專利名稱：動態(tài)優(yōu)化洗出系數(shù)充分發(fā)揮運(yùn)動平臺過載能力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的飛行模擬器六自由度運(yùn)動系統(tǒng)(以下簡稱運(yùn)動系統(tǒng))是由平臺控制計算機(jī)(1)實(shí)時控制并能提供滾轉(zhuǎn)(24)、俯仰(25)、偏航(26)(角度定義見附圖3)、升降(23)、縱向平移(21)和側(cè)向平移(22)(線位移正方向見附圖2)的六自由度瞬時過載仿真設(shè)備。平臺控制計算機(jī)(1)根據(jù)被模擬飛機(jī)的有關(guān)運(yùn)動參數(shù)，經(jīng)過一系列變換與濾波得到能反映飛機(jī)由于線運(yùn)動和角運(yùn)動而在運(yùn)動平臺上的飛行員座椅處產(chǎn)生的過載及其它動感信號作為平臺運(yùn)動的驅(qū)動信號，驅(qū)動信號分別對應(yīng)平臺的三個線位移(X、Y、Z)(21、22、23)及三個轉(zhuǎn)角(θ、φ、ψ)(24、25、26)。由于平臺(27)任何一個自由度的改變都是六根電動缸(15、16、17、18、19、20)組合運(yùn)動的結(jié)果，所以要將平臺驅(qū)動信號經(jīng)過幾何變換成為每一根電動缸(15、16、17、18、19、20)的驅(qū)動信號。實(shí)時送驅(qū)動信號指令給多軸控制卡(2)。多軸控制卡(2)分別控制六臺伺服驅(qū)動器(3、4、5、6、7、8)，六臺伺服驅(qū)動器(3、4、5、6、7、8)驅(qū)動相應(yīng)的電機(jī)(9，10，11，12，13，14)，電機(jī)高速轉(zhuǎn)動通過機(jī)械變換變成電動缸(15、16、17、18、19、20)的伸縮運(yùn)動(見附圖1)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下 在t時刻通過平臺控制計算機(jī)內(nèi)的多軸控制卡測量出t-1時刻指令輸出后電動缸的實(shí)際伸長量，確認(rèn)運(yùn)動平臺實(shí)際達(dá)到的位姿； 根據(jù)t-1時刻運(yùn)動平臺實(shí)際位姿和t時刻數(shù)字飛機(jī)相關(guān)的動感模擬參數(shù)和代價函數(shù)，求出t時刻縱向和俯仰通道洗出模型的系數(shù)并確定t時刻洗出后的縱向位移和俯仰角度； 根據(jù)t時刻數(shù)字飛機(jī)的有關(guān)動感模擬參數(shù)和代價函數(shù)，求出t時刻側(cè)向和滾轉(zhuǎn)通道洗出模型的參數(shù)并確定t時刻洗出后的側(cè)向位移和滾轉(zhuǎn)角度； 根據(jù)t和t-1時刻數(shù)字飛機(jī)的垂直加速度和垂直通道的洗出模型，確定t時刻垂直通道線位移。
根據(jù)t時刻數(shù)字飛機(jī)的偏航加速度和偏航通道的洗出模型確定偏航角； 根據(jù)洗出算法計算出來的t時刻的位姿計算出t時刻洗出后平臺的指令位置，將驅(qū)動信號指令實(shí)時送給多軸控制卡。
多軸控制卡控制六臺伺服驅(qū)動器，六臺伺服驅(qū)動器驅(qū)動相應(yīng)的電機(jī)，電機(jī)高速轉(zhuǎn)動通過機(jī)械變換變成電動缸的伸縮運(yùn)動，使運(yùn)動平臺產(chǎn)生六個自由度的位置和姿態(tài)。
本發(fā)明的積極效果在于提供了真實(shí)動感與運(yùn)動平臺模擬動感間的代價函數(shù)關(guān)系，創(chuàng)立了動態(tài)優(yōu)化洗出模型系數(shù)方法。通過代價函數(shù)確定洗出模型系數(shù)，經(jīng)過實(shí)時動態(tài)優(yōu)化后，產(chǎn)生運(yùn)動平臺六個自由度的位置和姿態(tài)。在機(jī)構(gòu)行程中間時產(chǎn)生的過載較常系數(shù)洗出模型產(chǎn)生的運(yùn)動平臺六個自由度的位置和姿態(tài)變化量大，而在機(jī)構(gòu)行程終點(diǎn)附件由于考慮了前一時刻指令輸出后平臺實(shí)際達(dá)到的位姿而避免了機(jī)構(gòu)行程終點(diǎn)附近頻繁的剎車，因此充分發(fā)揮運(yùn)動平臺過載能力，達(dá)到了最大限度發(fā)揮運(yùn)動平臺性能的目的。



