二軸轉(zhuǎn)臺間歇式運動實驗平臺設計

劉 偉 峰

(杭州電子科技大學 自動化學院,杭州 310018)

0 引 言

二軸轉(zhuǎn)臺廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)諸多部門，例如，工業(yè)機器人中普遍采用的多自由度機械臂[1-2]就是基于二軸轉(zhuǎn)臺的原理，其中一個軸控制機械臂的方位運行，另一個軸控制機械臂的俯仰運動，可以實現(xiàn)物品抓取、切削[3]。在醫(yī)用方面，手術機械臂[4-5]可以開展更為精細的手術。衛(wèi)星導航方面，需要解決轉(zhuǎn)臺控制的激光發(fā)射，通訊天線指向問題[6-7]。工程吊車和吊塔上的吊裝設備，智能車輛平衡也屬于典型的二軸轉(zhuǎn)臺，需要在水平方位和俯仰兩個方向進行控制[8-9]。這類二軸運動對于運動速度和位置的要求，主要受限于工作對象自身的限制，例如，機械臂抓取物品，吊裝物品本身硬度、大小、材質(zhì)等的要求。在視頻監(jiān)控方面，監(jiān)視平臺需要完成大范圍的視頻檢測[10-11]。針對紅外、視頻攝像成像的要求[12]以及存在的問題，本文設計了一種滿足間歇運動的二軸轉(zhuǎn)臺。

由于視頻傳感器的視場較小，對指定的區(qū)域視場進行監(jiān)視時，需要依據(jù)某種規(guī)則順序進行掃視。通常，把該視場區(qū)域劃分為若干個互不相交的矩形網(wǎng)格小區(qū)，逐塊掃視。轉(zhuǎn)臺攝像頭掃視時，首先，二軸轉(zhuǎn)臺的俯仰角固定在一定的角度，完成水平方位掃視，完成一個水平周期；然后調(diào)整俯仰角度，再完成下一次水平方位的往復掃視。由于視頻傳感器的觀測需要積累光源能量，必須達到一定的凝視時間才能穩(wěn)定成像。因此，這類轉(zhuǎn)臺的掃視屬于一種間歇式運動模式，即運動-停止-運動-停止，本文重點考慮這種間歇式運動的實驗設計問題。

1 二軸轉(zhuǎn)臺的基本結構

轉(zhuǎn)臺的運動一般包括兩部分，水平向的方位運動和豎向的俯仰運動，兩組運動彼此獨立，由2個不同的執(zhí)行機構來完成。圖1給出的是轉(zhuǎn)臺的外觀圖，其中頂部的半圓形為二軸搜索部分，其模型可以簡化為圖2所示的方位-俯仰二軸形式。通過兩組不同運動的合成，形成總系統(tǒng)的運動。按照運動之間的關系，把轉(zhuǎn)臺的運動進行分解為主運動和輔運動：主運動指帶動其他部分一起旋轉(zhuǎn)的運動;俯仰運動不僅完成自身的運動，同時還要隨主運動旋轉(zhuǎn)，水平向的運動帶動俯仰運動，俯仰受水平運動影響，而水平運動不受俯仰影響，水平方向的運動精度影響俯仰運動的精度；因此，水平是主運動，俯仰為輔運動。

圖1 轉(zhuǎn)臺外觀圖圖2 二軸轉(zhuǎn)臺模型簡化模型

2 二軸轉(zhuǎn)臺的間歇運動與系統(tǒng)設計

2.1 方位與俯仰運動的合成與分解

以俯仰部分A(見圖2)點為參考點，分析其運動軌跡，由于水平運動和俯仰運動都是獨立的。因此，在時間T內(nèi)，轉(zhuǎn)臺水平和俯仰運動的角度可以用如下的參數(shù)方程描述：

(1)

