基于開放式架構(gòu)的操縱力感控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于開放式架構(gòu)的操縱力感控制系統(tǒng)，包括工業(yè)PC機(jī)、力加載設(shè)備、操縱桿和信號(hào)采集設(shè)備。實(shí)時(shí)控制模塊通過SERCOS3通訊板卡向力加載設(shè)備發(fā)出控制指令，使操縱桿上產(chǎn)生相應(yīng)的加載力；通過模數(shù)采集板卡接收信號(hào)采集設(shè)備采集作用在操縱桿上的加載力，從而形成力閉環(huán)控制。核心部分均采用軟件模塊，用戶可進(jìn)行修改；力加載設(shè)備也可增加或刪減，并且不影響所述操縱力感控制系統(tǒng)的伺服頻率。所述操縱力感控制系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性、可互換性及可伸縮性，開放性程度較高。由于采用了SERCOS3實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線，伺服頻率能夠達(dá)到四千赫茲，力感逼真度及控制系統(tǒng)的可靠性都得到了大大地提高?？捎糜谛枰M各種力感的設(shè)備。
【專利說明】基于開放式架構(gòu)的操縱力感控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種操縱力感控制系統(tǒng)，尤其是涉及一種基于SERC0S3實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線的開放式操縱力感控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，公知的操縱力感控制方法和裝置主要是一種專用的封閉體系結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，SrPC+NC控制卡”模式，PC主要處理各種非實(shí)時(shí)任務(wù)，NC控制卡處理實(shí)時(shí)任務(wù)。但由于NC控制卡的硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)多是專用的，無(wú)可互換性，也無(wú)可伸縮性，更無(wú)可擴(kuò)展性，提供給用戶的選擇有限。用戶無(wú)法對(duì)現(xiàn)有力感控制系統(tǒng)的功能進(jìn)行修改以滿足自己特殊的需求，開放性程度較低；且與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是以模擬通訊方式進(jìn)行的，存在易受干擾、精度差的問題，影響了系統(tǒng)的控制精度；還有一種操縱力感控制系統(tǒng)的NC控制卡是用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)來(lái)代替的，但軟件結(jié)構(gòu)采用了專用的實(shí)時(shí)VxWorks操作系統(tǒng)，存在成本高、可移植性及可維護(hù)性差的問題，且與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的通訊是采用傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線模式進(jìn)行的，控制系統(tǒng)的伺服頻率最高不到兩千赫茲，存在力感逼真精度差的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服現(xiàn)有的操縱力感控制系統(tǒng)開放性程度和力感逼真度較低的不足，本發(fā)明提供一種基于開放式架構(gòu)的操縱力感控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)開放性程度高，可靠性好，具有較高的伺服頻率，大大提高了系統(tǒng)的力感逼真度。
[0004]—種基于開放式架構(gòu)的操縱力感控制系統(tǒng)，包括工業(yè)PC機(jī)、力加載設(shè)備、信號(hào)米集設(shè)備和操縱桿；
所述的工業(yè)PC機(jī)的共享內(nèi)存區(qū)分別與人機(jī)界面模塊、安全保護(hù)模塊、實(shí)時(shí)控制模塊連接；安全保護(hù)模塊與實(shí)時(shí)控制模塊連接；實(shí)時(shí)控制模塊分別與SERC0S3通訊實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊、模數(shù)采集實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊連接；SERC0S3通訊實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊與SERC0S3通訊板卡連接；模數(shù)采集實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊與模數(shù)采集板卡連接；
所述的力加載設(shè)備的SERC0S3數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器分別與光電編碼器和電動(dòng)缸連接；
所述的信號(hào)采集設(shè)備的信號(hào)放大器和力傳感器連接；
工業(yè)PC機(jī)分別通過SERC0S3通訊板卡、模數(shù)采集板卡與力加載設(shè)備的SERC0S3數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器和信號(hào)采集設(shè)備的信號(hào)放大器連接；力加載設(shè)備的電動(dòng)缸與信號(hào)采集設(shè)備的力傳感器連接；信號(hào)采集設(shè)備的力傳感器通過連接桿與操縱桿連接；
