CN112540534A - 一种舰载大负载并联稳定平台的控制方法 - Google Patents

一种舰载大负载并联稳定平台的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出的一种舰载大负载并联稳定平台的控制方法，通过将并联平台作为一个整体，直接对负载安装面的姿态进行稳定控制，不单独对各电动缸进行位置控制，可避免由于各缸性能不一致、负载不平衡等原因对稳定精度的影响。本发明通过下述方法予以实现：姿态传感器感知负载安装面的当前姿态传送给稳定平台控制器；控制器将当前姿态与目标姿态取差,并对误差量进行细分，然后分别对姿态各方向进行控制，得到一个耦合控制量；建立并联平台的雅可比矩阵，对耦合控制量进行解耦，得到各电动缸的速度控制量；伺服驱动器执行速度控制量驱动电动缸运动，姿态传感器感知平台新的姿态传送给控制器，周而复始，直至当前姿态与目标姿态相同。

Description

一种舰载大负载并联稳定平台的控制方法
技术领域
本发明关于一种舰载大负载并联稳定平台的控制方法，涉及舰载并联稳定平台的控制，其结果可推广应用于车载、机载等并联稳定平台的控制。
背景技术
舰船在航行过程中，由于受到风浪等环境条件的作用，会产生横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡、垂荡等运动，这种运动对舰船上各种仪器设备的工作精度带来了严重影响。稳定平台能隔离船体的运动，为舰载仪器设备提供一个稳定的工作平台，在舰载设备中得到了广泛的应用。传统的稳定平台一般为串联结构，应用在大负载场合存在平台本体过重、驱动力小、控制困难等难以克服的问题。并联结构的稳定平台具有刚度高、强承载能力等特点，已越来越多的应用于大负载设备的稳定控制，通常采用六自由度并联机构作为并联稳定平台。
目前并联稳定平台的控制方法一般都采用基于关节空间的单自由度进行设计，即由稳定控制器根据姿态传感器反馈数据计算控制量，由并联平台的位置反解计算各缸的位置运动量，控制各缸实现位置协同运动，达到稳定的目的。由于并联平台各缸性能不一致、负载不平衡等原因，这种控制方法想要实现各缸的精确同步运动，达到高精度稳定控制有较大难度。因此，本发明提出采用一种位姿大闭环的并联平台稳定控制策略，将并联平台作为一个整体，直接对平台负载安装面的姿态进行闭环稳定控制，不再对各关节空间进行单自由度位置控制。
发明内容
本发明提出的一种舰载大负载并联稳定平台的控制方法，是采用一种位姿大闭环的稳定控制策略，通过将并联平台作为一个整体，直接对平台负载安装面的姿态进行闭环稳定控制，实现舰载稳定平台的大负载、高精度稳定控制。
采用本发明实现的控制***由姿态传感器、稳定平台控制器、伺服驱动器、以及并联平台等组成。并联平台采用六自由度并联平台，姿态传感器采用MEMS惯性测量单元；稳定平台控制器采用可编程运动控制器；伺服驱动器采用速度闭环控制。稳定平台控制器通过高速串口与姿态传感器连接，通过EtherCAT总线与伺服驱动器连接。
本发明的目的是这样达到的：首先将姿态传感器安装于并联平台的负载安装面上，姿态传感器感知负载安装面的当前姿态角(横摇角θx、纵摇角θy和艏摇角θz)，通过高速串口以4ms的周期传送给稳定平台控制器；稳定平台控制器将当前姿态角(θx、θy、θz)与目标姿态角(θxd、θyd、θzd)取差，得到误差量ex、ey、ez，并以1ms的伺服周期对误差量进行细分，得到每个伺服周期误差量e′x、e′v、e′z，然后分别对横摇、纵摇和艏摇三个方向进行闭环稳定控制，得到各个方向的目标速度控制量ux、uy、uz；建立并联平台的雅可比矩阵J，对横摇、纵摇和艏摇的耦合速度控制量进行解耦，得到各个电动缸的目标速度控制量v1、v2、v3、v4、v5、v6；将各个电动缸的目标速度量通过EtherCAT总线传输给伺服驱动器，伺服驱动器执行目标速度量驱动电动缸运动，姿态传感器感知负载安装面新的姿态角传送给稳定平台控制器，周而复始，直至当前姿态角与目标姿态角相等。
本发明所提出的一种舰载大负载并联稳定平台的控制方法具有如下有益效果：该控制方法不再单独对各电动缸进行位置闭环控制，可避免由于各电动缸性能不一致、负载不平衡等原因对稳定精度的影响，具有承载能力强、稳定精度高、控制简单、易于工程实现等特点。
受限于姿态传感器的性能限制，本发明主要针对横摇、纵摇和艏摇进行稳定控制，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中，发明结果可推广应用于横荡、纵荡、垂荡等多方向的稳定控制。
附图说明
图1是采用本发明实现的并联稳定平台控制***组成图。
图2是采用本发明实现的并联稳定平台控制***结构框图。
图3是本发明实现的控制流程图。
图4是六自由度并联平台组成及坐标示意图。
以下结合附图进一步说明本发明。
具体实施方式
参阅图1、图4。采用本发明实现的并联稳定平台控制***组成包括姿态传感器、稳定平台控制器、伺服驱动器、以及并联平台台体等组成部分。并联平台台体为六自由度并联平台，其下平台与船体固连，上平台为负载安装面；姿态传感器为MEMS惯性测量单元，安装于并联平台的上平台，即负载安装面处，可感知负载安装面的横摇、纵摇和艏摇角度，数据输出周期为4ms，数据输出接口为高速串口；稳定平台控制器负责接收姿态传感器数据，进行处理、细分、控制、解耦后通过EtherCAT总线输出控制量给伺服驱动器，控制器伺服周期为1ms；伺服驱动器采用速度闭环控制，接收执行控制器输出的控制量，驱动电动缸运动，电动缸带动负载安装面运动。
参阅图1、图2、图3(第1步)。按照流程，本发明首先通过姿态传感器感知并联平台负载安装面当前姿态角(横摇角θx、纵摇角θy和艏摇角θz)，以4ms的周期传送给稳定平台控制器。
参阅图2、图3(第2步)。稳定平台控制器将当前姿态角(θx、θy、θz)与目标姿态角(θxa、θyd、θzd)取差，得到误差量：
ex＝θxa-θx、ey＝θyd-θy、ez＝θzd-θz
稳定平台控制器的伺服周期为1ms，按照控制器的伺服周期对误差量进行细分，得到每个伺服周期误差量：
e′x＝ex*0.25、e′y＝ey*0.25、e′z＝ez*0.25
参阅图2、图3(第3步)。稳定平台控制器分别对横摇、纵摇和艏摇三个方向进行闭环稳定控制，得到三个方向的目标速度控制量：
ux＝Gx*e′x、uy＝Gy*e′y、uz＝Gz*e′z
式中Gx、Gy、Gz分别为横摇、纵摇和艏摇的PID控制器。
参阅图2、图3(第4步)、图4。Ai、Bi分别为下平台和上平台铰点，O、P为上下平台中心点，建立并联平台的雅可比矩阵，上平台铰点Bi处的速度矢量VBi可表示为：
VBi＝ωp×Rbi+Vp，i＝1，…，6
式中Rbi为Bi在上平台坐标系中的矢量，ωp、Vp分别是上平台中心点在下平台坐标系中的角速度和线速度矢量，将VBi向Bi→Ai方向投影，得到沿电动缸方向的相对移动速度vi：
vi＝ei·VBi＝(Rbi×ei)·ωp+ei·Vp，i＝1，…，6
式中ei为沿电动缸i的单位矢量，将式中的六个方程联立起来写成统一矩阵的形式：
Figure BDA0002208562760000051
式中的J为并联平台的雅可比矩阵，它是上平台速度到电动缸速度的映射。
参阅图2、图3(第4步)。使用并联平台的雅可比矩阵对横摇、纵摇和艏摇的耦合速度控制量进行解耦，得到各个电动缸的目标速度控制量：
[v1 v2 v3 v4 v5 v6]T＝J[0 0 0 ux uy uz]T
式中横荡、纵荡、垂荡三个平移方向的线速度均设定为0。
参阅图2、图3(第5步)。稳定平台控制器将六个电动缸的目标速度量v1、v2、v3、v4、v5、v6通过EtherCAT总线传输给伺服驱动器，伺服驱动器执行目标速度量驱动电动缸运动，姿态传感器感知负载安装面新的姿态角传送给稳定平台控制器，周而复始，直至当前姿态角与目标姿态角相等。

