示波器，因为示波器能够将人们肉眼所看不到的电信号转换成看得见的图像波形，这样不仅能够进一步提高位姿信息的显示精度，而且，也可以使得工作人员能够通过示波器屏幕上所显示的图像波形更为细致的观察到目标六自由度运动平台的运动状态。

基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，具体的，上述六自由度运动平台的控制系统还包括：

模拟信号接线盒，与FPGA相连，用于将解算信息转换成模拟信号，以使得驱动器根据模拟信号对目标六自由度运动平台进行控制。

在实际应用当中，六自由度运动平台控制系统中的驱动器在对目标六自由度运动平台进行控制的过程中，往往不是直接利用解算信息来对目标六自由度运动平台进行控制的，而是利用与解算信息相对应的模拟信号来对目标六自由度进行控制。

所以，在本实施例中，还在六自由度运动平台控制系统中设置了模拟信号接线盒，也即，当PID控制器对目标六自由度运动平台的位姿信息进行解算，得到解算信息之后，FPGA是直接将解算信息发送至与FPGA相连的模拟信号接线盒，并利用模拟信号接线盒将解算信息转换成与解算信息相对应的模拟信号，这样一来，驱动器就可以直接利用模拟信号接线盒所发送的模拟信号来直接对目标六自由度运动平台进行控制。能够想到的是，通过这样的设置方式，不仅可以减少FPGA将解算信息转换成模拟信号所需要的资源开销，而且，也可以提高六自由度运动平台控制系统的整体运行效率。

可见，通过本实施例所提供的技术方案，可以进一步提高驱动器在对目标六自由度运动平台进行控制过程中的控制响应速度。

基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，具体的，FPGA包括：

信号获取单元，用于获取目标六自由度运动平台的位置信息；

信息转换单元，用于将位置信息转换为位姿信息。

可以理解的是，在实际应用当中，FPGA往往不能直接从目标六自由度运动平台上获取得到目标六自由度运动平台的位姿信息，而是先获取到目标六自由度运动平台的位置信息，也即，目标六自由度运动平台的水平位置信息、高度位置信息以及运动角度信息等等；然后，再将目标六自由度运动平台的位置信息转换为目标六自由度运动平台的位姿信息，也即，目标六自由度运动平台在各个自由度上的姿态信息。

所以，在本实施例中，是在FPGA中设置了用于获取目标六自由度运动平台位置信息的信号获取单元，以及用于将目标六自由度运动平台的位置信息转换为位姿信息的信息转换单元。显然，通过这样的信息处理过程就可以使得目标六自由度运动平台位姿信息的获取过程更为准确与可靠。

可见，通过本实施例所提供的技术方案，进一步提高了在对目标六自由度运动平台位姿信息获取过程中的整体可靠性。

作为一种优选的实施方式，FPGA还包括：

滤波模块，用于对位置信息进行滤波。

能够想到的是，在实际应用当中，在获取目标六自由度运动平台位置信息的过程中，必然会受到其它因素的干扰，并使得获取得到的目标六自由度运动平台的位置信息不是很精确，所以，在本实施例中，还在FPGA中设置了滤波模块，并利用滤波模块来对获取到的目标六自由度运动平台的位置信息进行滤波，以进一步提高目标六自由度运动平台位置信息的可靠程度与精确程度。

具体的，在实际应用中，可以在滤波模块中预先存储相应的滤波算法来实现此功能，比如，可以在滤波模块中预先存储限幅滤波算法、中位值滤波算法、算术平均滤波算法等等，此操作为本领域技术人员所熟知的内容，故在此不作具体赘述。

作为一种优选的实施方式，上述六自由度运动平台的控制系统还包括：

下位机，与FPGA相连，用于当接收到上位机发送的触发指令时，则控制位置传感器采集位置信息。

在本实施例中，为了进一步提高六自由度运动平台控制系统的运行效率，还在六自由度运动平台的控制系统中设置了上位机与下位机，也即，利用上位机来向控制系统发送相应的控制指令，利用下位机来直接获取与目标六自由度运动平台相关的运动信息，或者是利用下位机来将上位机所发送的控制指令转换为相应的时序信号来直接控制目标六自由度运动平台的运动情况。显然，通过相互独立的上位机和下位机来协同控制目标六自由度运动平台的运动，就可以提高六自由度运动平台控制系统的整体运行效率。

