基于ＬａｂＶＩＥＷ的Ｓｔｅｗａｒｔ平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

摘 要：將SynqNet技術(shù)與LabVIEW應(yīng)用于精調(diào)Stewart平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，介紹Stewart平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)及其控制原理，設(shè)計(jì)基于LabVIEW的Stewart平臺(tái)控制系統(tǒng)軟件，重點(diǎn)闡述控制系統(tǒng)軟件的主要功能模塊及實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)在控制精度、穩(wěn)定性、容錯(cuò)能力、數(shù)據(jù)處理和人機(jī)交互等方面達(dá)到比較滿意的效果。

關(guān)鍵詞：FAST；LabVIEW；Stewart平臺(tái)；SynqNet運(yùn)動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004373X(2008)1818803

Design and Realization of Control System for Stewart Platform Based on LabVIEW

CHEN Guangjing1，MO Chunxiao2，CHEN Guangda2，ZHANG Zhanguo2

(1.Xi′an Communication Institute，Xi′an，710106，China;2.School of Electromechanical Engineering，Xidian University，Xi′an，710071，China)

Abstract：Applying SynqNet and LabVIEW in Stewart motion control system，the paper introduces the hardware structure and contol principle of the Stewart platform.The Stewart platform control system software is designed based on LabVIEW.And this paper focuses on the main function module and realization of the control system software.Experiments show that the system achieve satisfactory results in the control accuracy，stability，fault tolerance，data processing and humancomputer interaction etc.

Keywords：FAST;LabVIEW;Stewart platform;SynqNet motion control

1 引 言

世紀(jì)之交，各國(guó)積極開展外太空探索新工程。1999年3月中國(guó)天文界提出建造世界最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡 —— 500 m口徑球面射電天文望遠(yuǎn)鏡（FAST）\\。

該項(xiàng)目計(jì)劃擬在貴州省一個(gè)具有喀斯特地形的地方，建造一個(gè)500 m口徑的LT天線陣的先導(dǎo)模型。整體效果如圖1所示，在半徑為500 m的反射面周圍上，分布著6根塔柱，饋源艙吊在空中。通過塔柱與饋源艙的6根懸索的伸縮來調(diào)節(jié)該艙的位姿，以實(shí)現(xiàn)其對(duì)某天空目標(biāo)的觀察。

Stewart 平臺(tái)是并聯(lián)機(jī)器人的一種重要形式，在大射電望遠(yuǎn)鏡指向跟蹤系統(tǒng)中是利用Stewart 平臺(tái)作饋源艙的精調(diào)子系統(tǒng)（如圖2所示）。

在該系統(tǒng)中要求Stewart 平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度、高實(shí)時(shí)性運(yùn)動(dòng)，其控制精度直接決定著饋源的定位精度。本文基于圖形化語言LabVIEW優(yōu)勢(shì)開發(fā)Stewart平臺(tái)控制系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)精調(diào)Stewart平臺(tái)的測(cè)量數(shù)據(jù)接收、閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制、電機(jī)狀態(tài)監(jiān)控等功能。

2 精調(diào)Stewart平臺(tái)硬件總體結(jié)構(gòu)

Stewart精調(diào)平臺(tái)采用“PC + 運(yùn)動(dòng)控制卡 + SynqNet網(wǎng)絡(luò)伺服驅(qū)動(dòng)器”的開放式系統(tǒng)架構(gòu)(如圖3所示)。其中，PC機(jī)主要完成：軌跡規(guī)劃、人機(jī)交互、系統(tǒng)維護(hù)等工作；控制卡采用Motion Engineering Inc.公司XMPSynqNetPCIRJ運(yùn)動(dòng)控制卡，它是整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制的核心，主要完成多軸的位置環(huán)協(xié)調(diào)控制任務(wù)。

