一种三自由度运动平台的研究及实现

华中科技大学硕士学位论文一种三自由度运动平台的研究及实现姓名：罗文豹申请学位级别：硕士专业：轮机工程指导教师：李维嘉2011-01-11华中科技大学硕士学位论文I摘要由于三自由度运动平台可以提供驾驶模拟器所需的主要动感特效，加之驱动关节少，性价比高等优点，在驾驶模拟器中的应用愈来愈广泛。本文即根据某型驾驶模拟器运动平台的性能指标要求，对三自由度运动平台进行研究并予以实现。首先，论文基于空间运动机构的相关理论，确定了一种带防扭臂结构的三自由度运动平台机构；然后，以平台运动范围、电动缸工作行程、平台台面尺寸等为约束条件，以平台可控性能和平台结构尺寸的加权综合昀优为目标函数，采用加速遗传算法，对该平台的机构参数进行了优化，并将优化结果运用到实际平台的设计中；其次，针对运动平台的驱动控制系统设计，提出了全数字伺服控制的方案，提高了控制系统的抗干扰能力；再次，基于空间运动机构的动力学仿真，确定了驱动系统的动力匹配；昀后，基于Wince6.0操作系统，开发了一套三自由度运动平台应用软件，实现了平台系统的实时控制。调试结果表明，平台系统的各项性能指标，均满足了设计要求。本文所研究并实现的三自由度运动平台系统，已投入使用，并小批量生产。关键词：三自由度;防扭臂;机构优化;Wince;电动伺服控制华中科技大学硕士学位论文IIAbstractThethreedegreesoffreedomplatformhasbeenappliedtothedrivingsimulatormoreextensive,Sinceitcanprovidethemaindynamicdrivingsimulatoreffects,additionallyithaslessjointactuatedandhighercapabilitybutlowercost.Inthispaper,threedegreesoffreedommotionplatformhasbeenstudiedandrealizedbasedonacertaintypeofdrivingsimulatorperformancerequirements.First,inthepaper,akindofthethreeDOFmotionplatformwithanti-torquearmhasbeenidentifiedbasedonthetheoryofspacemotionagencies.Secondly,thekeyfactors,suchastherangeoftheplatform,thestrokelengthofelectriccylinders,thesizesofpanelsetc.,asconstraintconditionswasconcluded,theoptimalweighedvalueofthecontrollabilityandthestructuresizeoftheplatformastheoptimalobjectivefunctionswerechosen,thealgorithmparametersoftheplatformmechanismwereoptimizedbasedonaccelerationgeneticalgorithm,andtheoptimizationresultswereappliedtothedesignofakindofthethreeDOFmotionplatformwithanti-torquearm.Thirdly,All-digitalservocontrolschemehasbeenproposedforthedesignofthedrivecontrolsystem,andithasbeenImprovedanti-jammingcapabilityofthecontrolsystem.Fourthly,ThepowermatchingforthedrivecontrolsystemhasbeendeterminedbasedonthedynamicsimulationoftheSpacemotionmechanism.Finally,TheinternetapplicationshavebeendevelopedgroundonWince6.0andtheprocessofdesigningthereal-timecontrolsystemfortheplatformhasbeencarriedout.Theresultshaveshowedthatallperformanceshavemeetthedesignrequirements.Thethree-DOFmotionplatformsystemwhichhasbeenStudiedandimplementedinthispaperhasbeenputintouse,andsmallbatchproduction.Keywords：Threedegreesoffreedom；Anti-torsionarm；Mechanismoptimization；Wince；Electro-mechanicsservocontrol独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月华中科技大学硕士学位论文11绪论1.1课题来源及意义1.1.1课题来源本课题来源于某型汽车驾驶模拟器设计项目。