基于ＬａｂＶＩＥＷ的Ｓｔｅｗａｒｔ平臺控制系統設計及實現

摘 要：將SynqNet技術與LabVIEW應用于精調Stewart平臺的運動控制系統中，介紹Stewart平臺硬件結構及其控制原理，設計基于LabVIEW的Stewart平臺控制系統軟件，重點闡述控制系統軟件的主要功能模塊及實現。實驗表明該系統在控制精度、穩定性、容錯能力、數據處理和人機交互等方面達到比較滿意的效果。

關鍵詞：FAST；LabVIEW；Stewart平臺；SynqNet運動控制

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：B 文章編號：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

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

該項目計劃擬在貴州省一個具有喀斯特地形的地方，建造一個500 m口徑的LT天線陣的先導模型。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根懸索的伸縮來調節該艙的位姿，以實現其對某天空目標的觀察。

Stewart 平臺是并聯機器人的一種重要形式，在大射電望遠鏡指向跟蹤系統中是利用Stewart 平臺作饋源艙的精調子系統（如圖2所示）。

在該系統中要求Stewart 平臺系統實現高精度、高實時性運動，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優勢開發Stewart平臺控制系統軟件，實現對精調Stewart平臺的測量數據接收、閉環運動控制、電機狀態監控等功能。

2 精調Stewart平臺硬件總體結構

Stewart精調平臺采用“PC + 運動控制卡 + SynqNet網絡伺服驅動器”的開放式系統架構(如圖3所示)。其中，PC機主要完成：軌跡規劃、人機交互、系統維護等工作；控制卡采用Motion Engineering Inc.公司XMPSynqNetPCIRJ運動控制卡，它是整個運動控制的核心，主要完成多軸的位置環協調控制任務。

SynqNet\\是一個高性能、全數字的開放性同步運動控制網絡，它基于一種實時、同步數字網絡專利技術及雙冗余數據通道設計，從而可在各種復雜應用中實現卓越的運動性能，并確保機器運行的高可靠性。采用SynqNet運動控制現場總線作為控制卡和驅動器的通信界面不僅布線簡單，且工控機不需要放在饋源艙內，可以放在地面的控制室內，便于實驗操作和兩級復合控制。

3 Stewart平臺控制系統原理及軟件實現

3.1 Stewart平臺控制系統原理

在實際應用中，Stewart平臺會遇到外力干擾而使平臺運動軌跡偏離預期運動軌跡。針對此問題，使用美國精密工程公司的最新激光跟蹤儀(TrackerⅢ型號)對動平臺的位姿跟蹤測量\\。通過采集固定在上平臺的6D測量頭STS的數據，將上平臺的實際位置和姿態反饋給控制計算機?？刂朴嬎銠C根據上平臺實際位姿信息和下平臺的理論運動軌跡，通過控制算法實時控制下平臺按預定的軌跡運動，從而實現閉環控制，如圖4所示。

3.2 Stewart平臺控制系統的軟件實現

系統軟件采用LabVIEW設計，LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實驗室虛擬儀器工程平臺）\\是目前國際上應用最廣的虛擬儀器開發環境之一，主要應用于儀器控制、數據采集、數據分析、數據顯示等領域，并適用于Windows XP等不同的操作系統平臺。與傳統程序語言不同，LabVIEW采用強大的圖形化語言（G語言）編程，面向測試工程師而非專業程序員，編程非常方便，人機交互界面直觀友好，具有強大的數據可視化分析和儀器控制能力等特點。值得一提的是LabVIEW獨有的優勢：天然的并行性，或稱之為天然的多線程。用LabVIEW一個初學者可以輕而易舉地實現多線程編程，而對于其他語言，開發多線程程序是一件復雜而艱巨的工作。

