一种自适应减振驱控装置的制作方法

1.本发明涉及伺服控制技术领域，尤指一种自适应减振驱控装置。


背景技术：

2.在剧烈路面颠簸和车辆急刹车、急转弯等惯性运动的影响下，车辆会产生以低频大幅激励的振动，然而这种振动很难用被动减振装置，例如：弹簧阻尼器、悬架、海绵、气垫等进行消除，只能采用多维主动减振技术消除，并且对机构、传感器、软硬件通讯、控制算法等相关技术都有非常高的要求。


技术实现要素：

3.本发明为了解决上述问题，本发明是通过以下技术实现的：
4.本发明提供一种自适应减振驱控装置，包括：
5.机器人控制系统、姿态感知系统、高动态响应伺服系统；所述机器人控制系统，与所述姿态感知系统、所述高动态响应伺服系统连接；
6.其中，所述姿态感知系统采集下台面的传感器数据以计算出所述下台面的振动信息、所述下台面的位姿信息，并将所述下台面的振动信息、所述下台面的位姿信息、伺服电缸的位姿信息传输至所述机器人控制系统；
7.所述机器人控制系统基于所述下台面的振动信息、所述下台面的位姿信息、所述电缸的位姿信息计算出所述伺服电缸的实时位移和实时速度和驱动指令，并将所述驱动指令传输至所述高动态响应伺服系统；
8.所述高动态响应伺服系统基于所述驱动指令控制所述伺服电缸，以实现上台面的姿态恒定和加速度衰减；
9.所述姿态感知系统实时采集上台面的传感器数据、所述伺服电缸的位姿信息并反馈至所述机器人控制系统，以供所述机器人控制系统监测所述驱动指令的执行以及更新所述驱动指令。
10.在一些实施例中，所述机器人控制系统包括：
11.arm控制器、dsp控制器、fpga控制器；所述fpga控制器与所述arm控制器、所述dsp控制器连接；
12.其中，所述arm控制器用于接收所述下台面的传感器数据、所述上台面的传感器数据和控制所述自适应减振驱控装置的通信；
13.所述dsp控制器用于基于所述下台面的振动信息、所述下台面的位姿信息、所述伺服电缸的位姿信息计算出所述伺服电缸的实时位移和实时速度和驱动指令；
14.所述fpga控制器用于采集模拟信号，并将所述驱动指令以pwm信号形式输出。
15.在一些实施例中，所述高动态响应伺服系统包括：
16.电机伺服控制系统、伺服电机、伺服电缸、编码器位置信息反馈模块；
17.所述电机伺服控制系统与所述伺服电机、所述伺服电缸、所述编码器位置信息反
馈模块连接；所述编码器位置信息反馈模块与所述伺服电机、所述伺服电缸连接；
18.所述编码器位置信息反馈模块，用于在所述电缸运动时，采集所述电缸的位置信息；
19.在一些实施例中，所述高动态响应伺服系统，包括：
20.直流逆变模块，与所述电机伺服控制系统连接，所述直流逆变模块包括多个功率逆变模块，用于在所述驱动指令的作用下将输入的直流电转变成输入伺服电机的三相电，以供所述伺服电机控制所述伺服电缸运动。
21.在一些实施例中，所述高动态响应伺服系统，包括：
22.电流采集反馈模块，与所述电机伺服控制系统、所述伺服电机、所述伺服电缸连接，用于采集所述直流逆变模块每一个功率逆变模块产生的三相电中的两相，并反馈至所述电机伺服控制系统。
23.在一些实施例中，所述高动态响应伺服系统包括：保护模块，所述保护模块包括：
24.过热保护电路，与所述直流逆变模块连接，用于采集所述直流逆变模块的工作温度，对所述直流逆变模块进行过热保护。
25.在一些实施例中，所述高动态响应伺服系统包括：保护模块，所述保护模块包括：
26.软开启电路，与电源、所述自适应减振驱控装置连接，用于在通电时对浪涌电流进行抑制；
27.制动电路，与所述自适应减振驱控装置练级，用于检测所述自适应减振驱控装置的直流母线电压，当所述自适应减振驱控装置的直流母线电压升高超过电压阈值时进行制动。
28.在一些实施例中，所述姿态感知系统包括：
29.第一处理器；
30.安装于上台面的第一激光陀螺仪，与所述第一处理器连接，用于采集所述上台面的振动信息；
31.第一三轴加速度计，与所述第一处理器连接，用于采集所述上台面的加速度、角速度和所述伺服电缸的位姿信息。
32.在一些实施例中，所述姿态感知系统包括：
33.第二处理器；
34.安装于下台面的第二激光陀螺仪，与所述第二处理器连接，用于采集所述下台面的振动信息；
35.第二三轴加速度计，与所述第二处理器连接，用于采集所述下台面的加速度、角速度；
36.北斗导航模块，与所述第二处理器连接，用于采集所述下台面的绝对位置。
37.一种自适应减振驱控方法，包括：
38.通过姿态感知系统采集下台面的传感器数据以计算出所述下台面的振动信息、所述下台面的位姿信息，并将所述下台面的振动信息、所述下台面的位姿信息、伺服电缸的位姿信息传输至机器人控制系统；
