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开发一套基于Stewart平台的实时串行伺服运动控制系统
摘要
斯图尔特（Stewart）平台,是一个具有六个自由度的并行机制平台，它具有高负载力和高精度定位。它经常应用在运动模拟器中执行动态线性和旋转（角）运动。早期斯图尔特平台使用液压系统作为驱动机制。在电子控制方面，电动伺服驱动系统和串行伺服控制技术广泛涌现在工业应用中。在众多工业系统中，低成本和高效率的两大优点使得电动伺服驱动系统逐渐取代了传统的液压驱动系统，其中也包括Stewart平台。然而，现有串行伺服控制多个电机具有非实时性的缺点，这对于实时交互控制Stewart平台是不合适的。为了解决这个问题，本研究开发了一套基于斯图尔特平台的实时串行伺服运动控制系统。在本项研究中，我们基于一个实时控制程序对电动Stewart平台控制系统进行了测试，程序是基于多线程的概念和高精度的定时器。本研究中开发的算法改进了电动Stewart平台控制系统的实时性性能，同时成功地纠正了串行伺服控制系统错误的实时命令的更新。
- 简介
Stewart平台是一个具有闭环运动链的六自由度并联机构平台，平台具有高输出功率，高负载和精确定位的优点。因此，Stewart平台经常应用在运动模拟器中以执行动态线性和旋转（角）运动。 Stewart平台的运动性能包括三个线性运动和三个旋转运动。在早期的时候，Stewart平台被应用于由Stewart，D在1965年建造的飞行模拟器[1]。但是，对具有六个自由度的并行机制的分析非常困难，以前的研究几乎没有取得什么成就。几何分析理论[2]使得Stewart平台的研究取得了突破进展。Stewart平台的研究可以分为两个主要领域。一种是机械设计和分析，如奇异性分析[3]，并联机械手设计[4]，平行连杆几何误差补偿[5]等。另一种是运动控制理论，例如级联控制[6] ，偏移点的运动校准[7]，运动控制设计[8]等。这些研究使得Stewart平台的运动分析和运动控制理论变得更加成熟。如今，控制驱动机制成为建立斯图尔特平台的重点。
大多数早期的斯图尔特平台都使用液压系统作为驱动机制。随着电子控制的发展，电伺服驱动系统和串行伺服控制技术出现在工业应用中，在许多工业系统中低成本和高效率的优点有助于电伺服驱动系统逐渐取代传统的液压驱动系统，包括斯图尔特平台。然而，液压和电动伺服驱动系统具有不同的优点和缺点。Chen和Lin [9]对这两个系统分别进行分析，比较并得出了总结，如表1所示。一般来说，小规模的商业Stewart平台应用，如研究或示范设施将选择电动伺服驱动系统作为驱动机制，因为这些动态模拟需要高动态响应和好的加速性能。此外，电伺服驱动系统也能制造更少的噪声和污染，这对于舒适的环境和安全的操作也是重要的。
在工业串行伺服控制系统的近期发展中，系统提供了一个仅仅通过一个具有串联级联电缆的运动控制板来控制斯图尔特平台的选项。该串行伺服控制技术是基于信息技术的快速发展和网络通信巨大进步的一种创新技术。使用这种控制系统可以减少电缆线路的数量和系统的复杂性。此外，串行伺服控制系统的优点体现在其安装简单，制造成本低，抗干扰能力强等方面。传统的伺服控制系统具有命令延迟和运动性能不佳的缺点，与之相比，串行伺服控制系统可以同时对每个伺服更新命令，使Stewart平台移动更顺畅。此外，串行伺服控制系统是基于PC的可编程控制系统，允许用户为Stewart平台应用程序进行构建，修改或扩展软件程序。开发新的动态模拟器只需要在控制程序中修改运动学理论。例如，喷气飞机[10]，坦克[11]和车辆[12]模拟器都使用相同类型的串行伺服控制系统，但是以不同的品牌进行建造。
因此，电动伺服驱动系统和串行伺服控制技术的组合已成为Stewart平台开发的流行选择。 加上生动的虚拟现实视觉和触觉效果，无论是以研究，娱乐或培训为目的，Stewart平台都成为动态模拟器的最佳选择。
表1.优缺点比较
- 文献综述
Chou [12]使用串行伺服运动控制卡作为Stewart平台的控制系统，发现由于控制系统的基本算法不足，运动命令无法实时更新。如果命令已发送到Stewart平台，则直到之前的位置命令完成后新的命令才会更新。[12]中的实验揭示了串行伺服控制系统的问题。