式中:ωθ(t)、ωφ(t)分別為水平軸、俯仰軸運動的角速度函數(shù)。通過方程組消去時間t，就可以獲得θ、φ平面內(nèi)運動軌跡方程。為分析方便，假設水平和俯仰角速度為常數(shù)ωθ、ωφ，俯仰運動在[-π/2,π/2]內(nèi)以角速度ωφ做勻速往復運動。理想間歇式運動曲線如圖3所示，其中運動時間為t2,運動角速度為ω，凝視時間為為t1。

圖3 間歇式運動速度與角位移圖

2.2 轉(zhuǎn)臺伺服電動機基本模型

對于交流伺服電動機，其模型主要包括電流方程、力矩方程、負載力矩三類方程[13-15]，電流的大小影響伺服電動機的輸出力矩，進一步按照力矩平衡方程分析電動機的轉(zhuǎn)速和角度。電流方程式如下：

(2)

式中：ua是伺服電動機工作電壓;Ka屬于電壓增益;θm是電動機角位移;R是伺服電動機等效電阻。

力矩平衡方程為：

(3)

(4)

設電動機速度環(huán)控制器傳遞函數(shù)為GθV(s)，則速度環(huán)中電動機轉(zhuǎn)矩傳遞,

(5)

為保證位置和速度的精確性，建立如下的位置、速度雙環(huán)控制模型，如圖4所示。

圖4 位置、速度雙閉環(huán)控制框圖

2.3 系統(tǒng)結構圖

在間歇式運動特點的基礎上，設計了整個二軸運動結構框圖,如圖5所示。運動控制算法與數(shù)據(jù)處理過程通過一臺工控機來實現(xiàn)，即圖中的處理機1、處理機2，控制算法產(chǎn)生指令輸入到運動控制卡，由控制卡產(chǎn)生伺服電動機的PWM控制信號輸入到電動機的伺服放大器中。

3 實驗結果分析與對比

3.1 Matlab仿真實驗分析

通過建立伺服電動機模型，采用自適應逆控制算法[16]進行二軸轉(zhuǎn)臺模型學習，方位運動過程仿真。從轉(zhuǎn)臺方位間歇運動跟蹤圖6(a)可以看出，剛開始時，實際的轉(zhuǎn)速信號誤差較大，通過不斷地對轉(zhuǎn)臺模型進行學習，約200 s后實際間歇運動和給定的間歇式運動模式趨于一致(見圖6(b))。

圖5 二軸轉(zhuǎn)臺運動控制系統(tǒng)結構

(a) 0～20 s跟蹤效果圖

圖6 間歇式運動仿真實驗

3.2 轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)實驗分析

實驗設計結構如圖7所示，工控機采用ADLink和帶有運動控制卡的板卡，經(jīng)過伺服放大，輸入連接到端子板的水平和方位俯仰伺服電動機。圖8是依據(jù)轉(zhuǎn)臺實測數(shù)據(jù)繪制的定點117°、30°定位、30° 、-30°復位和間歇式運動過程；可以看出，定點位置沒有出現(xiàn)超調(diào)，比較平穩(wěn)；復位過程也沒有出現(xiàn)震蕩過程，這樣不僅有助于消除累計誤差，并且可以有效減少機械系統(tǒng)的震蕩過程。間歇式運動過程可以看作為定點位置指令的持續(xù)執(zhí)行過程，從位置曲線來看，間歇式運動過程也比較平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)振蕩問題。

圖7 二軸轉(zhuǎn)臺結構圖

4 結 論

本文針對視頻傳感器掃視的特點，設計了一種基于歇式運動的二軸轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)，實現(xiàn)水平方向的方位運動和豎向的俯仰運動。考慮到實際轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)存在偏差，采用自適應逆控制過程進行轉(zhuǎn)臺建模。控制算法通過工控機運行實現(xiàn)，所產(chǎn)生的控制信號輸入四軸運動控制卡，轉(zhuǎn)換為PWM伺服信號，經(jīng)過放大器后輸入異步電機，最終獲得間歇式運動特點。通過特定角度定點定位、不同角度條件下的零點復位、間歇式運動三種模式，實驗驗證了該二軸轉(zhuǎn)臺的可行性和有效性。

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