39.利用机器人控制系统基于所述下台面的振动信息、所述下台面的位姿信息、所述电缸的位姿信息计算出所述伺服电缸的实时位移和实时速度和驱动指令，并将所述驱动指
令传输至高动态响应伺服系统；
40.通过高动态响应伺服系统基于所述驱动指令控制所述伺服电缸，以实现上台面的姿态恒定和加速度衰减；
41.利用姿态感知系统实时采集上台面的传感器数据、所述伺服电缸的位姿信息并反馈至所述机器人控制系统，以供所述机器人控制系统监测所述驱动指令的执行以及更新所述驱动指令。
42.本发明提供的一种自适应减振驱控方法和装置至少具有以下有益效果：通过机器人控制系统1、姿态感知系统2、高动态响应伺服系统3的综合联动，实现系统的自适应减振。
附图说明
43.下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种自适应减振驱控方法和装置的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
44.图1是本发明中一种自适应减振驱控装置的一个实施例的示意图；
45.图2是本发明中一种自适应减振驱控装置的一个实施例饿示意图；
46.图3是本发明中机器人控制系统的一个实施例的示意图；
47.图4是本发明中高动态响应伺服系统的一个实施例的示意图；
48.图5是本发明中三相电压型逆变器结构示意图；
49.图6是本发明中pm智能功率模块典型应用电路图
50.图7是本发明中直流逆变模块的矢量运算原理图；
51.图8是本发明中软开启电路原理框图；
52.图9是本发明中制动电路应用原理示意图；
53.图10是本发明中姿态感知系统原理框图；
54.图11是本发明中一种自适应减振驱控方法的一个实施例的示意图。
具体实施方式
55.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本技术。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
56.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所述描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或集合的存在或添加。
57.为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
58.还应当进一步理解，在本技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
59.另外，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为
指示或暗示相对重要性。
60.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
61.在一个实施例中，如图1所示本发明提供一种自适应减振驱控装置，包括：
62.机器人控制系统1、姿态感知系统2、高动态响应伺服系统3；所述机器人控制系统1，与所述姿态感知系统2、所述高动态响应伺服系统3连接。
63.在本实施例中，一种自适应减振驱控一体装置，包含机器人控制器系统，姿态感知系统2，高动态响应伺服系统3和通信接口组成。
64.其中，所述姿态感知系统2采集下台面的传感器数据以计算出所述下台面的振动信息、所述下台面的位姿信息，并将所述下台面的振动信息、所述下台面的位姿信息、伺服电缸的位姿信息传输至所述机器人控制系统1。
65.具体的，姿态感知系统2主要用于检测舰船甲板/车辆底盘和上台面的振动信息，包含随体系3轴加速度、随体系3轴角速度等信息。这些信息传输到控制系统，并经过位姿融合感知算法处理，去除噪声和偏差。
66.所述机器人控制系统1基于所述下台面的振动信息、所述下台面的位姿信息、所述电缸的位姿信息计算出所述伺服电缸的实时位移和实时速度和驱动指令，并将所述驱动指令传输至所述高动态响应伺服系统3。
67.具体的，控制算法接受平台底部和上台面的加速度计、激光陀螺仪和北斗导航信息，以及执行机构位置传感器，依据机器人运动学和动力学方程，解算出各轴电缸的位移、速度等指令，通过总线下发给伺服驱动器同步执行，由此形成控制，整个系统正常稳定的运行。
68.其中，执行机构包括伺服电机、伺服电缸，机器人控制系统1通过驱动器控制各个伺服电机和伺服电缸进行运动。
