电动平台实时系统的设计

赵玉龙，梁建民，吴健楠

(空军航空大学军事仿真技术研究所，长春 130022)

0 引言

六自由度电动平台诞生以来，相应的控制方式也在不断的更新，经历了简单单片机控制阶段、高集成运动控制卡硬件伺服算法阶段和实时操作系统软件伺服算法阶段［1］。

目前，简单单片机控制方式已经被后两种方式取代。因此，国外六自由度电动平台控制方式的研究主要运用两种方式［2］：一种是基于自带DSP的高集成运动控制卡的硬件伺服方式;另一种是基于实时操作系统的运用软件编写伺服算法的软件伺服方式。

基于实时操作系统的软件编写伺服算法的软件伺服方式是该领域的发展趋势，由于在编写伺服算法时可以根据需要融入现代控制理论中的先进算法，进而大大地提高了伺服系统的性能，可以更好的发挥出六自由度电动平台的潜力，提高整体性能。但是，这种控制方式下也存在一些不足：一是需要高精度的实时操作系统来进行底层开发，增加了平台的研制成本;二是融入现代控制理论先进算法的伺服算法，建立过程复杂，研制周期长，研制成本高。

由于国内没有自主研发的实时操作系统，而进口国外的实时操作系统价格昂贵，造成国内少数科研单位才有能力生产六自由度电动平台的基于实时操作系统运用软件编写伺服算法的软件伺服方式。

本文以先进的工业控制PC机为软硬件平台，因Windows操作系统的弱实时性不满足本系统强实时性要求，故本文采用RTX实时扩展子系统，对六自由度电动平台进行全软件的伺服控制，目前，国内外没有通用的软件包来实现这种工业控制系统，需要自己开发一套包括驱动程序在内的软件系统。

1 六自由度运动平台组成

六自由度运动平台系统(如图1所示)由控制柜和运动平台组成，其中控制柜由计算机、供电系统、智能控制器，EtherCAT以太网等组成;运动平台是由六个电动缸通过虎克铰链(或球铰链)将上、下两个平台连接而成，下平台固定在地面上，借助六个电动缸的伸缩运动，完成上平台在三维空间的六个自由度的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。

图1 电动平台机构组成

系统对电动平台的实时位置进行数据采集，经数据接口将实时数据传送给控制计算机，计算机经过数据解算，模拟实时接收飞行方程解算出的与控制运动装置有关的各种信息并通过控制算法对信息进行处理，经驱动器内部D/A变换、伺服放大后成为电动缸的输入信号，从而驱动电动平台完成预定的轨迹，其工作原理如图2。

图2 电动平台机构工作原理

2 RTX与EtherCAT实时技术

2.1 RTX技术

RTX是美国Ardence公司推出的基于Windows下的实时扩展子系统，其修改和扩展了系统硬件抽象层，具有128级优先级，适合用于工业过程强实时控制［3］。RTX具有独立的内核结构，通过在 Windows操作系统的硬件抽象层增加实时扩展来实现基于优先级的抢占式实时任务管理和调度，形成与Windows操作系统并列的实时子系统。RTX实时子系RTSS的线程优先于所有Windows线程，提供了对IRQ，I/O，内存的精确直接控制，以确保实时任务的可靠性。通过高速的IPC通讯和同步机制，方便地实现与Windws之间的数据交换［4］。RTX在保留原有系统的所有功能的基础上，针对Windows系统的“弱实时”特点，对原有系统进行了部份修改，不仅不会影响系统的正常运行，而且提高了系统的实时性能，使系统能够满足复杂实时情况的要求［5］。RTX与Windws系统的关系可以概括为图3所示。

图3RTX与Windws结构关系

2.2 EtherCAT实时以太网技术

EtherCAT使用主从模式介质访问机制，主站(工控机)发送以太网帧到各从站(六电动缸控制器)，数据帧遍历所有的从站设备，从站并不是存储数据包之后再进行处理，而是在数据帧传输的过程中从数据帧中抽取数据或将数据插入数据帧，这样大大提高了数据的传输时间，同时它将数据帧传输到下一个EtherCAT从站。最后一个EtherCAT从站发回经过完全处理的数据帧，并由第一个从站作为响应报文发送给控制单元。整个过程只有几纳秒的延迟。

3 实时电动平台系统设计

针对电动平台的强实时性高精度跟踪特点，本文设计了以WindowsXP+RTX为软件平台的电动平台系统软件，由Windows系统完成数据显示和可视化工作，RTX实时操作系统完成控制策略和各种补偿器实现。同时主控机与从控机采用EtherCAT实时以太网完成打包数据的可靠传输［6］。

基于电动平台系统设计要求，在windows界面下建立实时数据管理模块和运动参数管理模块，本平台采用基于运动学逆解模型进行运动参数管理，当计算机接收到来自键盘的参数设定后，通过机械设计软件ADAMS的快速运动逆解求出六个电动缸的驱动力［7］，经运动参数管理模块将解算数据传送给共享内存，RTX针对平台控制指标，采用事先编写好的模糊自适应控PID控制策略对六自由度电动平台系统进行控制［8］，同时RTX以100ns的周期实时采集平台信息，将数据打包给共享内存，以便于实时数据管理模块动态的显示当前数据。电动平台系统设计如图4所示。