此外，在实际应用当中，还可以在上位机上设置可视化图形编辑软件，这样工作人员就可以通过可视化图形编辑软件来对目标六自由度运动平台发送相应的控制指令。显然，通过这样的设置方式，不仅可以提高工作人员与目标六自由度运动平台进行信息交互时的交互效率，而且，也可以进一步提高工作人员在使用六自由度运动平台控制系统时的用户体验。

作为一种优选的实施方式，上述六自由度运动平台的控制系统还包括：

数字信号接线盒，与FPGA相连，用于将位置信息转换为数字信号，并将数字信号传输至FPGA，以使得FPGA将数字信号转换为位姿信息。

可以理解的是，当将目标六自由度运动平台的位置信息转换为数字信号时，FPGA就可以对目标六自由度运动平台的位置信息进行更为快速的处理。因为FPGA在对目标六自由度运动平台的位置信息进行处理的过程中，是通过对数字信号进行逻辑运算来识别相应的位置信息的，所以，在本实施例中，还在六自由度运动平台的控制系统中设置了数字信号接线盒，能够想到的是，当利用数字信号接线盒将目标六自由度运动平台的位置信息转换为数字信号时，就可以免去FPGA对位置信息的识别过程。这样不仅可以相对减少FPGA运行资源的消耗量，而且，也可以提高FPGA对目标六自由度运动平台位置信息的处理速度。

基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，具体的，上述六自由度运动平台的控制系统还包括：

调控器，设置在FPGA上，用于根据驱动器对目标六自由度运动平台进行控制时的响应频率，调整PID控制器对位姿信息的采样频率。

在实际应用当中，六自由度运动平台的控制系统会受到外界环境因素的干扰或者是其内部控制机制的影响，所以，驱动器驱动目标六自由度运动平台进行运动时的频率必定是不一致的。在此情况下，如果PID控制器还是按照预先设置好的采样频率来采集目标六自由度运动平台的位姿信息，就会出现驱动器与PID控制器运行步调不一致的情况，这样就会影响六自由度运动平台控制系统的稳定运行。

为了避免上述情况的发生，所以，在本实施例中，还在FPGA上设置了调控器，并利用调控器来根据驱动器对目标六自由度运动平台进行控制时的响应频率，来对PID控制器从FPGA上采集目标六自由度运动平台的位姿信息的采样频率进行调整。显然，通过这样的设置方式，就可以使得驱动器控制目标六自由度运动平台进行运动的速率与PID控制器从FPGA上采集目标六自由度运动平台位姿信息的采集频率相适应，由此就可以使得目标六自由度运动平台的运行状态更加稳定与高效。

可见，通过本实施例所提供的技术方案，能够进一步保证了目标六自由度运动平台在运行过程中的整体稳定性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”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、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种六自由度运动平台的控制系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种六自由度运动平台的控制系统，其特征在于，包括：

FPGA，用于获取目标六自由度运动平台的位姿信息；

PID控制器，设置在所述FPGA上，用于对所述位姿信息进行解算，得到解算信息；

驱动器，与所述PID控制器相连，用于根据所述解算信息对所述目标六自由度运动平台进行控制。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，还包括：

显示器，与所述FPGA相连，用于显示所述位姿信息。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述显示器具体为示波器。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，还包括：

模拟信号接线盒，与所述FPGA相连，用于将所述解算信息转换成模拟信号，以使得所述驱动器根据所述模拟信号对所述目标六自由度运动平台进行控制。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述FPGA包括：

信号获取单元，用于获取所述目标六自由度运动平台的位置信息；

信息转换单元，用于将所述位置信息转换为所述位姿信息。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述FPGA还包括：

滤波模块，用于对所述位置信息进行滤波。

7.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，还包括：

下位机，与所述FPGA相连，用于当接收到上位机发送的触发指令时，则控制位置传感器采集所述位置信息。

8.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，还包括：

数字信号接线盒，与所述FPGA相连，用于将所述位置信息转换为数字信号，并将所述数字信号传输至所述FPGA，以使得所述FPGA将所述数字信号转换为所述位姿信息。

9.根据权利要求1至8任一项所述的控制系统，其特征在于，还包括：

调控器，设置在所述FPGA上，用于根据所述驱动器对所述目标六自由度运动平台进行控制时的响应频率，调整所述PID控制器对所述位姿信息的采样频率。