69.所述高动态响应伺服系统3基于所述驱动指令控制所述伺服电缸，以实现上台面的姿态恒定和加速度衰减。
70.所述姿态感知系统2实时采集上台面的传感器数据、所述伺服电缸的位姿信息并反馈至所述机器人控制系统1，以供所述机器人控制系统1监测所述驱动指令的执行以及更新所述驱动指令。
71.具体的，本实施例还通过上平台的传感器设备进行反馈，可以大大提高装置的精度。此传感器设备可以选择性使用，例如，对控制精度要求不高的场合可以不使用。
72.在本实施例中，通过机器人控制系统1、姿态感知系统2、高动态响应伺服系统3的综合联动，实现系统的自适应减振。
73.在一个实施例中，本实施例提供一种自适应减振驱控装置，如图2所示，其中，所述机器人控制系统1包括：
74.arm控制器、dsp控制器、fpga控制器；所述fpga控制器与所述arm控制器、所述dsp控制器连接。
75.其中，所述arm控制器用于接收所述下台面的传感器数据、所述上台面的传感器数
据和控制所述自适应减振驱控装置的通信。
76.所述dsp控制器用于基于所述下台面的振动信息、所述下台面的位姿信息、所述伺服电缸的位姿信息计算出所述伺服电缸的实时位移和实时速度和驱动指令。
77.所述fpga控制器用于采集模拟信号，并将所述驱动指令以pwm信号形式输出。
78.具体的，机器人要实时处理大量的传感器数据，对位姿信息需要做及时的处理，所以采用arm+dsp+fpga作为主处理器。
79.其中，arm负责采集传感器的数据和控制各种通信，通信方式有can、ethernet等，dsp用于实现复杂的控制算法，fpga负责控制模拟信号的采集，pwm信号输出，预留通信接口。
80.在本实施例中，三者之间采用并行总线进行数据交换。
81.在一个实施例中，本实施例提供一种自适应减振驱控装置，所述高动态响应伺服系统3包括：
82.电机伺服控制系统、伺服电机、伺服电缸、编码器位置信息反馈模块。
83.所述电机伺服控制系统与所述伺服电机、所述伺服电缸、所述编码器位置信息反馈模块连接；所述编码器位置信息反馈模块与所述伺服电机、所述伺服电缸连接。
84.具体的，电机伺服控制系统控制电机，电机带动电杆运动，通过旋转编码器采集位置信息，位置信息回传给电机伺服控制系统，控制系统算法在驱控一体化的平台实现。
85.所述编码器位置信息反馈模块，用于在所述电缸运动时，采集所述电缸的位置信息。
86.示例性的，如图4所示，为了完成伺服电机三环的闭环控制，速度和位置的反馈值必不可少，在运动控制领域，获取反馈值最常用的方法是通过各种各样的传感器，本装置采用绝对值编码器，通信方式为rs422。
87.在一个实施例中，所述高动态响应伺服系统3，包括：
88.直流逆变模块，与所述电机伺服控制系统连接，所述直流逆变模块包括多个功率逆变模块，用于在所述驱动指令的作用下将输入的直流电转变成输入伺服电机的三相电，以供所述伺服电机控制所述伺服电缸运动。
89.示例性的，直流逆变模块的主要功能是在控制信号的作用下将输入的直流电转变成输入伺服电机的三相电，逆变模块通过三相全桥逆变电路来实现的，这种电路一般包括6个晶体管模块，输入6路pwm信号分别负责控制晶体管的通断，三相电压型逆变器结构示意图如图5所示。
90.本系统使用了4个ipm智能功率模块，可以用来同时驱动4个伺服电机。本装置使用的ipm智能功率模块选用比亚迪公司的bip120050，该产品有功耗小、抗干扰能力强等优点。与绝缘栅双极型晶体管(igbt)相匹配，内部集成了欠压闭锁电路、温度模拟输出功能、过流保护电路和igbt驱动电路，进一步丰富了模块功能，提高了系统的可靠性和稳定性。采用了分立的负端子，可使外围电路独立监测逆变器的每一相电流，ipm智能功率模块典型应用电路图如图6所示。
91.具体的，集成化的功率逆变模块ipm(intelligent power module)在功率变换电路中得到了越来越多的使用。该模块又被称为智能功率模块，它兼具功率晶体管的大电流、低饱和电压的特性和场效应晶体管的高频开关的优点。
92.需要说明的是，ipm内部还集成了多种检测和保护电路，能够提供对器件的过热和过流保护。ipm通过高度的集成化大大减少了功率逆变模块的体积，特别适合驱动器的小型化和嵌入式设计，同时其优异的性能也保证了功率逆变模块的稳定和可靠运行。
93.在本实施例中，多轴伺服系统集成在一个硬件平台实现，系统高度集成，减少通信延时，提高多轴控制的同步性，为并联机器人控制系统1性能的提高提供基础。
94.在一个实施例中，所述高动态响应伺服系统3，包括：
