基于三自由度運動平臺的運動姿態(tài)數(shù)據(jù)采集研究

0引言

三自由度運動平臺是一種空間并聯(lián)運動機構(gòu),它由三只電動缸,上下各六只萬向鉸鏈和上下兩個平臺組成,下平臺固定在基礎(chǔ)上,借助三只電動缸的伸縮運動,完成上平臺在空間三個自由度(X,Y,Z)的俯仰、滾轉(zhuǎn)、升降運動,從而可以模擬出各種空間運動姿態(tài)。

由于并聯(lián)機構(gòu)的參數(shù)復(fù)雜性,其動力學(xué)模型通常是一個多自由度、多變量、高度非線性、多參數(shù)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。同時,動力學(xué)分析又是對整個系統(tǒng)實施有效的控制策略達(dá)到既定運動指標(biāo)的基礎(chǔ),所以有必要對系統(tǒng)動力學(xué)模型的建立進(jìn)行深入分析研究。此外,三自由度并聯(lián)機構(gòu)作為少自由度空間機構(gòu)的一種形式,由于自由度受限,其運動學(xué)、動力學(xué)分析方法也與常見的六自由度運動平臺有所不同。因此,對其進(jìn)行更進(jìn)一步的理論分析和實際制造安裝生產(chǎn)前的仿真、實驗研究,為工程實現(xiàn)奠定良好的基礎(chǔ)是很有必要的^[1]。

目前,三自由度運動平臺多應(yīng)用于仿真模擬試驗,它具有明顯的安全性、經(jīng)濟(jì)性、可操作性,不受場地和氣象條件的限制,效率高,加之驅(qū)動關(guān)節(jié)少、性價比高等優(yōu)點,因而被廣泛應(yīng)用于各種訓(xùn)練模擬器如飛行模擬器、艦艇模擬器、海軍直升機起降模擬平 臺、坦克模擬器、汽車駕駛模擬器、火車駕駛模擬器、 地震模擬器以及動感電影、娛樂設(shè)備、機構(gòu)力加載等 領(lǐng)域,為提高我國的仿真技術(shù)水平,增強國防實力,提高工業(yè)生產(chǎn)力水平,做出了巨大貢獻(xiàn)。

1 三自由度運動平臺結(jié)構(gòu)及原理

三自由度運動平臺作為一種空間并聯(lián)運動機構(gòu)被廣泛應(yīng)用于航空航天、航海艦船、飛機工業(yè)、機床業(yè)和車輛工業(yè)等領(lǐng)域的駕駛模擬、飛行模擬、虛擬現(xiàn)實等方面,在國防和民用領(lǐng)域都有很高的研究和應(yīng)用價值。

三自由度運動平臺結(jié)構(gòu)(圖1)是由一個上平臺(動平臺)、一個下平臺(固定底座)、三個支桿、三個線性作動器(伺服電動缸)及若干關(guān)節(jié)連接而成。上平臺為運動平臺,承受負(fù)載,完成既定規(guī)格參數(shù)的速度、加速度、位置運動要求,進(jìn)而實現(xiàn)對于場景畫面運動姿態(tài)的仿真模擬,從而把業(yè)務(wù)場景視感與體感結(jié)合起來,達(dá)到仿真模擬的目的。

通過三自由度運動平臺結(jié)構(gòu)(圖1)可以得出:上運動平臺與地面之間以三個支桿來約束并起支撐作用,以三個線性作動器(伺服電動缸)作為驅(qū)動部件進(jìn)行驅(qū)動。每個線性作動器兩端為關(guān)節(jié)軸承,中間為一個移動副和一個轉(zhuǎn)動副連接,每根支桿兩端也是采用關(guān)節(jié)軸承分別與地面和上平臺相連。通過計算可知,每個支桿所在的支路都具有5個自由度,每個支路對上平臺提供一個約束;每個線性作動器所在的支路都具有6個自由度,對于上平臺沒有約束。通過每個分支對上平臺的約束很容易計算得出其自由度為3。因此,通過三套線性作動器的驅(qū)動,上平臺就能夠?qū)崿F(xiàn)對于給定運動的跟蹤復(fù)現(xiàn)。

簡單直觀地對運動進(jìn)行分析可得到:由于三根支桿的限制作用,上平臺平動受到限制;而轉(zhuǎn)動自由度相對更為自由,運動范圍更大。當(dāng)兩豎直作動器差動動作、水平作動器不動作時,實現(xiàn)橫滾運動;兩豎直作動器同步動作、水平作動器不動作時,實現(xiàn)俯仰動作;兩豎直作動器不動作、水平作動器動作時實現(xiàn)偏航[1];三套作動器任意動作實現(xiàn)任意擺動,從而實現(xiàn)對各種業(yè)務(wù)場景的仿真模擬。

上述平臺在完成既定動作的前提下有其自身結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點:

1)由于三個支桿的限制支撐作用,相對于其他同樣實現(xiàn)三個方向轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu),整個平臺機構(gòu)剛度更大;