附圖1是本發(fā)明應(yīng)用設(shè)備的控制信號流程圖。
附圖2是本發(fā)明應(yīng)用設(shè)備中固定平臺、活動平臺示意圖。
附圖3是本發(fā)明應(yīng)用設(shè)備中運(yùn)動平臺歐拉角定義示意圖。
附圖4是本發(fā)明軟件流程圖。
附圖5是本發(fā)明應(yīng)用設(shè)備中運(yùn)動平臺上下鉸接點(diǎn)及缸長示意圖。
附圖6是本發(fā)明應(yīng)用設(shè)備中運(yùn)動平臺矢量關(guān)系圖。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
洗出是指運(yùn)動系統(tǒng)控制軟件接收來自飛機(jī)的運(yùn)動參數(shù)，經(jīng)過一系列變換、濾波、補(bǔ)償成為能反應(yīng)飛機(jī)動感與瞬時過載的驅(qū)動信號的過程。這種驅(qū)動信號使運(yùn)動平臺在完成一次突發(fā)運(yùn)動之后能緩慢返回中立位置，以便在有限行程范圍內(nèi)能執(zhí)行下一次突發(fā)運(yùn)動指令，要求運(yùn)動平臺能以低于人對過載感覺閾限(0.02g)的平緩運(yùn)動回中立位置。
附圖2所示，在活動臺(27)、固定臺(28)上分別建立OmXYZ和OXYZ坐標(biāo)系，其中，Om、O點(diǎn)分別為兩個正6邊形的幾何中心(質(zhì)心)。OXYZ以運(yùn)動平臺處于中立位置時的質(zhì)心在地面上的投影為原點(diǎn)，鉛垂軸與重力方向平行，向上為正(Z軸)，縱軸(X軸)指向機(jī)頭為正，橫軸(Y軸)按右手定則指向機(jī)頭左側(cè)為正。OmXYZ坐標(biāo)系三個軸的指向及極性同OXYZ。當(dāng)活動平臺在中立時，兩坐標(biāo)系的指向一致。歐拉角定義見附圖3。
例如上、下平臺正六邊形外接圓半徑分別為1900毫米和2400毫米，在上面定義的坐標(biāo)系內(nèi)，計算出相應(yīng)上、下鉸接點(diǎn)坐標(biāo)。此時，電動缸未伸長，平臺底位高度是1500毫米，電動缸有效行程是1200毫米。平臺中立高度是2300毫米。在運(yùn)動平臺控制計算機(jī)上，每10毫秒進(jìn)行一次解算。
動態(tài)優(yōu)化洗出系數(shù)充分發(fā)揮運(yùn)動平臺過載能力方法的軟件流程圖如附圖4。
具體步驟 1.在t時刻求出t-1時刻輸出后運(yùn)動平臺實(shí)際達(dá)到的位姿 由于運(yùn)動平臺軟件控制采取的是開環(huán)控制，為了最大限度發(fā)揮運(yùn)動平臺的性能，提高飛行模擬器動感模擬逼真度。需要實(shí)時地計算運(yùn)動平臺實(shí)際位姿。
已知六根電動缸的長度li，求出運(yùn)動平臺的位姿即機(jī)構(gòu)三個線位移(x，y，z)和三個轉(zhuǎn)角