图4 电动平台系统设计

Windows进程和RTX进程通过共享内存完成数据的交换［9］。RTX子系统下的RTSS进程实现平台位姿的解算、控制算法的实现、数据采集以及通信任务，六自由度电动平台的实时操作系统，通过WindowsXP和RTX共享内存方式实现强实时多任务进程，如图5所示。在系统运行期间，将数据直接写入内存，仅需要拷贝两次数据，一是将数据输入共享文件，二是将数据输出共享文件。数据存在于共享内存中，直到通信完成为止。不同工作层均可使用其中数据，可以避免数据传输混乱，提高通信效率。

图5 强实时多任务结构

经打包的数据以下行报文的形式传送给从控机即六个电动缸的独立控制器，从控机系统采用Ether-CAT以太网环形拓扑结构，数据遍历每一个从控制器，从控制器识别相应的指令信号，从而驱动电动缸完成相应的运动，同时电动缸上相应的编码器采集缸体信息将其打包以上行报文的形式传递给主控机，完成电动平台系统控制运动。整个过程只有几纳秒的延迟，电动平台EtherCAT网路主从控制模式关系如图6所示。

图6 电动平台主从工作模式

4 测试分析与实验研究

4.1 系统测试

为了验证RTX系统的实时性能，利用RTX提供的Platform Evaluator评估工具，对RTX和Windows这两种系统的延时进行比较，测试环境为研祥公司生产的双核处理器，CPU主频为2.5GHz的HPC6022工控机，观察二者对1ms秒定时器的延迟情况，测试结果如图7。

图7 系统实时性能测试

可以看出Windows系统对定时器的平均延时为547.4μs，RTX系统对定时器的平均延时为37.8μs，对于实时性能，我们一般以系统最坏情况为衡量指标，对比发现Windows系统对定时器的最大延时为1050.6μs，RTX系统对定时器的最大延时为142.9μs，由实验可以看出RTX系统大大的提高了系统响应的实时性。

4.2 实验研究

本实验使用RTX环境下，以太网连接的主从控制系统，通过VC++6.0开发环境编写控制程序，控制策略采用本文设计的基于误差控制的模糊自适应PID方法，以某型飞机飞行模拟器为对象，机构的主要参数如下：上平台及负载总质量为9800kg，上平台及负载质心初始高度为3.449m，平台上、下铰点的外切圆半径分别为2228mm、3240mm，上、下六边形短边所对外接圆的圆心角分别为7.7度、5.3度，电动缸杆长的初始杆长为4.063m，电动缸和丝杠的的质量分别为500kg、200kg，电动缸和丝杠长度分别为3200mm、2000mm。

实验一：平台的参考运动轨迹为一个在XY平面上半径为0.5m，周期为3s的圆轨迹，Z轴高度为2.078m。之所以选圆轨迹进行仿真，是因为圆轨迹不但能验证平台在三维空间的定位精度，而且还能验证平台运动的实时跟踪情况。

实验二：平台的参考运动轨迹为一幅值为1.2mm的正弦信号，仿真周期为3s，仿真结果如图7所示。

由图8图9的曲线可以看出，实际跟踪位置能较好的跟踪指令信号，且跟踪较为平滑，基本上没有时间上的延迟，表明上述设计平台系统已经具有良好的实时性能和跟踪精度。

图8 电动平台圆轨迹位置跟踪

图9 电动平台正弦位置跟踪

5 结束语

本文以飞行模拟器六自由度运动平台为研究背景，根据电动平台系统的强实时性和高精度要求，对传统的Windows操作系统和RTX实时操作系统在实时精度方面进行了比较，为提高电动平台动态响应和系统的实时性，提出了基于RTX的实时伺服控制系统解决方案。通过RTX的强实时性保证电动平台的控制实时且有效，对设计好的电动平台系统进行圆弧和正弦跟踪实验，实验结果表明该控制系统具备较高的控制精度、动态地响应性能和实时性性，满足了飞行模拟器运动平台的设计要求。

［1］吴东苏.轻型飞行模拟器运动平台先进控制技术研究［D］.南京：南京航空航天大学，2007.

［2］Dongya Zhao，Shaoyuan Li，and Quanmin Zhu.A New TSMC Prototype Robust Nonlinear Task Space Control of a 6 DOF Parallel Robotic Manipulator［J］.International Journal of Control，Automation，and Systems，2010，8(6)：1189 －1197.

［3］张广春，符文星，阎杰.RTX在负载模拟器控制软件中的应用［J］.计算机仿真，2009，26(8)：287－290.

［4］Ardence公司.RTX技术白皮书［S］.北京航天捷越(美斯比)科技有限公司，2004.

［5］IEEE 1588-2002：IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for NetworkedMeasurement and Control System［S］.

［6］郇极，刘艳强.工业以态网现场总线EtherCAT驱动程序设计及应用［M］.北京：北京航天大学出版社，2010.

［7］刘艳强，王健，单春荣.基于EtherCAT的多轴运动控制器研究［J］.制造技术与床，2008(6)：100－103.

［8］S.Iqbal A.I.Bhatti.Direct Sliding-Mode Controller Design for a 6-DOF Stewart Manipulator.Multitopic Conference，2006.INMIC’06.IEEE.2006：421 －426.

［9］Jeanine Katzel，Mark T.Hoske.Industry Ethernet Protocol［J］.Control Engineering Chinia，2007(4)：34 －39.