六自由度平臺.doc

（一）六自由運動平臺介紹六自由度液壓平臺技術(shù)參數(shù) 六自由度運動平臺是由六支油缸，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，借助六只油缸的伸縮運動，完成上平臺在空間六個自由度（， X，Y，Z）的運動，從而可以模擬出各種空間運動姿態(tài)。六自由度運動平臺涉及到機械、液壓、電氣、控制、計算機、傳感器，空間運動數(shù)學(xué)模型、實時信號傳輸處理等一系列高科技領(lǐng)域，因此六自由度運動平臺是液壓和控制領(lǐng)域水平的標(biāo)志性象征。主要包括平臺的空間運動機構(gòu)、空間運動模型、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。 1 六自由度平臺空間機構(gòu)技術(shù)參數(shù) 六自由度平臺結(jié)構(gòu)效果圖如圖1所示。 圖1 六自由度平臺 六自由度運動平臺由上下平臺和六個液壓油缸組成。六個液壓缸上端點兩兩組成上平臺三個支點，六個液壓缸下端點兩兩組成下平臺三個支點。上下三個支點分別在假設(shè)的圓周上，并且是120o等分，既分別是兩個等邊三角形的頂點。根據(jù)不同的運動范圍，油缸的行程和上下平臺半徑不同。結(jié)構(gòu)如圖2所示。 圖2 六自由度平臺結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)標(biāo)書要求，六自由度平臺結(jié)構(gòu)參數(shù)如下： 上平臺半徑： 0.8m； 下平臺半徑：0.85m ； 油缸最低行程時上下平臺垂直距離：約1.17m； 油缸行程：0.20m。 2 六自由度平臺空間運動 空間運動的目標(biāo)是實現(xiàn)平臺在空間運動的三個姿態(tài)角度和三個平動位移，即俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航、上下垂直運動、前后平移和左右平移，及六個姿態(tài)的復(fù)合運動姿態(tài)。而空間目標(biāo)是通過六個液壓缸的行程實現(xiàn)的，這就需要一個空間的運動模型完成空間運動的轉(zhuǎn)換，假設(shè)空間運動的目標(biāo)俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航、上下垂直位移、前后平移和左右平移用，X，Y，Z表示，六個油缸的行程用L（i）（i1、2、3、4、5、6）表示。整個運動模型如下： L（i）TT（，X，Y，Z） 其中，TT是一個空間轉(zhuǎn)換矩陣模型。由此實時算出每一運動時刻液壓油缸的行程。液壓油缸的理論行程再通過D/A接口的轉(zhuǎn)換，給出實際行程值。 根據(jù)平臺的空間機構(gòu)參數(shù)，空間運動參數(shù)如下：位移 速度 加速度 俯仰 20o 22o/S 2弧度/S2 滾轉(zhuǎn) 17o 22o/S 2弧度/S2 偏航 30o 22o/S 2弧度/S2 垂直升降 200mm 0.5m/S 0.5m/ S2 縱向位移 200mm 0.5m/S 0.5m/ S2 側(cè)向位移 200mm200mm 0.5m/S 0.5m/ S2 （二）六自由度平臺多自由度運動控制 多自由度控制系統(tǒng)中，自由度最多為六自由度，并且六自由度運動控制難度最大，設(shè)備及系統(tǒng)最復(fù)雜，下面主要介紹我公司設(shè)計、生產(chǎn)的六自由度運動平臺。 六自由度運動平臺是由六支直線伺服電動缸，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，借助六只伺服電動缸（執(zhí)行器）的伸縮運動，完成上平臺在空間六個自由度（X，Y，Z，）的運動，從而可以模擬出各種空間運動姿態(tài)，可廣泛應(yīng)用到各種訓(xùn)練模擬器中，如飛行模擬器、汽車駕駛模擬器、地震模擬器以及動感電影、娛樂設(shè)備等領(lǐng)域中。在加工業(yè)可制成六軸聯(lián)動機床、機器人等。 