2)相對于六自由度機構(gòu)結(jié)構(gòu)更為緊湊,更為經(jīng)濟(jì)適用,而且由于作動器沿運動垂直向作用,能夠在得到相同輸出功率的前提下使作動器尺寸最小;

3)根據(jù)上面的運動分析,平臺結(jié)構(gòu)模型相對簡單,更易于實現(xiàn)控制。

總而言之,三自由度平臺是一種具有三個獨立自由度的機電系統(tǒng),通過控制其旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或轉(zhuǎn)動軸的運動,可以實現(xiàn)平臺在三個方向上的運動和定位。

三自由度運動平臺在機器人、模擬器和虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用,其具備極大的市場應(yīng)用價值,主要體現(xiàn)在:

首先,經(jīng)濟(jì)性。制造一臺模擬器的價格要比制造真實的飛機、輪船、潛艇、戰(zhàn)車等經(jīng)濟(jì)得多,而且可以不受天氣影響自如地進(jìn)行實驗。

其次,安全性。例如飛行模擬,很多異常情況在真實的飛行中是很危險的,通過模擬器對飛行員進(jìn)行訓(xùn)練,進(jìn)而使其更好地掌握處理異常情況的能力,相對于在真實飛機中進(jìn)行飛行訓(xùn)練來說更為安全;對于沒有經(jīng)驗的新駕駛員來說,通過模擬器的訓(xùn)練可以掌握基本操作技巧;很多實際設(shè)備的設(shè)計錯誤可以通過模擬器的實驗?zāi)M進(jìn)行分析,進(jìn)而得到改進(jìn)。

再次,就是對于環(huán)境方面的考慮。正常飛行、車輛行駛等都需要燃燒大量的煤油,這樣就給環(huán)境帶  來了沉重的負(fù)擔(dān),有了模擬設(shè)備就可以節(jié)省能源,同時也減輕了科技發(fā)展對于環(huán)境帶來的負(fù)面影響。

2三自由度運動平臺運動姿態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

隨著三自由度運動平臺在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,有時需要針對業(yè)務(wù)場景畫面,采集畫面姿態(tài)數(shù)據(jù),這時就需要設(shè)計一種三自由度結(jié)構(gòu)的運動平臺數(shù)據(jù)采集裝置。

但怎么讓三自由度平臺按照預(yù)想的姿態(tài)運行、進(jìn)行仿真模擬,并完成運行姿態(tài)數(shù)據(jù)采集分析再編輯處理,能夠生成需求的業(yè)務(wù)場景數(shù)據(jù),從而可以在軟件里回放采集的業(yè)務(wù)場景數(shù)據(jù),實現(xiàn)對業(yè)務(wù)場景的復(fù)現(xiàn),以滿足特定業(yè)務(wù)場景的測試和應(yīng)用?這時就需要設(shè)計一款面向業(yè)務(wù)場景的三自由度結(jié)構(gòu)的運動平臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

采集系統(tǒng)設(shè)計要求:采集裝置效率高、靈敏度高、時鐘準(zhǔn)確,操作簡單,運行穩(wěn)定。

為提高三自由度平臺運行姿態(tài)數(shù)據(jù)采集裝置的效率和靈敏度,增加功能,本采集系統(tǒng)在設(shè)計上充分考慮了各種需求、功能接口,要求生產(chǎn)出來的采集裝置,各方面的指標(biāo)參數(shù)滿足設(shè)計要求,功能、性能大幅提升,整個采集裝置操作簡單高效。三自由度平臺運動姿態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)分為軟件部分和硬件部分,軟件部分為上位機軟件采集系統(tǒng),硬件部分主要為采集器和采集控制板。上位機軟件采集系統(tǒng)實現(xiàn)通信定義、文件配置、采集的開關(guān)指令,生成姿態(tài)數(shù)據(jù)。硬件部分包括三自由度模擬采集機構(gòu)、位移傳感器、采集控制板、與上位機通信模塊。

操作者配置完配置文件和通信設(shè)置后,根據(jù)業(yè)務(wù)場景畫面,以第一視角手搖采集器,打開采集開關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,生成業(yè)務(wù)場景的畫面姿態(tài)數(shù)據(jù),畫面結(jié)束時,關(guān)閉采集按鈕,采集結(jié)束,生成姿態(tài)數(shù)據(jù)文件。

采集的平臺姿態(tài)數(shù)據(jù),通過上位機的主控程序加載到內(nèi)存中,同時啟動業(yè)務(wù)場景畫面,按照采集時鐘,定時發(fā)送數(shù)據(jù)姿態(tài)指令給三自由度運動平臺,從而把業(yè)務(wù)場景畫面的姿態(tài)和三自由度運動平臺的運動姿態(tài)同步起來,實現(xiàn)視覺和體感的匹配,最終使仿真模擬效果實現(xiàn)最大化。

3三自由度運動平臺運動姿態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 運動姿態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計功能

