六自由度平臺(tái).doc

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（一） 六自由運(yùn)動(dòng)平臺(tái)介紹 六自由度液壓平臺(tái)技術(shù)參數(shù) 六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是由六支油缸，上、下各六只萬(wàn)向鉸鏈和上、下兩個(gè)平臺(tái)組成，下平臺(tái)固定在基礎(chǔ)上，借助六只油缸的伸縮運(yùn)動(dòng)，完成上平臺(tái)在空間六個(gè)自由度（α，β，γ， X，Y，Z）的運(yùn)動(dòng)，從而可以模擬出各種空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)涉及到機(jī)械、液壓、電氣、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器，空間運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型、實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸處理等一系列高科技領(lǐng)域，因此六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是液壓和控制領(lǐng)域水平的標(biāo)志性象征。主要包括平臺(tái)的空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、空間運(yùn)動(dòng)模型、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。 1 六自由度平臺(tái)空間機(jī)構(gòu)技術(shù)參數(shù) 六自由度平臺(tái)結(jié)構(gòu)效果圖如圖1所示。 圖1 六自由度平臺(tái) 六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由上下平臺(tái)和六個(gè)液壓油缸組成。六個(gè)液壓缸上端點(diǎn)兩兩組成上平臺(tái)三個(gè)支點(diǎn)，六個(gè)液壓缸下端點(diǎn)兩兩組成下平臺(tái)三個(gè)支點(diǎn)。上下三個(gè)支點(diǎn)分別在假設(shè)的圓周上，并且是120o等分，既分別是兩個(gè)等邊三角形的頂點(diǎn)。根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)范圍，油缸的行程和上下平臺(tái)半徑不同。結(jié)構(gòu)如圖2所示。 圖2 六自由度平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)標(biāo)書要求，六自由度平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)如下： 上平臺(tái)半徑： 0.8m； 下平臺(tái)半徑：0.85m ； 油缸最低行程時(shí)上下平臺(tái)垂直距離：約1.17m； 油缸行程：0.20m。 2 六自由度平臺(tái)空間運(yùn)動(dòng) 空間運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)平臺(tái)在空間運(yùn)動(dòng)的三個(gè)姿態(tài)角度和三個(gè)平動(dòng)位移，即俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航、上下垂直運(yùn)動(dòng)、前后平移和左右平移，及六個(gè)姿態(tài)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。而空間目標(biāo)是通過六個(gè)液壓缸的行程實(shí)現(xiàn)的，這就需要一個(gè)空間的運(yùn)動(dòng)模型完成空間運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換，假設(shè)空間運(yùn)動(dòng)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α，β，γ，X，Y，Z表示，六個(gè)油缸的行程用L（i）（i＝1、2、3、4、5、6）表示。整個(gè)運(yùn)動(dòng)模型如下： L（i）＝TT（α，β，γ，X，Y，Z） 其中，TT是一個(gè)空間轉(zhuǎn)換矩陣模型。由此實(shí)時(shí)算出每一運(yùn)動(dòng)時(shí)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(shí)際行程值。 根據(jù)平臺(tái)的空間機(jī)構(gòu)參數(shù)，空間運(yùn)動(dòng)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 －200mm—＋200mm 0.5m/S 0.5m/ S2 （二） 六自由度平臺(tái) 多自由度運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jì)、生產(chǎn)的六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。 六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是由六支直線伺服電動(dòng)缸，上、下各六只萬(wàn)向鉸鏈和上、下兩個(gè)平臺(tái)組成，下平臺(tái)固定在基礎(chǔ)上，借助六只伺服電動(dòng)缸（執(zhí)行器）的伸縮運(yùn)動(dòng)，完成上平臺(tái)在空間六個(gè)自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的運(yùn)動(dòng)，從而可以模擬出各種空間運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)床、機(jī)器人等。 下圖為六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制框圖。從圖中可看出，主控計(jì)算機(jī)通過六自由度數(shù)學(xué)模型對(duì)空間狀態(tài)進(jìn)行時(shí)時(shí)解算，將需要的空間狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡輸入到主控計(jì)算機(jī)，通過空間狀態(tài)解算程序完成對(duì)六根缸的運(yùn)動(dòng)位移和速度的計(jì)算，然后將解算結(jié)果送到多軸控制卡，經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)器送給伺服電機(jī)，伺服電機(jī)帶動(dòng)電動(dòng)缸推動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上平臺(tái)的空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的研制中，根據(jù)應(yīng)用不同需要涉及機(jī)械、液壓、電器、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、空間運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型、實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸處理、圖形顯示、動(dòng)態(tài)仿真等等一系列領(lǐng)域。 上圖為六自由度在并聯(lián)機(jī)床上的應(yīng)用 汽車模擬駕駛器 本套基于伺服電動(dòng)缸的六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，是為汽車模擬駕駛器配套生產(chǎn)的。目前，國(guó)內(nèi)外研制開發(fā)的汽車模擬駕駛器六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，多為電液伺服控制的液壓油缸作為驅(qū)動(dòng)器，液壓伺服系統(tǒng)可以承受大負(fù)載，原理簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但是控制難度大，而且需要油源泵站，對(duì)環(huán)境和場(chǎng)地都有嚴(yán)格的要求。