下圖為六自由度運動平臺的控制框圖。從圖中可看出，主控計算機通過六自由度數(shù)學(xué)模型對空間狀態(tài)進行時時解算，將需要的空間狀態(tài)和運動軌跡輸入到主控計算機，通過空間狀態(tài)解算程序完成對六根缸的運動位移和速度的計算，然后將解算結(jié)果送到多軸控制卡，經(jīng)伺服驅(qū)動器送給伺服電機，伺服電機帶動電動缸推動平臺運動，實現(xiàn)上平臺的空間運動狀態(tài)。 六自由度運動平臺的研制中，根據(jù)應(yīng)用不同需要涉及機械、液壓、電器、控制、計算機、傳感器、空間運動數(shù)學(xué)模型、實時信號傳輸處理、圖形顯示、動態(tài)仿真等等一系列領(lǐng)域。上圖為六自由度在并聯(lián)機床上的應(yīng)用 汽車模擬駕駛器 本套基于伺服電動缸的六自由度運動平臺，是為汽車模擬駕駛器配套生產(chǎn)的。目前，國內(nèi)外研制開發(fā)的汽車模擬駕駛器六自由度運動平臺，多為電液伺服控制的液壓油缸作為驅(qū)動器，液壓伺服系統(tǒng)可以承受大負(fù)載，原理簡單，容易實現(xiàn)，但是控制難度大，而且需要油源泵站，對環(huán)境和場地都有嚴(yán)格的要求。而伺服電動缸，可以解決以上的這些問題。 （三）六自由度平臺底層架構(gòu)(圖)該平臺由集成控制與泵站組成,上圖為底層結(jié)構(gòu)圖,六自由度運動平臺能夠上、下、左、右、前后左右平移方向運動，載重量在噸級以下，運行穩(wěn)定，動作可柔可鋼。（四）六自由度六自由度運動平臺定義- 六自由度運動平臺是由六支油缸，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，借助六只油缸的伸縮運動，完成上平臺在空間六個自由度（X，Y，Z，）的運動 用途： 模擬出各種空間運動姿態(tài)，可廣泛應(yīng)用到各種訓(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)備等領(lǐng)域用途及特點：六自由度運動平臺，由于有極為廣闊的應(yīng)用前景，近幾年，引起了國內(nèi)外科研、院校廣泛的研究興趣。 六自由度運動平臺原理 是由六支油缸，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，借助六只油缸的伸縮運動，完成上平臺在空間六個自由度（X，Y，Z，）的運動，從而可以模擬出各種空間運動姿態(tài)，可廣泛應(yīng)用到各種訓(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)備等領(lǐng)域，甚至可用到空間宇宙飛船的對接，空中加油機的加油對接中。在加工業(yè)可制成六軸聯(lián)動機床、靈巧機器人等。由于六自由度運動平臺的研制，涉及機械、液壓、電氣、控制、計算機、傳感器，空間運動數(shù)學(xué)模型、實時信號傳輸處理、圖形顯示、動態(tài)仿真等等一系列高科技領(lǐng)域，因而六自由度運動平臺的研制變成了高等院校、研究院所在液壓和控制領(lǐng)域水平的標(biāo)志性象征。六自由度運動平臺是液壓及控制技術(shù)領(lǐng)域的皇冠級產(chǎn)品，掌握了它，在液壓和控制領(lǐng)域基本上就沒有了難題。 以下介紹它的開發(fā)過程，由于有極為廣闊的應(yīng)用前景，近幾年，引起了國內(nèi)外科研、院校廣泛的研究興趣。六自由度運動平臺是由六支油缸，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，借助六只油缸的伸縮運動，完成上平臺在空間六個自由度（X，Y，Z，）的運動，從而可以模擬出各種空間運動姿態(tài)，可廣泛應(yīng)用到各種訓(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)備等領(lǐng)域，甚至可用到空間宇宙飛船的對接，空中加油機的加油對接中。在加工業(yè)可制成六軸聯(lián)動機床、靈巧機器人等。