以DSP為基礎之史都華平台控制系統發展與沖淡演算法之應用

Abstract

史都華六軸運動平台(Stewart 6-DOF Motion Platform)為由一固定的底板與在其上之可動平台以六個可伸縮之連桿所構成之一封閉式工作平台。其在國防、娛樂、醫學上的應用皆扮演重要的角色。 本論文是以史都華六軸運動平台為主体，主要包含有理論與實作兩部份。在理論部份，現行的平台控制多為位置控制，但人類在運動過程中對力的感受是最為敏感。為了使六軸運動模擬器能克服平台工作空間的限制，使模擬動作能更逼真，並實現史都華六軸運動平台的速度控制與加速度控制，我們利用「動作提示(Motion Cues)」的觀念，以人類身体對力的感受配合眼睛在視覺上的假像，藉由「沖淡演算法」來實現平台的速度與加速度控制，並與實驗室自行發展的戰車動態模型結合，完成一個完整戰車的虛擬實境。 在實作部份，現行的平台控制端是在PC上，為了讓史都華六軸運動平台的控制能夠達到模組化，我們採用了TI的TMS320F240的DSP晶片，製作了DSP Stand Alone 控制卡。之所以採用這顆DSP晶片最主要是它的快速的運算能力以及它成功地應用在多項產品上，且F240是專為控制系統所量身打造的，它包含了兩組16個Channel的A/D與序列傳輸界面，這對在設計電路上將省卻許多功夫。最後將目前實驗室所發展的史都華六軸運動平台的控制架構移植到DSP控制卡上，並以RS232與場景端PC連線，以完全取代PC的功能，達到整個控制系統模組化的目的。

Stewart 6-DOF Motion Platform is a closed working platform that consisted of six flexible legs connecting a fixed base plate to a mobile plate. It plays an important role in the applications of national defense、entertainments and medical science. The main shaft of this thesis to cover theoretical analysis and implementation is six-degree motion platform. Most of the control of the platform is position control, but the human being is the most sensitive to the feeling of force in the motion process. We use an idea of “Motion Cues” in order to overcome the restriction of working space, make the simulation more realistic and realize the velocity control and acceleration control of six-degree motion platform. To use human being’s feeling of force tie in false appearances within human being’s vision and “Washout Algorithm” to realize the velocity and acceleration control of platform, and to integrate with a tank dynamic module to complete a tank virtual reality. We adopted TMS320F240 DSP chip by TI to implement a DSP Stand-Alone Control Card in order to modularize the controller of six-degree motion platform. The main reasons that we adopted this DSP chip are its rapid computing power and its applications in a lot of products. And we saved a lot of time in circuit designing because of the architecture of F240 DSP chip.Finally, we developed the control schemes on DSP Control Card that developed on PC before, and connected with the PC by RS232 interface in order to instead of the function of industrial PC, to achieve the purpose that modularize the whole control system of six-degree motion platform. 1.1 引言…………………………………………………… 1 1.2 簡介與文獻回顧……………………………………… 1 1.3 實驗設備系統介紹…………………………………… 2 第二章 史都華平台控制 2.1 史都華六軸運動平台介紹…………………………… 5 2.2 平台控制……………………………………………… 6 2.2.1 史都華平台的位置控制…………………… 6 2.2.2 DSP控制架構……………………………… 8 2.3 人機介面……………………………………………… 9 第三章 動作提示 3.1 動作提示的架構……………………………………… 14 3.2 操縱者的受力分析…………………………………… 16 3.3 Washout Algorithm…………………………………… 18 3.3.1 高頻平移運動的模擬………………………… 20 3.3.2 高頻轉動運動的模擬………………………… 21 3.3.3 低頻平移運動的模擬………………………… 21 3.4 模擬結果……………………………………………… 24 3.4.1 汽車動態模型………………………………… 24 第四章 史都華六軸運動平台DSP控制卡設計 4.1 系統需求與架構……………………………………… 38 4.2 TMS320C240 數位訊號處理器簡介…………………… 39 4.3 史都華六軸運動平台DSP控制卡設計………………… 42 4.3.1 系統方塊……………………………………… 42 4.3.2 讀寫時序分析 ………………………………… 44 4.3.3 記憶体規畫與設計 …………………………… 46 4.3.4 DSP控制卡之使用者設定…………………… 47 4.3.5 A/D、D/A電路設計…………………………… 48 4.3.6 RS232電路設計………………………………… 51 4.3.7 其它週邊電路設計…………………………… 51 4.3.8 解碼電路設計………………………………… 54 第五章 DSP控制卡之軟体架構發展 5.1 作業系統規畫………………………………………… 58 5.2 巨集程式發展………………………………………… 62 5.2.1 A/D、D/A程式發展…………………………… 62 5.2.2 RS232程式發展………………………………… 63 5.2.3 Inverse Kinematics 程式發展……………… 64 5.2.4 Forward Kinematics程式發展……………… 66 5.2.5 奇異點規避程式發展………………………… 67 5.2.6 路徑規劃程式發展…………………………… 69 5.2.7 沖淡演算法程式發展………………………… 69 5.3 數值運算處理………………………………………… 69 5.3.1 Q值格式運算…………………………………… 69 5.3.2根號……………………………………………… 70 5.3.3 三角函數……………………………………… 71 5.4 實驗結果……………………………………………… 72 第六章 系統整合 6.1 虛擬實境動態模擬系統之架構……………………… 76 6.2 動態模擬模型與沖淡演算法之整合………………… 78 第七章 結論與展望 參考文獻