一种stewart平台多维度运动边界速度保护策略的制作方法

1.本发明涉及飞行模拟器运动平台技术领域，尤其涉及一种stewart平台多维度运动边界速度保护策略。


背景技术：

2.飞行模拟器是一种培养飞行员的机电设备,能够最大程度地再现飞机在实际环境中的飞行状态，由于其成本低,安全可靠,使用灵活等优点,所以被世界各国广泛应用于培训飞行员以及研究飞机。飞行模拟器的运动平台通常采用六自由度stewart平台,该平台是一种用于精密位置和运动控制的并联驱动装置，由6个独立驱动臂和其支撑的平台组成，该平台可在三维空间内任意调整位置和朝向，配合速度规划功能，可模拟给定运动速度的多种空间运动轨迹和姿态，再现飞机的飞行状态，同时具有精度高、刚度好、承载能力大的特点，因此广泛应用于飞行器仿真领域。
3.为保护stewart平台的结构安全性，各驱动臂的两端可配置软件限位、电子限位和机械限位，三种限位约束的运动范围是依次增加的，当驱动臂触发相关的限位条件时则停止运动或按照预设的规律运动。软件限位的工作过程为运行程序实时检测驱动臂的位置，可灵活设定软件限位的运动范围和运动响应规律，如急停、减速等；电子限位为脉冲信号，当检测到脉冲信号时，程序控制驱动臂停止运动或减速，减速需要足够的运动空间；机械限位一般不允许发生，发生机械限位时容易对装置结构产生冲击破坏。
4.飞行模拟器平台承载的设备体积大、价值高，且操作人员位于模拟器内部，急停引发的冲击加速度容易导致上装设备的损坏和人员受伤；当发生机械限位时，装置可能已经发生故障，可能发生破坏性危险，导致设备损坏、甚至人员伤亡。由此可见，软件限位是保障stewart平台运行安全性的关键环节。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种能够对stewart平台提供稳定限位、减缓限位缓冲的stewart平台多维度运动边界速度保护策略。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种stewart平台多维度运动边界速度保护策略，包括如下步骤：
7.s1、设置stewart平台上各运动件加速度限制与运动范围限制，规划出各运动件在给定运动指令速度时，以加速度限制降速至0所需距离，获得指令速度-所需距离的曲线函数；
8.s2、将运动件当前实际位置与运动范围最大值之间的距离代入s1中曲线函数得出每一运动件对应的速度限制值；
9.s3、计算各运动件指令速度与对应其速度限制值的比值并比较出当中最大值比值，以最
10.大值比值的倒数绝对值对所有运动件指令速度进行同比缩放，以对应最大值比值
运动件缩放后的指令速度与速度限制值相等停止缩放。
11.进一步地，所述运动件包括支撑平台与6个相互独立的直线驱动臂。
12.进一步地，所述s1中运动范围限制包括各个驱动臂运动范围、支撑平台位置运动范围与支撑平台姿态运动范围。
13.进一步地，所述s1中曲线函数包括t型加速度曲线、方波型加速度曲线与谐波加速度曲线。
14.进一步地，所述方波型加速度曲线对应的速度限制值v
limit
[i]计算公式如下：
[0015]
当指令速度v
cmd[i]
≥0时，
[0016][0017]
当指令速度v
cmd[i]
《0时，
[0018][0019]
其中，[i]为运动件编号；a
limit[i]
为编号为i的运动件加速度限制；s
max[i]
、s
min[i]
分别为编号为i的运动件运动范围限制的上、下限边界值；s
[i]
为编号为i的运动件所处实际位置。
[0020]
进一步地，当所述运动件以远离运动范围限制方向运动时，其运动速度不受限制。
[0021]
进一步地，基于所述stewart平台的运动边界保护策略还适用于串联机器人。
[0022]
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过使用本发明的边界速度保护策略后，当运动机构向边界方向运动时，随着靠近运动范围最大边界位置，其运动速度被逐步减低至接近0，继续运动触发限位保护时，运动机构已经处于接近静止状态，有效避免了急停产生的较大冲击加速度，有效保护了设备和周边环境的安全性。
附图说明
[0023]
参照附图来说明本发明的公开内容。应当了解，附图仅仅用于说明目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。在附图中，相同的附图标记用于指代相同的部件。其中：
[0024]
图1为本发明一较佳实施例的总体流程示意图；
[0025]
图2为本发明一较佳实施例的平台结构示意图；
[0026]
图3示为本发明一较佳实施例的方波加速度规划曲线图
[0027]
图4示为本发明一较佳实施例的运动件在其运动范围边界的速度调整曲线图；
[0028]
图中标号：1、支撑平台；2、驱动臂。
具体实施方式
[0029]
容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
[0030]
根据本发明的一实施方式结合图1-图3示出。
[0031]