由于六自由度運動平臺的研制，涉及機械、液壓、電氣、控制、計算機、傳感器，空間運動數(shù)學(xué)模型、實時信號傳輸處理、圖形顯示、動態(tài)仿真等等一系列高科技領(lǐng)域，因而六自由度運動平臺的研制變成了高等院校、研究院所在液壓和控制領(lǐng)域水平的標(biāo)志性象征。（五）六自由度液壓平臺、三自由度液壓平臺、多自由度電動平臺、抖振座椅、擬桿力系統(tǒng)等產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于仿真模擬系統(tǒng)中. 六自由度運動平臺功能： 1.模擬飛機六個自由度的運動，包括俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航、垂直升降、橫向和縱向直線運動； 2.模擬飛機各種飛行條件的變化引起的運動，如大氣擾動和武器發(fā)射等。 3.模擬著陸接地姿態(tài)和碰撞以及使用剎車時出現(xiàn)的運動; 4.模擬在接近真實飛機頻率處的振動和抖振以及大氣紊流在對應(yīng)自由度上引進的抖振.（六）大型數(shù)字式六自由度運動平臺的開發(fā)一、概述 六自由度運動平臺，由于有極為廣闊的應(yīng)用前景，近幾年，引起了國內(nèi)外科研、院校廣泛的研究興趣。六自由度運動平臺是由六支油缸，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，借助六只油缸的伸縮運動，完成上平臺在空間六個自由度（X，Y，Z，）的運動，從而可以模擬出各種空間運動姿態(tài)，可廣泛應(yīng)用到各種訓(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)備等領(lǐng)域，甚至可用到空間宇宙飛船的對接，空中加油機的加油對接中。在加工業(yè)可制成六軸聯(lián)動機床、靈巧機器人等。由于六自由度運動平臺的研制，涉及機械、液壓、電氣、控制、計算機、傳感器，空間運動數(shù)學(xué)模型、實時信號傳輸處理、圖形顯示、動態(tài)仿真等等一系列高科技領(lǐng)域，因而六自由度運動平臺的研制變成了高等院校、研究院所在液壓和控制領(lǐng)域水平的標(biāo)志性象征。國外某大型液壓公司的總部大廳里，向客人展示水平的第一個標(biāo)志就是六自由度運動平臺，筆者認(rèn)為，六自由度運動平臺是液壓及控制技術(shù)領(lǐng)域的皇冠級產(chǎn)品，掌握了它，在液壓和控制領(lǐng)域基本上就沒有了難題。以下介紹它的開發(fā)過程 二、傳統(tǒng)的伺服液壓控制六自由度運動平臺 到目前為止，世界上所有國家和研制單位，大型平臺都無一例外的采用了液壓伺服控制系統(tǒng)。國內(nèi)以幾所名牌大學(xué)的研究水平較高，其控制原理基本相同，六自由度平臺單缸控制框圖如下：從圖中可看出，主控計算機是完成空間狀態(tài)的實時解算，然后將解算結(jié)果送到六個單缸控制器，經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換后送給伺服放大器、伺服閥、伺服缸推動平臺運動。伺服缸的位移和壓力通過兩只傳感器并經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送給計算機，完成閉環(huán)控制。該框圖表示的是主動編程控制，如果是實時模擬控制，還需要在主控計算機前增加姿態(tài)信號輸入裝置，即用各種信號發(fā)生器模擬人的操作，輸出表示空間狀態(tài)的XYZ和信號。該伺服系統(tǒng)最大的難點是傳遞環(huán)節(jié)多、控制過于復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy、可靠性差、伺服閥抗干擾抗污染能力弱、故障率高，因而國內(nèi)盡管許多單位進行了研制，但大面積推廣的卻始終不多。 三、六自由度平臺控制的空間狀態(tài)解算 1順向解）：即已知六根液壓缸的長度，求解平臺姿態(tài)，到目前為止，還沒有直接中的的正解方程式，只能采用疊代方法，利用計算機快速運算的特點和上鉸鏈的結(jié)構(gòu)條件約束來逼近求解平臺姿態(tài)。