而伺服電動(dòng)缸，可以解決以上的這些問題。 （三） 六自由度平臺(tái)底層架構(gòu)(圖) 該平臺(tái)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)能夠上、下、左、右、前后左右平移方向運(yùn)動(dòng)， 載重量在噸級(jí)以下，運(yùn)行穩(wěn)定，動(dòng)作可柔可鋼。 （四） 六自由度六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定義- 　　六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是由六支油缸，上、下各六只萬(wàn)向鉸鏈和上、下兩個(gè)平臺(tái)組成，下平臺(tái)固定在基礎(chǔ)上，借助六只油缸的伸縮運(yùn)動(dòng)，完成上平臺(tái)在空間六個(gè)自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的運(yùn)動(dòng) 用　途： 模擬出各種空間運(yùn)動(dòng)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(jī)起降模擬平臺(tái)、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(dòng)感電影、娛樂設(shè)備等領(lǐng)域用途及特點(diǎn)：六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，由于有極為廣闊的應(yīng)用前景，近幾年，引起了國(guó)內(nèi)外科研、院校廣泛的研究興趣。 　　六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)原理 是由六支油缸，上、下各六只萬(wàn)向鉸鏈和上、下兩個(gè)平臺(tái)組成，下平臺(tái)固定在基礎(chǔ)上，借助六只油缸的伸縮運(yùn)動(dòng)，完成上平臺(tái)在空間六個(gè)自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的運(yùn)動(dòng)，從而可以模擬出各種空間運(yùn)動(dòng)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(jī)起降模擬平臺(tái)、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(dòng)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(duì)接，空中加油機(jī)的加油對(duì)接中。在加工業(yè)可制成六軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床、靈巧機(jī)器人等。由于六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的研制，涉及機(jī)械、液壓、電氣、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器，空間運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型、實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸處理、圖形顯示、動(dòng)態(tài)仿真等等一系列高科技領(lǐng)域，因而六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)是液壓及控制技術(shù)領(lǐng)域的皇冠級(jí)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(guó)內(nèi)外科研、院校廣泛的研究興趣。六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是由六支油缸，上、下各六只萬(wàn)向鉸鏈和上、下兩個(gè)平臺(tái)組成，下平臺(tái)固定在基礎(chǔ)上，借助六只油缸的伸縮運(yùn)動(dòng)，完成上平臺(tái)在空間六個(gè)自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的運(yùn)動(dòng)，從而可以模擬出各種空間運(yùn)動(dòng)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(jī)起降模擬平臺(tái)、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(dòng)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(duì)接，空中加油機(jī)的加油對(duì)接中。在加工業(yè)可制成六軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床、靈巧機(jī)器人等。由于六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的研制，涉及機(jī)械、液壓、電氣、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器，空間運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型、實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸處理、圖形顯示、動(dòng)態(tài)仿真等等一系列高科技領(lǐng)域，因而六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(tái)、三自由度液壓平臺(tái)、多自由度電動(dòng)平臺(tái)、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(yùn)動(dòng)平臺(tái)功能： 1.模擬飛機(jī)六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，包括俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航、垂直升降、橫向和縱向直線運(yùn)動(dòng)； 2.模擬飛機(jī)各種飛行條件的變化引起的運(yùn)動(dòng)，如大氣擾動(dòng)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(shí)出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng); 4.模擬在接近真實(shí)飛機(jī)頻率處的振動(dòng)和抖振以及大氣紊流在對(duì)應(yīng)自由度上引進(jìn)的抖振. （六） 大型數(shù)字式六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的開發(fā) 一、概述 六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，由于有極為廣闊的應(yīng)用前景，近幾年，引起了國(guó)內(nèi)外科研、院校廣泛的研究興趣。六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是由六支油缸，上、下各六只萬(wàn)向鉸鏈和上、下兩個(gè)平臺(tái)組成，下平臺(tái)固定在基礎(chǔ)上，借助六只油缸的伸縮運(yùn)動(dòng)，完成上平臺(tái)在空間六個(gè)自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的運(yùn)動(dòng)，從而可以模擬出各種空間運(yùn)動(dòng)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(jī)起降模擬平臺(tái)、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(dòng)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(duì)接，空中加油機(jī)的加油對(duì)接中。