[發明專利]一種三自由度并聯機構的姿態閉環反饋控制方法和系統

有效

• 申請號: 202110456918.7
• 申請日: 2021-04-27
• 公開（公告）號: CN113119076B
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發明（設計）人: 李小清;戴元風;孫一休
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00;B25J9/16
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 胡秋萍

本發明公開了一種三自由度并聯機構的姿態閉環反饋控制方法和系統，屬于三自由度并聯機構控制領域。包括：S1.當檢測到動平臺實際姿態角與目標姿態角偏差超過預設閾值時，基于姿態角偏差計算動平臺xyz各軸的當前轉矩，根據動平臺xyz各軸的當前轉矩解算出各個電動推桿的出力；S2.將解算出的各個電動推桿的出力施加到對應電動推桿；S3.重復步驟S1?S2，直至動平臺實際姿態角與目標姿態角偏差未超過設定閾值。本發明通過動平臺繞靜平臺定坐標系三個軸的轉矩通過解耦矩陣解算到三個電動推桿的出力，避免了三個電動推桿的出力F₁、F₂、F₃的耦合對繞下平臺定坐標系轉動的三個角度的影響，從而實現高精度穩定控制。

技術領域

本發明屬于三自由度并聯機構控制領域，更具體地，涉及一種三自由度并聯機構的姿態閉環反饋控制方法和系統。

背景技術

艦船三自由度并聯機構早期出現主要由于戰爭的需要，至今已應用于衛星通信、艦載武器、海上艦載機以及直升機降落、海上科學考察以及資源勘探和海上人員輸送及救援等領域。穩定平臺功能實現一般為以下過程，首先采集艦船的位姿信號，通過預測算法根據前一段時間的位姿信號對下一階段的艦船位姿進行預測，然后實時預測的位姿信號進行艦船運動補償，達到隔離艦船的搖蕩運動的效果，為工作對象提供一個相對慣性系穩定的工作環境。目前應用較為廣泛的海洋探索領域的艦船穩定設備包括艦船輔助降落、艦船載武器穩定系統以及海上人員輸送穩定平臺等。

三自由度并聯機構運動系統控制方法的優劣，將會對三自由度運動系統的特性產生很大影響，關系到能否充分發揮和挖掘其性能潛力，因此三自由度運動系統控制策略的研究是一項重要工作。基于并聯機構的三自由度運動系統在各自由度的特性存在很大差異，而且各自由度之間存在很強的耦合作用。它的這些特性主要是由并聯機構的結構復雜性和動力學的高度非線性引起的。目前，基于運動學反解的姿態閉環和位置閉環的控制算法對于高精度的并聯機構運動控制領域響應不夠快，控制參數難以調節，很難滿足要求。

發明內容

針對現有技術的缺陷和改進需求，本發明提供了一種三自由度并聯機構的姿態閉環反饋控制方法和系統，其目的在于以動平臺(上平臺)姿態作為反饋，三個電推桿作為驅動力的高精度閉環控制算法，力學解耦的方法消除各軸姿態角之間的耦合，具有工作穩定，響應過程快，穩態誤差小的優勢，滿足高精度控制領域的技術需求。

為實現上述目的，按照本發明的第一方面，提供了一種三自由度并聯機構的姿態閉環反饋控制方法，所述三自由度并聯機構的動平臺和靜平臺之間通過三個電動推桿連接，用于實現橫滾角、俯仰角和偏航角三個姿態運動，該方法包括以下步驟：

S1.當檢測到動平臺實際姿態角與目標姿態角偏差超過預設閾值時，基于姿態角偏差計算動平臺xyz各軸的當前轉矩，根據動平臺xyz各軸的當前轉矩解算出各個電動推桿的出力；

S2.將解算出的各個電動推桿的出力施加到對應電動推桿；

S3.重復步驟S1-S2，直至動平臺實際姿態角與目標姿態角偏差未超過設定閾值。

優選地，所述根據動平臺xyz各軸的當前轉矩解算出各個電動推桿的出力，包括以下步驟：

(1)根據動平臺動坐標系下轉換到靜平臺定坐標系下后動平臺各電動推桿連接點坐標、靜平臺定坐標系下各電動推桿的推力單位力向量坐標、動平臺中心點與靜平臺中心點的距離，確定第一電動推桿三軸方向的等效力臂k₁、k₄、k₇、第二電動推桿三軸方向的等效力臂k₂、k₅、k₈、第二電動推桿三軸方向的等效力臂k₃、k₆、k₉；

(2)通過動平臺xyz各軸的當前轉矩和上述等效力臂，解算出各個電動推桿的出力。

優選地，步驟(1)中，各等效力臂計算公式如下：