此為順解， 2反解（逆向解）：描述一個剛體在空間旋轉(zhuǎn)的姿勢，最常使用的方法是定義三個歐拉角來表達(dá)，當(dāng)剛體旋轉(zhuǎn)至某一姿勢下，此三個歐拉角即組成唯一的旋轉(zhuǎn)矩陣，并借由旋轉(zhuǎn)矩陣作坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，便可求得剛體的絕對位置。 四、六自由度的速度協(xié)聯(lián)控制 當(dāng)給定空間狀態(tài)后，可以分別算出六只缸的不同長度，為了讓平臺上的油缸在同一時間運動到新的位置，六只缸的運動速度是不相同的，這個問題的解決有兩種方法，一是采用標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)聯(lián)控制器，該控制器需將油缸的運動長度數(shù)值送入，控制器能按所要求的時間，自動分配六只缸的運動速度，同時到達(dá)終點。第二種方法是自己編制運動速度方程，采用長度的最小公倍數(shù)方法分配速度，也可達(dá)到同樣目的。 五、六自由度平臺的全數(shù)字控制 性能先進、操作可靠的新型數(shù)字（液壓）缸（已納入“十五”攻關(guān)和國家重點新產(chǎn)品項目），作為六只控制缸。該數(shù)字缸取消了傳統(tǒng)控制中的伺服閥、傳感器、A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換等諸多環(huán)節(jié)，它是將傳感器、數(shù)字閥等全部做到油缸內(nèi)部，形成自動位置反饋和速度反饋。數(shù)字缸可以直接接受計算機發(fā)出的數(shù)字脈沖信號進行可靠的工作。脈沖頻率代表數(shù)字缸運動速度，脈沖總數(shù)代表數(shù)字缸運動行程，一一對應(yīng)，將復(fù)雜的閉環(huán)控制變成了簡單的開環(huán)控制，它的控制框圖和實際平臺圖照片所示如下：從上圖與伺服系統(tǒng)的框圖比較可知，控制原理大大簡化，不但系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，而且故障率也大為降低，可靠性得以增加。整個六自由度運動平臺無任何液壓控制元件和傳感器，系統(tǒng)構(gòu)成十分清爽。它的性能指標(biāo)如下：六自由度數(shù)字運動平臺技術(shù)指標(biāo) 六數(shù)字液壓技術(shù)在其他領(lǐng)域的成功應(yīng)用 數(shù)字液壓缸與專門配套研制的數(shù)字控制器相配合，幾乎取消了傳統(tǒng)液壓控制中的所有液壓閥件和控制元件，它拋棄了傳統(tǒng)的閥口控制，把討厭的現(xiàn)場調(diào)試搬到了辦公室，幾乎做到了即裝即用，已經(jīng)成功的應(yīng)用到冶金、機械、水電、國防軍工等一系列疑難控制領(lǐng)域，其控制性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的液壓控制技術(shù)，成功應(yīng)用的實例有：冶金領(lǐng)域中的鋼水連鑄結(jié)晶器液面控制、結(jié)晶器液壓非正弦振動（均列入過國家攻關(guān)項目），帶鋼厚度控制（微米級精度）。水電領(lǐng)域中的水輪機調(diào)速控制；機械領(lǐng)域的大型無齒鋸多點速度控制和位置控制，軍工領(lǐng)域的大型導(dǎo)彈裝彈機構(gòu)的多缸同步控制（任意多缸同步誤差可達(dá)0.1%）、軍艦舵機控制、減搖稽控制，模擬器領(lǐng)域的六自由度平臺控制等等一系列疑難控制，均取得了十分理想的效果。/六自由度運動平臺六自由度運動平臺廣泛應(yīng)用于坦克，飛機，艦船，雷達(dá)，特種車輛的模擬仿真訓(xùn)練。1載荷，自由度2角加速度，速度，角加速度，位移互相關(guān)聯(lián)。3. 運動頻率：正旋運動來考慮（0.01Hz15Hz），（隨機運動），海浪運動，飛機，艦船，坦克，車輛駕駛運動4. 座標(biāo)原點，精確定位5. 采樣周期：15ms6. 仿真環(huán)境