工業(yè)PC機(jī)的安全保護(hù)模塊通過監(jiān)控實(shí)時(shí)控制模塊發(fā)出的速度指令是否存在跳變及過大，以保證整個(gè)系統(tǒng)不受到損害；
人機(jī)界面模塊通過共享內(nèi)存區(qū)與安全保護(hù)模塊及實(shí)時(shí)控制模塊聯(lián)系；所述人機(jī)界面模塊是一個(gè)通用的運(yùn)行在用戶態(tài)下的windows界面程序，可以通過界面程序設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行方式，監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)變化，進(jìn)行應(yīng)急關(guān)閉操作；
共享內(nèi)存區(qū)是人機(jī)界面模塊和實(shí)時(shí)控制模塊與安全保護(hù)模塊間的數(shù)據(jù)共享區(qū)，實(shí)時(shí)控制模塊從共享內(nèi)存區(qū)讀取系統(tǒng)操作指令并予以執(zhí)行，同時(shí)把操縱桿力與位置的實(shí)際采樣值存入共享內(nèi)存區(qū)，人機(jī)界面模塊從共享內(nèi)存區(qū)讀取操縱桿力與實(shí)際位置并顯示在界面上供操作者監(jiān)控；
所述工業(yè)PC機(jī)除人機(jī)界面模塊I工作于非實(shí)時(shí)部分外，其它均工作于實(shí)時(shí)部分；
實(shí)時(shí)控制模塊通過SERC0S3通訊實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊、SERC0S3通訊板卡實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線向力加載設(shè)備的SERC0S3數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制指令，SERC0S3數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器通過電源電纜將實(shí)時(shí)控制模塊發(fā)出的指令作用到電動(dòng)缸上，電動(dòng)缸通過連接桿將力施加在操縱桿上，使操縱桿上產(chǎn)生相應(yīng)的加載力；光電編碼器安裝于電動(dòng)缸上，實(shí)時(shí)測(cè)量電動(dòng)缸的當(dāng)前位置并通過信號(hào)電纜反饋給SERC0S3數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器；
信號(hào)采集設(shè)備的力傳感器安裝于電動(dòng)缸與操縱桿之間，以測(cè)量電動(dòng)缸施加在操縱桿上的實(shí)際力，并將此力通過信號(hào)放大器反饋給所述工業(yè)PC機(jī)的模數(shù)采集板卡，從而形成力閉環(huán)控制。
[0005]本發(fā)明的一種基于開放式架構(gòu)的操縱力感控制系統(tǒng)可以用于需要模擬各種力感的設(shè)備和場(chǎng)合，尤其是各種訓(xùn)練模擬器中的操縱負(fù)荷仿真系統(tǒng)。
[0006]有益效果:本發(fā)明的一種基于開放式架構(gòu)的操縱力感控制系統(tǒng)，包括工業(yè)PC機(jī)、力加載設(shè)備、操縱桿和信號(hào)采集設(shè)備；工業(yè)PC機(jī)中運(yùn)行的實(shí)時(shí)控制模塊是核心裝置，它一方面通過通過SERC0S3通訊板卡實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線向力加載設(shè)備發(fā)出控制指令，使操縱桿上產(chǎn)生相應(yīng)的加載力；另一方面通過模數(shù)采集板卡接收信號(hào)采集設(shè)備采集回作用在操縱桿上的加載力，從而形成力閉環(huán)控制；結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)化，層次明顯。
[0007]由于核心部分均采用軟件模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，用戶可根據(jù)自己的特殊需求來(lái)進(jìn)行修改；同時(shí)力加載設(shè)備也可根據(jù)自己的需求進(jìn)行增加或刪減，并且不影響操縱力感控制系統(tǒng)的伺服頻率。因此，所述的操縱力感控制系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性、可互換性及可伸縮性的特征，開放性程度較高。并且，由于采用了 SERC0S3實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線，它是一種高速、高精度實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線，伺服頻率能夠達(dá)到四千赫茲，力感逼真度及控制系統(tǒng)的可靠性都得到了大大地提高。本發(fā)明可以用于需要模擬各種力感的設(shè)備和場(chǎng)合，尤其是各種訓(xùn)練模擬器中的操縱負(fù)荷仿真系統(tǒng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明的一種基于開放式架構(gòu)的操縱力感控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009]實(shí)施例1如圖1所示，一種基于開放式架構(gòu)的操縱力感控制系統(tǒng)，包括工業(yè)PC機(jī)18、力加載設(shè)備8、信號(hào)采集設(shè)備13和操縱桿15 ；