一种stewart平台多维度运动边界速度保护策略，包括如下步骤：
[0032]
s1、设置stewart平台上各运动件加速度限制与运动范围限制，规划出各运动件在给定运动指令速度时，以加速度限制降速至0所需距离，获得指令速度-所需距离的曲线函数；
[0033]
s2、将运动件当前实际位置与运动范围最大值之间的距离代入s1中曲线函数得出每一运动件对应的速度限制值；
[0034]
s3、计算各运动件指令速度与对应其速度限制值的比值并比较出当中最大值比值，以最大值比值的倒数绝对值对所有运动件指令速度进行同比缩放，以对应最大值比值运动件缩放后的指令速度与速度限制值相等停止缩放。
[0035]
对于步骤s1和s2，曲线函数包括t型加速度曲线、方波型加速度曲线与谐波加速度曲线，此运动件包括支撑平台1与6个相互独立的直线驱动臂2，同样与之对应的，运动范围限制包括各个驱动臂2运动范围、支撑平台1位置运动范围与支撑平台姿态运动范围，为了保障设备和周边环境的安全性，均需约束每个驱动臂2的运动范围、约束支撑平台1空间位置和姿态的运动范围，当某个自由度触发其运动范围边界时，系统将执行急停动作。
[0036]
在实时的轨迹规划过程中，实时计算每一个驱动臂及支撑平台运动轨迹规划的指令速度与其速度限制值的比例，如果某个自由度运动机构的比例值小于1，则表示当前时刻，如果该运动机构以许用的加速度降速至0，不会超过该运动机构的运动极限，反之亦然。
[0037]
由于stewart平台的运行均是从静止开始运动的，因此，在求解运动学和轨迹规划过程中，总是其中一个驱动臂首先达到并超过运动边界速度限制值、或者若干个驱动臂同时达到并超过其运动速度限制值、或者支撑平台的位置运动速度首先达到并超过其空间位置运动边界速度限制值、或者支撑平台的姿态运动速度首先达到并超过其姿态运动边界速度限制值
[0038]
由于实时轨迹规划的周期为毫秒量级，因此在每一时刻可近似为线性系统，即支撑平台的运动轨迹和各驱动臂的运动轨迹是线性映射关系，因此对所有速度指令进行同比缩放，不改变原有的路径规划。
[0039]
具体的，如图3所示，以某一运动件采用方波型加速度曲线为例，在每个控制周期实时检测各运动件的位置s
[i]
，
[0040]
则方波型加速度曲线对应的速度限制值v
limit
[i]计算公式如下：
[0041]
当指令速度v
cmd[i]
≥0时，表示当前运动件向运动范围的上限边界值运动，此时
[0042][0043]
当指令速度v
cmd[i]
《0时，表示当前运动件向运动范围的下限边界值运动，此时
[0044][0045]
其中，[i]为运动件编号；a
limit[i]
为编号为i的运动件加速度限制；s
max[i]
、s
min[i]
分别为编号为i的运动件运动范围限制的上、下限边界值；s
[i]
为编号为i的运动件所处实际位置。
[0046]
对于步骤s3，求解出各运动件指令速度与对应速度限制值的比值k
[i]
，对应求出比值的绝对值，计算方式如下，
[0047]k[i]
＝abs(v
cmd[i]
/v
limit
[i])
[0048]
排序得出k
[i]
中的最大值比值，再以此最大值比值的倒数值对所有运动件的指令速度进行等比例缩放，重复缩放后，最大值比值k
[i]
对应运动件缩放后的指令速度无限趋于速度限制值，即当其指令速度与速度限制值相等时，停止缩放，当运动件以远离运动范围限制方向运动时，其运动速度不受限制。
[0049]
本发明的效果图4所示，如果未进行边界速度保护，当运动件以较高的速度达到s_max，然后触发限位保护，产生急停；而当使用本发明的边界速度保护策略后，当运动件向边界方向运动时，随着靠近s_max位置，其运动速度被逐步减低值接近0，继续运动触发限位保护时，运动机构已经处于接近静止状态，有效避免了急停产生的较大冲击加速度，有效保护了设备和周边环境的安全性。
[0050]
以上技术方案通过实时轨迹规划，当某个自由度运动机构接近其运动空间边界且继续收到朝向其空间边界的运动指令时，可实时同步调整所有自由度运动机构的运动速度，这样既能确保stewart平台沿着用户设定的路径运动，又能使各运动机构在越靠近运动空间边界时、其运动速度越低，即使发生超限保护而导致的急停时，可极大降低急停的冲击加速度和过冲距离。
[0051]
平台各运动机构总是从静止开始运动的，某个或者若干个运动机构的规划速度总是逐渐逼近并超过其运动边界速度限制的，因此当本发明的调速算法开始调速时，其不会导致瞬时加速度过大，算法的实现过程通过排序各超限比例，以超限比例的最大值来缩放所有自由度运动机构的轨迹规划速度，逻辑简单、且可以完备处理随机出现的一个或者若干个运动机构运动速度超限工况。
[0052]
同样的，基于此stewart平台的运动边界保护策略还适用于串联机器人。
[0053]
本发明的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术思想的前提下，对上述实施例进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本发明的保护范围内。