Claims (6)

1.一种舰载大负载并联稳定平台的控制方法，其特征在于：采用一种位姿大闭环的稳定控制策略，通过将并联平台作为一个整体，直接对平台负载安装面的姿态进行闭环稳定控制，实现舰载稳定平台的大负载、高精度稳定控制。
2.根据权利要求1所述的一种舰载大负载并联稳定平台的控制方法，其特征在于：控制***由姿态传感器、稳定平台控制器、伺服驱动器、以及并联平台等组成。并联平台采用六自由度并联平台，姿态传感器采用MEMS惯性测量单元；稳定平台控制器采用可编程运动控制器；伺服驱动器采用速度闭环控制。稳定平台控制器通过高速串口与姿态传感器连接，通过EtherCAT总线与伺服驱动器连接。
3.根据权利要求1所述的一种舰载大负载并联稳定平台的控制方法，其特征在于：姿态传感器安装于并联平台的负载安装面上，姿态传感器感知负载安装面的当前姿态角(横摇角θx、纵摇角θy和艏摇角θz)，通过高速串口以4ms的周期传送给稳定平台控制器。
4.根据权利要求1所述的一种舰载大负载并联稳定平台的控制方法，其特征在于：稳定平台控制器将当前姿态角(θx、θy、θz)与目标姿态角(θxd、θyd、θzd)取差,得到误差量ex、ey、ez，并以1ms的伺服周期对误差量进行细分，得到每个伺服周期误差量e′x、e′y、e′z，然后分别对对横摇、纵摇和艏摇三个方向进行闭环稳定控制，得到各个方向的目标速度控制量ux、uy、uz。
5.根据权利要求1所述的一种舰载大负载并联稳定平台的控制方法，其特征在于：建立并联平台的雅可比矩阵J，对横摇、纵摇和艏摇的耦合速度控制量进行解耦，得到各个电动缸的目标速度控制量v1、v2、v3、v4、v5、v6。
6.根据权利要求1所述的一种舰载大负载并联稳定平台的控制方法，其特征在于：将各个电动缸的目标速度控制量通过EtherCAT总线传输给伺服驱动器，伺服驱动器执行目标速度量驱动电动缸运动，姿态传感器感知负载安装面新的姿态角传送给稳定平台控制器，周而复始，直至当前姿态角与目标姿态角相等。
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