1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、合理。2)操作簡便,一個人即可完成全部操作。3)軟件穩(wěn)定、可靠。4)數(shù)據(jù)采集精度高,時鐘精準(zhǔn)無誤差。5)支持MODBUS通信,也可通過網(wǎng)卡實時采集。6)支持多自由度的動作姿態(tài)采集。7)最多支持12路的特效輸出定義。8)可根據(jù)客戶需求,對軟件進(jìn)行實際定制和修改。9)支持1ms的動作采集,數(shù)據(jù)不丟幀。

3.2運動姿態(tài)數(shù)據(jù)采集裝置結(jié)構(gòu)說明

三自由度平臺運動姿態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)機電結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1)上平面框架。2)采集開關(guān)按鈕,位于上平面框架長邊的中央,與下框架長邊中央的采集控制板通信。3)開關(guān)信號通信線。4)采集控制板。5)上平面框架T型鉸接件。6)魚眼軸承,與上平面框架T型鉸接件一起,連接上平面框架與直線位移傳感器。7)位移傳感器,產(chǎn)生直線位移數(shù)據(jù),與下平面框架T型鉸接件連接。8)下平面框架T型鉸接件。9)下平面框架。10)通信端口,通過通信線與電腦進(jìn)行通信。11)位移傳感器通信口,通過位移傳感器通信線與控制板進(jìn)行通信。12)開關(guān)信號通信口,通過開關(guān)通信線與控制板進(jìn)行通信。

3.3運動姿態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集控制板設(shè)計

運動姿態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集控制板結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1)編號10(對應(yīng)圖3)為采集控制板與電腦上位機軟件進(jìn)行通信的通信端口,同時電腦通過該端口為采集控制板供電。

2)編號11(對應(yīng)圖3)為位移傳感器與采集控制板的通信端口,采集控制板采集位移數(shù)據(jù),把采集到的位移數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機主控程序,最多可支持6路位移信號的數(shù)據(jù)采集。

3)編號12(對應(yīng)圖3)為開關(guān)信號通信端口,采集控制板第一次收到開關(guān)信號指令,打開內(nèi)置系統(tǒng)時鐘,定時采集位移數(shù)據(jù),再次按下開關(guān)信號,關(guān)閉內(nèi)置系統(tǒng)時鐘,結(jié)束位移數(shù)據(jù)采集。

3.4 運動姿態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機軟件設(shè)計

運動姿態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機主控程序界面設(shè) 計如圖5所示。

上位機主控程序?qū)崿F(xiàn)的功能:

1)配置文件:通信參數(shù)、對應(yīng)的位移行程,采集時鐘,姿態(tài)數(shù)據(jù)文件名和文件輸出路徑。

2)在操作者按動開關(guān)按鈕后,上位機軟件程序接收到采集控制板發(fā)送的開始指令。

3)上位機通信模塊收到開始指令,打開通信端口,接收采集控制板發(fā)送的姿態(tài)數(shù)據(jù)。

4)上位機主控程序接收到姿態(tài)數(shù)據(jù),在配置文件中定義的文件目錄路徑下生成姿態(tài)數(shù)據(jù)文件。

5)再次按下開關(guān)按鈕,控制板發(fā)出停止指令。

6)上位機通信模塊收到停止指令,關(guān)閉通信端口,采集控制板停止位移姿態(tài)數(shù)據(jù)采集,上位機主控程序停止接收姿態(tài)數(shù)據(jù)。

7)上位機主控程序姿態(tài)數(shù)據(jù)文件關(guān)閉,保存到配置文件中定義的文件輸出路徑。

8)姿態(tài)數(shù)據(jù)文件設(shè)計冗余12路開關(guān)量指令,可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求,對姿態(tài)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行再編輯處理,從而達(dá)到設(shè)計需求。

4結(jié)束語

本文介紹了三自由度運動平臺的結(jié)構(gòu)及原理,面向市場需求,設(shè)計開發(fā)了三自由度運動平臺運動姿態(tài)數(shù)據(jù)采集裝置。該裝置按照三自由度平臺的結(jié)構(gòu)制造,方式靈活多樣,采用位移傳感器來表達(dá)三自由度平臺的線性執(zhí)行作動。開發(fā)了一款采集控制板,實現(xiàn)對位移傳感器的數(shù)據(jù)采集,并上傳給上位機軟件,上位機軟件通過通信模塊收到姿態(tài)數(shù)據(jù)后,保存到電腦指定的文件路徑,最終實現(xiàn)預(yù)期的三自由度運動平臺運動姿態(tài)數(shù)據(jù)采集。

該采集裝置可以實現(xiàn)精度到1 ms的時鐘采集,反應(yīng)靈敏,數(shù)據(jù)采集精度高,可擴(kuò)展性強,操作簡便,可廣泛應(yīng)用于5D影院、軌道影院、三自由度運動平臺等業(yè)務(wù)場景和姿態(tài)隨機測試方向,具有很高的應(yīng)用價值和市場價值。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陳安平.三自由度運動平臺系統(tǒng)建模與分析[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2005.

2024年第12期第8篇