在加工業(yè)可制成六軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床、靈巧機(jī)器人等。由于六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的研制，涉及機(jī)械、液壓、電氣、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器，空間運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型、實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸處理、圖形顯示、動(dòng)態(tài)仿真等等一系列高科技領(lǐng)域，因而六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(guó)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(gè)標(biāo)志就是六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，筆者認(rèn)為，六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是液壓及控制技術(shù)領(lǐng)域的皇冠級(jí)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(yùn)動(dòng)平臺(tái) 到目前為止，世界上所有國(guó)家和研制單位，大型平臺(tái)都無(wú)一例外的采用了液壓伺服控制系統(tǒng)。國(guó)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(tái)單缸控制框圖如下： 從圖中可看出，主控計(jì)算機(jī)是完成空間狀態(tài)的實(shí)時(shí)解算，然后將解算結(jié)果送到六個(gè)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(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。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(jì)算機(jī)，完成閉環(huán)控制。該框圖表示的是主動(dòng)編程控制，如果是實(shí)時(shí)模擬控制，還需要在主控計(jì)算機(jī)前增加姿態(tài)信號(hào)輸入裝置，即用各種信號(hào)發(fā)生器模擬人的操作，輸出表示空間狀態(tài)的XYZ和αβγ信號(hào)。該伺服系統(tǒng)最大的難點(diǎn)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(guó)內(nèi)盡管許多單位進(jìn)行了研制，但大面積推廣的卻始終不多。 三、六自由度平臺(tái)控制的空間狀態(tài)解算 1．順向解）：即已知六根液壓缸的長(zhǎng)度，求解平臺(tái)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(jì)算機(jī)快速運(yùn)算的特點(diǎn)和上鉸鏈的結(jié)構(gòu)條件約束來(lái)逼近求解平臺(tái)姿態(tài)。此為順解， 2．反解（逆向解）：描述一個(gè)剛體在空間旋轉(zhuǎn)的姿勢(shì)，最常使用的方法是定義三個(gè)歐拉角來(lái)表達(dá)，當(dāng)剛體旋轉(zhuǎn)至某一姿勢(shì)下，此三個(gè)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(duì)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(zhǎng)度，為了讓平臺(tái)上的油缸在同一時(shí)間運(yùn)動(dòng)到新的位置，六只缸的運(yùn)動(dòng)速度是不相同的，這個(gè)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(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度數(shù)值送入，控制器能按所要求的時(shí)間，自動(dòng)分配六只缸的運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)到達(dá)終點(diǎn)。第二種方法是自己編制運(yùn)動(dòng)速度方程，采用長(zhǎng)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(tái)的全數(shù)字控制 性能先進(jìn)、操作可靠的新型數(shù)字（液壓）缸（已納入“十五”攻關(guān)和國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品項(xiàng)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(dòng)位置反饋和速度反饋。數(shù)字缸可以直接接受計(jì)算機(jī)發(fā)出的數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行可靠的工作。脈沖頻率代表數(shù)字缸運(yùn)動(dòng)速度，脈沖總數(shù)代表數(shù)字缸運(yùn)動(dòng)行程，一一對(duì)應(yīng)，將復(fù)雜的閉環(huán)控制變成了簡(jiǎn)單的開環(huán)控制，它的控制框圖和實(shí)際平臺(tái)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(jiǎn)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(gè)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)無(wú)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)技術(shù)指標(biāo) 六．?dāng)?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(chǎng)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(jī)械、水電、國(guó)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(shí)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(dòng)（均列入過國(guó)家攻關(guān)項(xiàng)目），帶鋼厚度控制（微米級(jí)精度）。水電領(lǐng)域中的水輪機(jī)調(diào)速控制；機(jī)械領(lǐng)域的大型無(wú)齒鋸多點(diǎn)速度控制和位置控制，軍工領(lǐng)域的大型導(dǎo)彈裝彈機(jī)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(jī)控制、減搖稽控制，模擬器領(lǐng)域的六自由度平臺(tái)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(yùn)動(dòng)平臺(tái) 六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)廣泛應(yīng)用于坦克，飛機(jī)，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(yùn)動(dòng)頻率：正旋運(yùn)動(dòng)來(lái)考慮（0.01Hz~15Hz），（隨機(jī)運(yùn)動(dòng)），海浪運(yùn)動(dòng)，飛機(jī)，艦船，坦克，車輛駕駛運(yùn)動(dòng) 4. 座標(biāo)原點(diǎn)，精確定位 5. 采樣周期：15ms 6. 仿真環(huán)境