3.3 多線程任務與Vi子函數制作

為了使用運動控制卡廠商提供的大量基于C語言的庫函數，這里采用LabVIEW與VC6.0混合編程。首先，在VC下使用庫函數編程并生成DLL(動態鏈接庫)；然后，使用LabVIEW的CLF節點，將DLL導入到LabVIEW中，封裝成一系列子VI；將這些子VI加入到LabVIEW的函數面板中，就可以像LabVIEW自帶的函數一樣使用。

程序采用多線程架構，根據系統所要完成的功能，將每個子任務劃分為一個獨立的線程。各個線程通過隊列、信號量等方式協調運行，完成整個控制任務。

下面分別介紹主要的功能模塊：

(1) 測量數據接收線程。該模塊主要完成接收激光跟蹤儀發送來的測量數據，包括TCP/IP通訊及測量數據預處理操作等，該線程的LabVIEW源程序如圖5所示：

當TCP監聽到測量計算機發送數據后，則進入定時執行的while循環。此處采用定時循環結構，定時源為1 kHz，周期定為3 ms。每次從端口讀取48個數據并經過轉化在用戶界面實時顯示，同時將其送入“API數據隊列”供控制算法線程使用。定時循環將一直執行，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：

此線程采用定時循環結構，定時源為1 kHz，周期定為10 ms。程序定時判斷API數據隊列是否有數據，如果數據大于1則將API數據出隊列。將上平臺初始位姿數據、下平臺理論位姿數據及API數據經過空間坐標轉換后再經過PID控制算法后得到新的控制數據，并此控制數據送進“Control數據隊列”供控制指令輸出任務取用。

（3) 控制指令輸出線程。該任務負責將控制指令在恰當的時間發給運動控制卡，程序如圖7所示：

當打開界面的“伺服開關”后，程序進入定時循環。然后，判斷“Control數據”隊列是否有數據，如果數據大于1則取數據出隊列，送給PT Move.vi進行軸運動控制。同時可以在操作界面輸入時間片的數值來控制運動的速度。

（4） 人機交互線程。該任務用來完人機交互，負責實現人機界面，分為2部分，一部分用于響應用戶的操作，另一部分用于顯示系統的狀態和信息。包括：電機的PID參數設置，運動狀態顯示，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平臺的當前位姿。圖8是Stewart精調平臺控制系統主操作界面。

4 實 驗

采用本系統軟件在室內5 m模型做柔性支撐Ste

wart平臺控制實驗，圖9顯示Stewart平臺沿著直徑為50 mm，在做圓形軌跡運動時6個電動缸長度變化實際值與理論值誤差。可以看到誤差在-0.15~

+0.15 mm之間，而精調平臺要求誤差在3~4 mm，通過實驗驗證控制系統軟硬件可行性。

5 結 語

SynqNet 高性能網絡型運動控制技術特別適合分布式伺服系統進行集中控制。LabVIEW圖形化語言可充分地縮短軟件開發周期，軟件界面形象生動、編程簡單。將上述2種先進的技術用于精調Stewart平臺的運動控制系統，在控制精度、穩定性、容錯能力、數據處理和人機交互等方面達到比較滿意的效果，所進行的大量相關實驗工作將為LT500 m實物模型的建設提供了有益的嘗試。

參 考 文 獻

［1］Duan B Y.A New Design Project of the Line Feed Structure for Large Spherical Radio Telescope and Its Nonlinear Dynamic Analysis\\.Mechatronics，1999，9(1):5364.

［2］Danaher Motion公司.SynqNet運動控制平臺.MM 新自動化，2005.

［3］劉紅道.大射電望遠鏡精調Stewart平臺的測量及其標定\\.西安:西安電子科技大學，2008.

［4］楊樂平，李海濤.LabVIEW高級程序設計\\.北京:北京清華大學出版社，2003.

［5］張戰國，段寶巖.基于SynqNet的大射電望遠鏡精調平臺控制系統\\.西安電子科技大學機電工程學院2007年研究生學術年會(碩士)論文集\\，2007.

［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.