目前针对Stewart平台的正弦运动，其在升沉方向上30mm的振幅和100Hz的更新速率条件下，已经进行了大量试验。图1至3显示了实验结果和相关分析[12]。可以看到，随着正弦运动命令的频率增加，平台的运动变得更加不协调并偏离了命令。由此可以发现和理解串行伺服控制系统的特性。与图3中的命令更新检查点一起，可以很轻易地在每个命令更新之间识别伺服运动控制的加速度，恒定速度和减速度的状态。我们还可以发现实际命令更新速率约为0.5Hz，远远小于在控制软件中写入的100Hz。伺服控制器会一直忽略更新命令，直到现有命令已经完全执行后，新的命令才被完全识别和认可。
非实时命令更新的这一事实是实时交互控制的障碍，因为不仅非实时而且还有不可预测的延迟。还有其他研究[10]，[11]将串行伺服控制应用到Stewart平台时候，没有提到这一问题。如果只在模拟中显示低频运动，这个问题可能不会引起作者的注意。虽然使用速度或扭矩控制而不是伺服定位控制可以避免上述问题，但之后会需要外环伺服，反馈和复杂的控制，这都将成为构建斯图尔特平台控制系统的额外负担。我们研究的重点在于，为实时交互式Stewart平台控制系统寻找合适的解决方案。
图1.动态响应实验 - 最大速度400mm/s-0.5Hz
图2.动态响应实验 - 最大速度400mm/s-1Hz
图3.实时命令更新点
- 研究目的和方法
本研究的主要目的是开发一种算法，以提高电动Stewart平台控制系统的实时性能，并校正串行伺服控制系统中不正确的命令实时更新的缺陷。该系统不仅可以保持多轴伺服电机控制的同步，而且可以提高实时交互应用的工作带宽和更新速率。预期在动态仿真系统中该实时串行伺服控制系统将改进电动Stewart平台使其执行精度更高且速度更快。
有两个主要部分需要开发来为前面提到的问题提供解决方案。首先，需要一个高精度的时间控制程序，使时序精确。基于此固定速率定时，可以捕获和处理命令而反馈信号没有任何延迟。第二，开发新的方法和功能来改善当前的串行伺服控制系统，使得位置命令可以实时或在任何时间更新且没有意外的延迟。
图4.系统架构
- 建立电动Stewart平台实时控制系统
A．系统架构
斯图尔特平台可分为三部分：机械，驱动装置和伺服控制系统。在本研究中，测试了小型平台，其能够在100mm线性运动和plusmn;10度旋转运动内移动50kg有效负载。安装六个100W交流伺服电机，以驱动滚珠丝杠气缸单独延伸或缩短每个气缸的长度。结合交流伺服电机和滚珠丝杠传动，平台可以执行高精度运动，配以更少的功率和噪音，以及更容易的维护。对于控制系统，使用安装有串行伺服控制板的个人计算机作为控制器。用户可以通过在C 中编写代码并调用制造商提供的基本控制功能来开发自己的控制功能。该电动串联伺服控制Stewart平台系统的结构如图4所示。
B．控制系统的概念
Windows操作系统不是实时操作系统，这意味着多任务Windows操作系统不能以固定速率（或固定间隔）处理用户的程序，众所周知，因为它必须处理很多硬件功能,例如显示，各种输入外设,通信等。特别是对于实时交互控制系统，由于输入命令不可预期，固定命令更新间隔是正确和有效控制的最低要求。虽然有其他方法来避免这个问题，例如实现实时操作系统或使用特定程序的实验，它们可能无法正确地与伺服控制接口通信。由于所有任务的优先级不是由用户打开和控制的，不仅Windows OS可能会引起延迟，而且当累积的延迟大于固定更新间隔时就会跳过某些预期的作业。这就削弱了其高效率，大内存和PC上各种连接的优势。不幸的是，PC的普及使得大多数制造商仅在PC上支持他们的设备，所以开发实时交互式解决方案，以此解决Windows OS的问题往往是基于PC控制的第一个障碍。
为了尽量减少Windows操作系统对用户的实时交互程序的干扰，必须采取三个基本步骤来确保控制系统的成功。
- 固定更新间隔
由Windows系统开发工具提供的计时功能有很多。然而，它们中的大多数不保证更新间隔均匀。在本研究中，系统时钟和硬件计数器被定期检查，以确保时间能精确到微秒单位。由于大多数PC现在以高于1G Hz的CPU运行，本研究可以保证固定更新间隔为10 ms或更短。
2）多线程编程