SynqNet\\是一個(gè)高性能、全數(shù)字的開放性同步運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)，它基于一種實(shí)時(shí)、同步數(shù)字網(wǎng)絡(luò)專利技術(shù)及雙冗余數(shù)據(jù)通道設(shè)計(jì)，從而可在各種復(fù)雜應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)卓越的運(yùn)動(dòng)性能，并確保機(jī)器運(yùn)行的高可靠性。采用SynqNet運(yùn)動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)總線作為控制卡和驅(qū)動(dòng)器的通信界面不僅布線簡(jiǎn)單，且工控機(jī)不需要放在饋源艙內(nèi)，可以放在地面的控制室內(nèi)，便于實(shí)驗(yàn)操作和兩級(jí)復(fù)合控制。

3 Stewart平臺(tái)控制系統(tǒng)原理及軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 Stewart平臺(tái)控制系統(tǒng)原理

在實(shí)際應(yīng)用中，Stewart平臺(tái)會(huì)遇到外力干擾而使平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡偏離預(yù)期運(yùn)動(dòng)軌跡。針對(duì)此問題，使用美國(guó)精密工程公司的最新激光跟蹤儀(TrackerⅢ型號(hào))對(duì)動(dòng)平臺(tái)的位姿跟蹤測(cè)量\\。通過采集固定在上平臺(tái)的6D測(cè)量頭STS的數(shù)據(jù)，將上平臺(tái)的實(shí)際位置和姿態(tài)反饋給控制計(jì)算機(jī)。控制計(jì)算機(jī)根據(jù)上平臺(tái)實(shí)際位姿信息和下平臺(tái)的理論運(yùn)動(dòng)軌跡，通過控制算法實(shí)時(shí)控制下平臺(tái)按預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，如圖4所示。

3.2 Stewart平臺(tái)控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件采用LabVIEW設(shè)計(jì)，LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)）\\是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境之一，主要應(yīng)用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域，并適用于Windows XP等不同的操作系統(tǒng)平臺(tái)。與傳統(tǒng)程序語言不同，LabVIEW采用強(qiáng)大的圖形化語言（G語言）編程，面向測(cè)試工程師而非專業(yè)程序員，編程非常方便，人機(jī)交互界面直觀友好，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力等特點(diǎn)。值得一提的是LabVIEW獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)：天然的并行性，或稱之為天然的多線程。用LabVIEW一個(gè)初學(xué)者可以輕而易舉地實(shí)現(xiàn)多線程編程，而對(duì)于其他語言，開發(fā)多線程程序是一件復(fù)雜而艱巨的工作。

3.3 多線程任務(wù)與Vi子函數(shù)制作

為了使用運(yùn)動(dòng)控制卡廠商提供的大量基于C語言的庫函數(shù)，這里采用LabVIEW與VC6.0混合編程。首先，在VC下使用庫函數(shù)編程并生成DLL(動(dòng)態(tài)鏈接庫)；然后，使用LabVIEW的CLF節(jié)點(diǎn)，將DLL導(dǎo)入到LabVIEW中，封裝成一系列子VI；將這些子VI加入到LabVIEW的函數(shù)面板中，就可以像LabVIEW自帶的函數(shù)一樣使用。

程序采用多線程架構(gòu)，根據(jù)系統(tǒng)所要完成的功能，將每個(gè)子任務(wù)劃分為一個(gè)獨(dú)立的線程。各個(gè)線程通過隊(duì)列、信號(hào)量等方式協(xié)調(diào)運(yùn)行，完成整個(gè)控制任務(wù)。

下面分別介紹主要的功能模塊：

(1) 測(cè)量數(shù)據(jù)接收線程。該模塊主要完成接收激光跟蹤儀發(fā)送來的測(cè)量數(shù)據(jù)，包括TCP/IP通訊及測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理操作等，該線程的LabVIEW源程序如圖5所示：