1.1.2课题意义实验室用运动平台模拟仿真试验具有明显的安全性、经济性、可操作性，不受场地和气象条件的限制和效率高等优点[1~3]，因而广泛应用于驾驶模拟训练、飞行模拟器、空间对接模拟、船载和车载运动模拟，以及机构力加载等各个方面，为提高我国的仿真技术水平，增强国防实力，提高工业生产力水平，作了巨大贡献。Stewart运动平台已广泛运用于运动和力学仿真领域[4~5]。在保证平台仿真效果的同时，为了进一步降低硬件成本，国内外已经研发了多款三自由度运动平台[6~7]。但是这几款运动平台尚有一些不足，例如，平台机构空间尺寸较大，而提供的工作空间较小；平台机构设计和运动副选用不尽合理，运行一段时间后出现比较严重的磨损现象，影响了平台工作精度。本文研究与设计的三自由度平台系统，其特点是在满足运动仿真效果的同时，尽量减小平台结构尺寸和加大平台运动范围，这样既利于平台小型化发展，又降低平台成本，从而进一步扩大运动平台的适用场合。同时电动驱动方式的尝试，必将有利于推动电动平台的发展，减小平台的使用和维护成本，进而促进平台使用的推广。1.2国内外相关研究的分析并联机构与串联机构相比[8~10]，具有结构刚度好、承载能力强、位置精度高、响华中科技大学硕士学位论文2应快等一系列优点，结合运动仿真平台的自身特点与要求，目前运动仿真平台皆采用并联机构形式，常见的有三自由度、六自由度和七自由度等多种形式。在国内外，对传统并联运动机构研究的理论和技术较为成熟，研究从机构优化、位姿正逆解、误差分析、运动学及动力学等各个方面展开，控制参数包含位移、速度、加速度，力等，控制算法从传统的PID算法到智能控制百花齐放。到目前为止，带有运动平台系统的模拟器已广泛地应用于军用和民用仿真领域。国外，70年代初，美国就开始开发用于飞行训练用的飞行模拟器。国际上一些大型飞机制造公司都拥有自主研发的飞行模拟器，可以担当百分之六十以上的训练任务，明显减小开发和试验成本。如波音公司在研制B-777飞机的同时，已开始B-777飞行器的研制工作。汤姆森公司研制开发的飞行模拟器可以模拟飞机在不同天气和环境的训练状态，能够给飞行员提供多种训练。70年代初，欧美一些发达国家，汽车驾驶训练仿真系统就作为一种培训工具用于驾驶员培训。1985年德国Daimler-Benz公司研制出当时世界上昀逼真的汽车模拟器，模拟舱安装有一辆真正的汽车，运用复杂的计算机控制系统和视景设备可以模拟各种地形，加速度，全方位的视角和理想的音响效果，使人如同沉浸在真实汽车驾驶室里操纵一样。国内，目前从事这方面研究的有北京航空航天大学，华中科技大学，哈尔滨工业大学等高校，以及星光凯明、穆韦机电等几家企业单位。1994年，华中科技大学和青岛潜艇学院合作研制了一台六自由度潜艇训练模拟器。2008年，华中科技大学为三一重工研制了一台载荷四十吨的六自由度试验台。2010年，华中科技大学为西安某所研制了一台360°回转的六自由度平台。目前，国内外的大型运动平台应用比较广泛的是采用液压驱动方式，液压驱动系统的优点是承载能力强，有较好的精度和响应速度，结构紧凑，而且液压系统的油液对运动部件能起到润滑的作用；其主要缺点是液压系统存在泄漏，易污染环境，伺服阀抗干扰、抗污染能力弱、容易堵塞，故障率高。2000年后，电动缸的应用也逐渐得到重视，其维护简单，安全可靠，控制精度高，生产成本低。许多小功率的应用场合，电动缸已经开始替代液压缸，实现高精度的控制，采用电驱动的运动平华中科技大学硕士学位论文3台能克服上述不足，在高速高精度方面更能满足要求，到目前为止，国内电动平台载荷已经可以达到10吨，控制精度和动态响应能力已满足国军标要求，随着机电技术和控制技术的进一步发展，电动平台必然成为未来仿真平台的一种发展趋势。根据上述分析，国外在理论水平和技术水平上都要比国内高一些，目前国内外对于运动平台的研究开发主要采用液压伺服驱动方式，以电液伺服阀控缸作为驱动机构；以电机驱动的三自由度微小型平台的研究是国内该领域一个较前沿的研究方向。1.3课题的关键技术（1）平台机构优化设计。如何在保证平台较大运动范围条件下，减小平台整体结构尺寸的同时，保证平台良好的运动特性，将直接决定平台机构设计的成败。因而，为机构建立合理的优化数学模型，采用良好的优化算法，对平台机构优化设计，将成为本文设计的一大重点和难点。（2）嵌入式系统及应用软件开发。选择合适的实时系统，在其基础上对平台系统软件开发，直接决定了平台系统运行可靠性与控制实时性。（3）洗出算法的研究。目前国内外对洗出算法的研究和资料并不多见，根据平台特性，研究合理的洗出算法，将直接决定平台动感效果。1.4研究目标和内容研究目标是在满足项目平台要求的技术指标的基础上，开发出结构刚度更大，结构尺寸更小，承载能力更强，控制精度更高，空间运动范围更大，位姿精度更高、响应更快、可靠性更高的平台，即在有限的资金空间内，开发出运动范围与结构尺寸比更大，仿真水平更高，真实感更强的运动平台。主要研究内容如下：（1）平台机构设计及优化。（2）根据平台系统总体性能指标，以及平台机构，进行系统硬件设备选型。华中科技大学硕士学位论文4（3）平台系统软件开发。（4）平台控制系统分析与优化。1.5平台特性及技术指标本文研究与实现的全电动的三自由度动感平台，具有在模拟的性能包线范围内给车辆驾驶人员提供一定范围内姿态角变化的动感信息的能力，从而使车辆驾驶人员在同样环境下，在姿态变化的感觉方面与在被模拟车辆上的感觉相似。1.5.1有效载荷重量有效载荷：300kg总载荷：400kg（含上平台及铰链100kg）1.5.2平台机构尺寸平台面积：1.5m×1.5m平台高度：小于0.6m1.5.3运动能力指标表1.1平台位移