95.电流采集反馈模块，与所述电机伺服控制系统、所述伺服电机、所述伺服电缸连接，用于采集所述直流逆变模块每一个功率逆变模块产生的三相电中的两相，并反馈至所述电机伺服控制系统。
96.具体的，电机的三相电流作为矢量控制模块中的clarke模块的输入，是完成整个foc矢量控制的必不可少的重要反馈数据。电流采集反馈模块的精度关系到整个电流环矢量控制的精度，会直接影响到电流环闭环的控制性能。
97.本系统所用的伺服电机可视为三相平衡负载，因此每个电机的三相电流之和等于0，这意味着对于每个电机来说，只需要采集其中的两相电流即可。
98.本系统使用的直流逆变模块带有4个ipm智能功率模块，所以一共需要测量8相电流，由于每个电机的2相电流是同时参与矢量运算的，所以每个电机的两相电流需要同时被采集并加以运算处理。
99.在本装置中，通过电流采样电阻采集直流逆变模块每一个ipm模块产生的三相电流中的两相。经过滤波处理后，利用∑-δadc转换芯片将在每个ipm模块采集的2相电流由模拟量转化为数字量。fpga芯片读取每个模块的两相电流，并保存到相应的反馈电流值寄存器中，每次进行电流环计算时都会从相应寄存器中依次读取每个ipm模块的2相反馈值参与电流环的矢量运算。
100.由于电流采集模块特殊的要求，需要同时读取同一个电机的两相电流以完成矢量运算，因此fpga需要同时控制两个adc转换芯片，每个adc转换芯片负责转换一相电流，分别来自四个ipm模块，实现原理图如图7所示。
101.在一个实施例中，所述高动态响应伺服系统3包括：保护模块，所述保护模块包括：
102.过热保护电路，与所述直流逆变模块连接，用于采集所述直流逆变模块的工作温度，对所述直流逆变模块进行过热保护。
103.具体的，由于ipm智能模块在工作中会散发出大量的热量，当温度达到一定的时候可能导致ipm及其他电子元器件烧毁。
104.在本实施例中，通过过热保护电路防止此类事件的发生，本装置过热保护电路采样热敏电阻测量温度的变化，当温度接近系统能承受的极限时，关闭系统以达到保护的作用。
105.软开启电路，与电源、所述自适应减振驱控装置连接，用于在通电时对浪涌电流进行抑制。
106.示例性的，为了避免在刚通电的时候出现大的浪涌电流，本系统提供浪涌控制电路，由一个串联电阻组成浪涌抑制，在输入电容完全充电后，用继电器将改串联电阻短路，软开启电路原理框图如图8所示。
107.制动电路，与所述自适应减振驱控装置练级，用于检测所述自适应减振驱控装置
的直流母线电压，当所述自适应减振驱控装置的直流母线电压升高超过电压阈值时进行制动。
108.具体的，当系统正常工作时候，会产生反冲电动势，该部分能力会导致直流母线电压升高，当电压高于一定值可能烧毁ipm智能功率模块及其他电子元器件，制动电路就是防止此类事件的发生。本系统制动电路采用制动开关(mosfet)+制动电阻及母线电压检测电路来完成。
109.在本实施例中，母线电压检测电路检测母线电压，当检测到母线电压达到设定值，机器人控制系统1发送指令导通制动mosfet，制动电阻开始消耗能量，母线电压回落，原理示意图如图9所示。
110.在一个实施例中，如图10所示，所述姿态感知系统2包括：
111.第一处理器；安装于上台面的第一激光陀螺仪，与所述第一处理器连接，用于采集所述上台面的振动信息；第一三轴加速度计，与所述第一处理器连接，用于采集所述上台面的加速度、角速度和所述伺服电缸的位姿信息。
112.在一些实施例中，所述姿态感知系统2包括：
113.第二处理器；安装于下台面的第二激光陀螺仪，与所述第二处理器连接，用于采集所述下台面的振动信息；第二三轴加速度计，与所述第二处理器连接，用于采集所述下台面的加速度、角速度；北斗导航模块，与所述第二处理器连接，用于采集所述下台面的绝对位置。
114.具体的，姿态感知系统2包括两个mcu即位于上平台的第一处理器和位于甲板/底盘的第二处理器。
115.姿态感知系统2还包括传感器(3轴加速度计、激光陀螺仪、北斗导航)，主要用于检测舰船甲板/车辆底盘和上台面的振动信息，包含随体系3轴加速度、随体系3轴角速度等信息，这些信息传输到控制系统，并经过位姿融合感知算法处理，去除噪声和偏差。
116.控制算法接受平台底部和上台面的加速度计、激光陀螺仪和北斗导航信息，以及执行机构位置传感器，依据机器人运动学和动力学方程，解算出各轴电缸的位移、速度等指令，通过总线下发给伺服驱动器同步执行，由此形成控制，整个系统正常稳定的运行。
117.其中，传感器硬件主要包含imu惯性传感器、激光陀螺仪、北斗导航等，组成框图如图10所示，上平台的传感器设备用于反馈，可以大大提高装置的精度，对控制精度要求不高的场合可以不使用。