与传统程序不同，传统程序将一个程序中的所有任务作为状态机来运行，多线程程序将所有任务分解为小的线程，这些线程可以由Windows操作系统处理并处理其他任务。因为Windows操作系统可以在所有的线程之间切换很快，以至于所有的任务似乎都在同一时间运行。因此控制程序根据其功能分为三个部分，即定时，输入和输出以及命令更新。
3）研究不正常的伺服功能
由于串行伺服控制系统的功能是基于非实时和非交互应用的概念构建的，所以系统所提供的大多数功能不能应用于本研究。要与制造商的工程师合作，采取专有的方法来实时更新伺服命令，而不是调用常规功能。这一方法保证了由其它制造商或功能造成的非实时性能的避免，且没有任何延迟。这项研究开发的控制算法已被证实可提供实时更新命令，且不会影响以前的命令。
- Stewart平台的逆运动方程
由于平台的平行机制，Stewart平台的运动从来都不是一个简单的理论。幸运的是，对于一个设计良好的平台，在其运动包络内，每个可膨胀圆柱体的运动可以通过逆运动学解决，且没有错误[1]。因此，一旦定义了斯图尔特平台的形式和线性运动，就可以计算每个圆柱体的长度。
图5.单电动缸致动器的反向运动图
斯图尔特平台的机构包括移动平台，固定基座和将平台连接到基座的六个电动缸致动器。逆运动学意味着每个电动缸致动器的延伸可以使用移动平台的姿态来计算。定义{P}为移动平台的坐标系，{B}为固定坐标系的坐标系。（x，y，z）和（alpha;，beta;，gamma;）定义三个线性运动波动，摇摆和升沉以及三个旋转运动俯仰，滚转和偏航。OB是下固定基座的中心，OP是如图5所示的上移动平台的中心，其中示出了单个电动缸致动器作为示例。因此，每个单个电动缸致动器的坐标可以由等式（1）和（2）表示，其中OP由平台运动给出。Bi和Pi分别是每个关节相对于它们在下（Bi）和上（Pi）中的中心的点。
因为向量是在移动平台坐标系中表示的矢量，所以必须使用如等式（3）的传递矩阵将其转换为基本坐标系中的矢量。alpha;，beta;，gamma;是基于下底座坐标定义的欧拉角。
每个电动缸致动器的矢量方程可以通过将（1）和（2）代入（3）作为示出来获得：
归一化（4）将给出每个电动缸致动器的长度：
- 实验过程及结果
A.周期波产生
一个高速的固定更新速率方波由PC程序生成，PC程序改变与PC上运动控制板相连接的输出模块。通过示波器测量，在Windows操作系统上运行的两个定时功能比较精度高的计时器和定时器。 前者已经在B节中引入，后者是一种常见的，可以在Visual C 中构建定时器的方法，这将受到Windows操作系统的限制。定时器的更多细节可以参考[13]。
图6是该实验的图，表II是实验的参数。
图7显示，本研究中开发的程序可以产生精确的10ms周期方波，这证明程序可以准确地发送命令改变I/O口，在5ms的频率下。与传统的定时器应用相比，精度比32.00ms或更差的不均匀周期要好得多。
图6.实验A的图
图7.使用SetTimer（）的结果
图8.使用高精度定时器的结果
表二.实验A的参数
B.Stewart平台的动态响应
目前，已经在Stewart平台上于升沉方向上进行了各种频率的正弦波运动的测试。 Stewart平台的性能由LASER位移传感器测量，并以波特图的形式进行分析。实验参数定义如下：
（1）电机最大速度设置为400mm / s
（2）命令更新速率为100Hz
（3）正弦波的振幅设定为30mm
（4）测试频率为0.5,1.0,1.5,2.0和2.5Hz
Stewart平台的运动示于图9至图13中，其中运动是非常平滑的，直到2.5Hz也没有任何衰减。与传统系统的运动进行比较，如图1和图2所示，新控制系统产生的运动表现出优于传统系统的优势。延迟时间也得到了改进。
图9.动态响应实验 - 最大速度400mm/s-0.5Hz
图10.动态响应实验 - 最大速度400mm/s-1.0Hz
图11.动态响应实验 - 最大速度400mm/s-1.5Hz
图12.动态响应实验 - 最大速度400mm/s-2.0Hz
图13.动态响应实验 - 最大速度400mm/s-2.5Hz
然而，不能确定最终带宽，如图14所示，因为当频率高于3.8Hz时，平台的振动太大而不能进行实验。与图15的结果[12]相比，可以发现图14的频率响应更好。
图14.动态响应实验
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