二轴转台间歇式运动实验平台设计

2018-07-09刘伟峰

实验室研究与探索 2018年6期

刘伟峰

(杭州电子科技大学自动化学院,杭州 310018)

0 引言

二轴转台广泛应用于工业生产诸多部门，例如，工业机器人中普遍采用的多自由度机械臂[1-2]就是基于二轴转台的原理，其中一个轴控制机械臂的方位运行，另一个轴控制机械臂的俯仰运动，可以实现物品抓取、切削[3]。在医用方面，手术机械臂[4-5]可以开展更为精细的手术。卫星导航方面，需要解决转台控制的激光发射，通讯天线指向问题[6-7]。工程吊车和吊塔上的吊装设备，智能车辆平衡也属于典型的二轴转台，需要在水平方位和俯仰两个方向进行控制[8-9]。这类二轴运动对于运动速度和位置的要求，主要受限于工作对象自身的限制，例如，机械臂抓取物品，吊装物品本身硬度、大小、材质等的要求。在视频监控方面，监视平台需要完成大范围的视频检测[10-11]。针对红外、视频摄像成像的要求[12]以及存在的问题，本文设计了一种满足间歇运动的二轴转台。

由于视频传感器的视场较小，对指定的区域视场进行监视时，需要依据某种规则顺序进行扫视。通常，把该视场区域划分为若干个互不相交的矩形网格小区，逐块扫视。转台摄像头扫视时，首先，二轴转台的俯仰角固定在一定的角度，完成水平方位扫视，完成一个水平周期；然后调整俯仰角度，再完成下一次水平方位的往复扫视。由于视频传感器的观测需要积累光源能量，必须达到一定的凝视时间才能稳定成像。因此，这类转台的扫视属于一种间歇式运动模式，即运动-停止-运动-停止，本文重点考虑这种间歇式运动的实验设计问题。

1 二轴转台的基本结构

转台的运动一般包括两部分，水平向的方位运动和竖向的俯仰运动，两组运动彼此独立，由2个不同的执行机构来完成。图1给出的是转台的外观图，其中顶部的半圆形为二轴搜索部分，其模型可以简化为图2所示的方位-俯仰二轴形式。通过两组不同运动的合成，形成总系统的运动。按照运动之间的关系，把转台的运动进行分解为主运动和辅运动：主运动指带动其他部分一起旋转的运动;俯仰运动不仅完成自身的运动，同时还要随主运动旋转，水平向的运动带动俯仰运动，俯仰受水平运动影响，而水平运动不受俯仰影响，水平方向的运动精度影响俯仰运动的精度；因此，水平是主运动，俯仰为辅运动。

图1 转台外观图图2 二轴转台模型简化模型

2 二轴转台的间歇运动与系统设计

2.1 方位与俯仰运动的合成与分解

以俯仰部分A(见图2)点为参考点，分析其运动轨迹，由于水平运动和俯仰运动都是独立的。因此，在时间T内，转台水平和俯仰运动的角度可以用如下的参数方程描述：

(1)

式中:ωθ(t)、ωφ(t)分别为水平轴、俯仰轴运动的角速度函数。通过方程组消去时间t，就可以获得θ、φ平面内运动轨迹方程。为分析方便，假设水平和俯仰角速度为常数ωθ、ωφ，俯仰运动在[-π/2,π/2]内以角速度ωφ做匀速往复运动。理想间歇式运动曲线如图3所示，其中运动时间为t2,运动角速度为ω，凝视时间为为t1。

图3 间歇式运动速度与角位移图

2.2 转台伺服电动机基本模型

对于交流伺服电动机，其模型主要包括电流方程、力矩方程、负载力矩三类方程[13-15]，电流的大小影响伺服电动机的输出力矩，进一步按照力矩平衡方程分析电动机的转速和角度。电流方程式如下：

(2)

式中：ua是伺服电动机工作电压;Ka属于电压增益;θm是电动机角位移;R是伺服电动机等效电阻。

力矩平衡方程为：

(3)

(4)

设电动机速度环控制器传递函数为GθV(s)，则速度环中电动机转矩传递,

(5)

为保证位置和速度的精确性，建立如下的位置、速度双环控制模型，如图4所示。

图4 位置、速度双闭环控制框图

2.3 系统结构图

在间歇式运动特点的基础上，设计了整个二轴运动结构框图,如图5所示。运动控制算法与数据处理过程通过一台工控机来实现，即图中的处理机1、处理机2，控制算法产生指令输入到运动控制卡，由控制卡产生伺服电动机的PWM控制信号输入到电动机的伺服放大器中。

3 实验结果分析与对比

3.1 Matlab仿真实验分析

通过建立伺服电动机模型，采用自适应逆控制算法[16]进行二轴转台模型学习，方位运动过程仿真。从转台方位间歇运动跟踪图6(a)可以看出，刚开始时，实际的转速信号误差较大，通过不断地对转台模型进行学习，约200 s后实际间歇运动和给定的间歇式运动模式趋于一致(见图6(b))。

图5 二轴转台运动控制系统结构

(a) 0～20 s跟踪效果图

图6 间歇式运动仿真实验

3.2 转台系统实验分析

实验设计结构如图7所示，工控机采用ADLink和带有运动控制卡的板卡，经过伺服放大，输入连接到端子板的水平和方位俯仰伺服电动机。图8是依据转台实测数据绘制的定点117°、30°定位、30° 、-30°复位和间歇式运动过程；可以看出，定点位置没有出现超调，比较平稳；复位过程也没有出现震荡过程，这样不仅有助于消除累计误差，并且可以有效减少机械系统的震荡过程。间歇式运动过程可以看作为定点位置指令的持续执行过程，从位置曲线来看，间歇式运动过程也比较平稳，没有出现振荡问题。

图7 二轴转台结构图

4 结论

本文针对视频传感器扫视的特点，设计了一种基于歇式运动的二轴转台系统，实现水平方向的方位运动和竖向的俯仰运动。考虑到实际转台系统存在偏差，采用自适应逆控制过程进行转台建模。控制算法通过工控机运行实现，所产生的控制信号输入四轴运动控制卡，转换为PWM伺服信号，经过放大器后输入异步电机，最终获得间歇式运动特点。通过特定角度定点定位、不同角度条件下的零点复位、间歇式运动三种模式，实验验证了该二轴转台的可行性和有效性。