118.在一个实施例中，本发明提供一种自适应减振驱控方法，如图11所示，包括：
119.通过姿态感知系统2采集下台面的传感器数据以计算出所述下台面的振动信息、所述下台面的位姿信息，并将所述下台面的振动信息、所述下台面的位姿信息、伺服电缸的位姿信息传输至机器人控制系统1。
120.利用机器人控制系统1基于所述下台面的振动信息、所述下台面的位姿信息、所述电缸的位姿信息计算出所述伺服电缸的实时位移和实时速度和驱动指令，并将所述驱动指令传输至高动态响应伺服系统3。
121.通过高动态响应伺服系统3基于所述驱动指令控制所述伺服电缸，以实现上台面的姿态恒定和加速度衰减。
122.利用姿态感知系统2实时采集上台面的传感器数据、所述伺服电缸的位姿信息并
反馈至所述机器人控制系统1，以供所述机器人控制系统1监测所述驱动指令的执行以及更新所述驱动指令。
123.示例性的，如图11所示，自主平衡任务流程如下：
124.(1)安装在车辆底盘的3轴加速度计、激光陀螺仪、北斗导航测量车辆底盘的加速度、角速度、绝对位置等信息；
125.(2)上述传感器信息经多传感器融合感知算法处理，即通过非线性互补滤波器和扩展卡尔曼滤波器，得到高精度的底盘振动和位姿信息；
126.(3)机器人控制系统1根据底盘和上台面的振动和位姿信息，以及电缸的位移、速度，计算出实时的电缸位移、速度和力的指令；
127.(4)驱动指令经驱动器传递给电缸和电机执行，实现上台面的姿态恒定和加速度衰减；
128.(5)上台面的实际控制效果会通过安装在上台面的3轴加速度计和激光陀螺仪传递给控制器(反馈用)，同时电缸的位置速度也通过相应的位置速度传感器传递给控制器。
129.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各程序模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的程序模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的程序单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各程序模块可以集成在一个处理单元中，也可是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个处理单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件程序单元的形式实现。另外，各程序模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本技术的日光防护范围。
130.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述或记载的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
131.本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本技术的范围。
132.在本技术所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其他的方式实现。示例性的，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，示例性的，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，示例性的，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性、机械或其他的形式。
133.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
134.另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可能集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单
元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
135.应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的日光防护范围。