所述的工業(yè)PC機(jī)18的共享內(nèi)存區(qū)2分別與人機(jī)界面模塊1、安全保護(hù)模塊3、實(shí)時(shí)控制模塊4連接；安全保護(hù)模塊3與實(shí)時(shí)控制模塊4連接；實(shí)時(shí)控制模塊4分別與SERC0S3通訊實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊5、模數(shù)采集實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊17連接；SERC0S3通訊實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊5與SERC0S3通訊板卡6連接；模數(shù)采集實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊17與模數(shù)采集板卡16連接；
所述的力加載設(shè)備8的SERC0S3數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器7分別與光電編碼器9和電動(dòng)缸10連接； 所述的信號(hào)采集設(shè)備13的信號(hào)放大器14和力傳感器11連接；
所述的工業(yè)PC機(jī)18分別通過SERC0S3通訊板卡6、模數(shù)采集板卡16與力加載設(shè)備8的SERC0S3數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器7和信號(hào)采集設(shè)備13的信號(hào)放大器14連接；力加載設(shè)備8的電動(dòng)缸10與信號(hào)采集設(shè)備13的力傳感器11連接；信號(hào)采集設(shè)備13的力傳感器11通過連接桿12與操縱桿15連接；
工業(yè)PC機(jī)18的安全保護(hù)模塊3通過監(jiān)控實(shí)時(shí)控制模塊4發(fā)出的速度指令是否存在跳變及過大，以保證整個(gè)系統(tǒng)不受到損害；
人機(jī)界面模塊I通過共享內(nèi)存區(qū)2與安全保護(hù)模塊3及實(shí)時(shí)控制模塊4聯(lián)系；所述人機(jī)界面模塊1，是一個(gè)通用的運(yùn)行在用戶態(tài)下的windows界面程序，可以通過界面程序設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行方式，監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)變化，進(jìn)行應(yīng)急關(guān)閉操作；
共享內(nèi)存區(qū)2是人機(jī)界面模塊I和實(shí)時(shí)控制模塊4與安全保護(hù)模塊3間的數(shù)據(jù)共享區(qū)，實(shí)時(shí)控制模塊4從共享內(nèi)存區(qū)2讀取系統(tǒng)操作指令并予以執(zhí)行，同時(shí)把操縱桿力與位置的實(shí)際采樣值存入共享內(nèi)存區(qū)2，人機(jī)界面模塊I從共享內(nèi)存區(qū)2讀取操縱桿力與實(shí)際位置并顯示在界面上供操作者監(jiān)控；
所述工業(yè)PC機(jī)18除人機(jī)界面模塊I工作于非實(shí)時(shí)部分外，其它均工作于實(shí)時(shí)部分；實(shí)時(shí)控制模塊4通過SERC0S3通訊實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊5、SERC0S3通訊板卡6實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線向力加載設(shè)備8的SERC0S3數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器7發(fā)出控制指令，SERC0S3數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器7通過電源電纜將實(shí)時(shí)控制模塊4發(fā)出的指令作用到電動(dòng)缸10上，電動(dòng)缸10通過連接桿12將力施加在操縱桿15上,使操縱桿15上產(chǎn)生相應(yīng)的加載力；光電編碼器9安裝于電動(dòng)缸10上，實(shí)時(shí)測(cè)量電動(dòng)缸10的當(dāng)前位置并通過信號(hào)電纜反饋給SERC0S3數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器7 ；信號(hào)采集設(shè)備13的力傳感器11安裝于電動(dòng)缸10與操縱桿15之間，以測(cè)量電動(dòng)缸10施加在操縱桿15上的實(shí)際力，并將此力通過信號(hào)放大器14反饋給所述工業(yè)PC機(jī)18的模數(shù)采集板卡16，從而形成力閉環(huán)控制。
【權(quán)利要求】