當(dāng)TCP監(jiān)聽到測(cè)量計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)后，則進(jìn)入定時(shí)執(zhí)行的while循環(huán)。此處采用定時(shí)循環(huán)結(jié)構(gòu)，定時(shí)源為1 kHz，周期定為3 ms。每次從端口讀取48個(gè)數(shù)據(jù)并經(jīng)過轉(zhuǎn)化在用戶界面實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)將其送入“API數(shù)據(jù)隊(duì)列”供控制算法線程使用。定時(shí)循環(huán)將一直執(zhí)行，直到用戶按下停止按鈕停止。

(2) 控制算法線程。 控制算法是軟件控制的核心，該線程的LabVIEW源程序如圖6所示：

此線程采用定時(shí)循環(huán)結(jié)構(gòu)，定時(shí)源為1 kHz，周期定為10 ms。程序定時(shí)判斷API數(shù)據(jù)隊(duì)列是否有數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)大于1則將API數(shù)據(jù)出隊(duì)列。將上平臺(tái)初始位姿數(shù)據(jù)、下平臺(tái)理論位姿數(shù)據(jù)及API數(shù)據(jù)經(jīng)過空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后再經(jīng)過PID控制算法后得到新的控制數(shù)據(jù)，并此控制數(shù)據(jù)送進(jìn)“Control數(shù)據(jù)隊(duì)列”供控制指令輸出任務(wù)取用。

（3) 控制指令輸出線程。該任務(wù)負(fù)責(zé)將控制指令在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間發(fā)給運(yùn)動(dòng)控制卡，程序如圖7所示：

當(dāng)打開界面的“伺服開關(guān)”后，程序進(jìn)入定時(shí)循環(huán)。然后，判斷“Control數(shù)據(jù)”隊(duì)列是否有數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)大于1則取數(shù)據(jù)出隊(duì)列，送給PT Move.vi進(jìn)行軸運(yùn)動(dòng)控制。同時(shí)可以在操作界面輸入時(shí)間片的數(shù)值來控制運(yùn)動(dòng)的速度。

（4） 人機(jī)交互線程。該任務(wù)用來完人機(jī)交互，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面，分為2部分，一部分用于響應(yīng)用戶的操作，另一部分用于顯示系統(tǒng)的狀態(tài)和信息。包括：電機(jī)的PID參數(shù)設(shè)置，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯示，支腿變化誤差曲線等功能，其中顯示模塊基于OpenGL模型，可以3D圖像的形式顯示Stewart平臺(tái)的當(dāng)前位姿。圖8是Stewart精調(diào)平臺(tái)控制系統(tǒng)主操作界面。

4 實(shí) 驗(yàn)

采用本系統(tǒng)軟件在室內(nèi)5 m模型做柔性支撐Ste

wart平臺(tái)控制實(shí)驗(yàn)，圖9顯示Stewart平臺(tái)沿著直徑為50 mm，在做圓形軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)6個(gè)電動(dòng)缸長(zhǎng)度變化實(shí)際值與理論值誤差。可以看到誤差在-0.15~

+0.15 mm之間，而精調(diào)平臺(tái)要求誤差在3~4 mm，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證控制系統(tǒng)軟硬件可行性。

5 結(jié) 語

SynqNet 高性能網(wǎng)絡(luò)型運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)特別適合分布式伺服系統(tǒng)進(jìn)行集中控制。LabVIEW圖形化語言可充分地縮短軟件開發(fā)周期，軟件界面形象生動(dòng)、編程簡(jiǎn)單。將上述2種先進(jìn)的技術(shù)用于精調(diào)Stewart平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，在控制精度、穩(wěn)定性、容錯(cuò)能力、數(shù)據(jù)處理和人機(jī)交互等方面達(dá)到比較滿意的效果，所進(jìn)行的大量相關(guān)實(shí)驗(yàn)工作將為L(zhǎng)T500 m實(shí)物模型的建設(shè)提供了有益的嘗試。

參 考 文 獻(xiàn)

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［6］Chen Guangda.A New Servo Controller for Stewart Platform with Autoantidisturbance Based on the Embedded System\\.Proceedings of the First Asia International Symposium on Mechatronics(AISM 2004)Xi′an，China，2004.