1.一種基于開放式架構(gòu)的操縱力感控制方法和裝置，其特征是包括工業(yè)PC機(jī)(18 )、力加載設(shè)備(8)、信號(hào)采集設(shè)備(13)和操縱桿(15); 所述的工業(yè)PC機(jī)(18)的共享內(nèi)存區(qū)(2)分別與人機(jī)界面模塊(I)、安全保護(hù)模塊(3)、實(shí)時(shí)控制模塊(4)連接；安全保護(hù)模塊(3)與實(shí)時(shí)控制模塊(4)連接；實(shí)時(shí)控制模塊(4)分別與SERC0S3通訊實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊(5)、模數(shù)采集實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊(1)7連接；SERC0S3通訊實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊(5)與SERC0S3通訊板卡(6)連接；模數(shù)采集實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊(17)與模數(shù)采集板卡(16)連接； 所述的力加載設(shè)備⑶的SERC0S3數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器(7)分別與光電編碼器(9)和電動(dòng)缸(10)連接； 所述的信號(hào)采集設(shè)備(13)的信號(hào)放大器(14)和力傳感器(11)連接； 所述的工業(yè)PC機(jī)(18)分別通過SERCOS3通訊板卡(6)、模數(shù)采集板卡(16)與力加載設(shè)備⑶的SERCOS3數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器(7)和信號(hào)采集設(shè)備(13)的信號(hào)放大器(14)連接；力加載設(shè)備(8)的電動(dòng)缸(10)與信號(hào)采集設(shè)備(13)的力傳感器(11)連接；信號(hào)采集設(shè)備(13)的力傳感器(11)通過連接桿(12)與操縱桿(15)連接； 工業(yè)PC機(jī)(18)的安全保護(hù)模塊(3)通過監(jiān)控實(shí)時(shí)控制模塊(4)發(fā)出的速度指令是否存在跳變及過大，以保證整個(gè)系統(tǒng)不受到損害； 人機(jī)界面模塊(I)通過共享內(nèi)存區(qū)(2 )與安全保護(hù)模塊(3 )及實(shí)時(shí)控制模塊(4 )聯(lián)系；所述人機(jī)界面模塊(1)，是一個(gè)通用的運(yùn)行在用戶態(tài)下的windows界面程序，可以通過界面程序設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行方式，監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)變化，進(jìn)行應(yīng)急關(guān)閉操作； 共享內(nèi)存區(qū)(2)是人機(jī)界面模`塊(I)和實(shí)時(shí)控制模塊(4)與安全保護(hù)模塊(3)間的數(shù)據(jù)共享區(qū)，實(shí)時(shí)控制模塊(4)從共享內(nèi)存區(qū)(2)讀取系統(tǒng)操作指令并予以執(zhí)行，同時(shí)把操縱桿力與位置的實(shí)際采樣值存入共享內(nèi)存區(qū)(2)，人機(jī)界面模塊(I)從共享內(nèi)存區(qū)(2)讀取操縱桿力與實(shí)際位置并顯示在界面上供操作者監(jiān)控； 所述工業(yè)PC機(jī)(18)除人機(jī)界面模塊(I)工作于非實(shí)時(shí)部分外，其它均工作于實(shí)時(shí)部分； 實(shí)時(shí)控制模塊(4)通過SERC0S3通訊實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊(5)、SERC0S3通訊板卡 (6)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線向力加載設(shè)備(8)的SERC0S3數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器(7)發(fā)出控制指令，SERC0S3數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器(7)通過電源電纜將實(shí)時(shí)控制模塊⑷發(fā)出的指令作用到電動(dòng)缸(10)上，電動(dòng)缸(10)通過連接桿(12)將力施加在操縱桿(15)上，使操縱桿(15)上產(chǎn)生相應(yīng)的加載力；光電編碼器(9)安裝于電動(dòng)缸(10)上，實(shí)時(shí)測(cè)量電動(dòng)缸(10)的當(dāng)前位置并通過信號(hào)電纜反饋給SERC0S3數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器(7)； 信號(hào)采集設(shè)備(13)的力傳感器(11)安裝于電動(dòng)缸(10)與操縱桿(15)之間，以測(cè)量電動(dòng)缸(10)施加在操縱桿(15)上的實(shí)際力，并將此力通過信號(hào)放大器(14)反饋給所述工業(yè)PC機(jī)(18)的模數(shù)采集板卡(16)，從而形成力閉環(huán)控制。
【文檔編號(hào)】G05B19/04GK103760781SQ201310743990
【公開日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】孫方義, 潘春萍, 郭全, 祖力軍, 唐升全 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍空軍航空大學(xué)軍事仿真技術(shù)研究所