叫運(yùn)動平臺正解，其中，

分別為繞x、y、z軸轉(zhuǎn)動形成的滾轉(zhuǎn)角，偏航角和俯仰角。
求解方法是先將t-1時刻的電動缸實(shí)際伸長長度通過多軸控制卡(18)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量|li(t-1)|a，通過迭代法，求出t時刻相應(yīng)的xt，yt，zt，θt，φt，

本應(yīng)用的收斂標(biāo)準(zhǔn)是相鄰兩次差值的2-范數(shù)不超過0.00001，即收斂標(biāo)準(zhǔn)為

滿足上述收斂標(biāo)準(zhǔn)的

即為t-1時刻運(yùn)動平臺實(shí)際位姿

(1) 2.根據(jù)t時刻數(shù)字飛機(jī)的有關(guān)動感模擬參數(shù)，求出t時刻縱向和俯仰通道洗出模型的系數(shù)并確定t時刻洗出后的縱向位移和俯仰角度。
縱向和俯仰通道的洗出模型如下
式中 axt—t時刻數(shù)字飛機(jī)的縱向線加速度；

—t時刻運(yùn)動平臺縱向平移加速度；

—t-1時刻運(yùn)動平臺縱向平移速度； Xw(t-1)—t-1運(yùn)動平臺縱向平移位移

—t時刻運(yùn)動平臺俯仰角速度

—t-1時刻運(yùn)動平臺俯仰角度

—t時刻數(shù)字飛機(jī)的俯仰角速度； dx，ex，ωx—比例常數(shù)； λxt，

—t時刻縱向和俯仰洗出模型可調(diào)整的變增益系數(shù)。
縱向和俯仰通道的代價函數(shù)
kx—比例常數(shù)，此處取0.3； 由最速下降法
實(shí)λx，λθ時計算出使J最小的增益系數(shù)

—t時刻洗出后運(yùn)動平臺縱向平移速度 Xwt—t時刻洗出后運(yùn)動平臺的縱向線位移





—t時刻洗出后運(yùn)動平臺俯仰角度 通過上面的求解，得到t時刻縱向洗出模型的系數(shù) 縱向位移Xwt和俯仰通道洗出模型的系數(shù)
3.根據(jù)t時刻數(shù)字飛機(jī)的有關(guān)動感模擬參數(shù)，求出t時刻側(cè)向和滾轉(zhuǎn)通道洗出模型的參數(shù)并確定t時刻洗出后的側(cè)向位移和滾轉(zhuǎn)角度。
側(cè)向和滾轉(zhuǎn)通道的洗出模型如下 式中 azt—數(shù)字飛機(jī)的側(cè)向線加速度；

—t時刻運(yùn)動平臺側(cè)向平移加速度；

—t-1時刻運(yùn)動平臺側(cè)向平移速度； Zw(t-1)—t-1時刻運(yùn)動平臺側(cè)向平移位移；

—t時刻運(yùn)動平臺滾轉(zhuǎn)角速度； θw(t-1)—t-1時刻運(yùn)動平臺滾轉(zhuǎn)角度；

—t時刻數(shù)字飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)角速度； dz，ez，ωz—比例常數(shù)； λz，λθ—可調(diào)整的變增益系數(shù)。
側(cè)向和滾轉(zhuǎn)通道的代價函數(shù) kz—比例常數(shù)，此處取0.4； 由最速下降法實(shí)λx，λθ時計算出使J最小的增益系數(shù) Zwt—t時刻洗出后平臺的側(cè)向線位移 通過上面的求解，得到t時刻側(cè)向洗出模型的系數(shù) 側(cè)向位移Zwt和滾轉(zhuǎn)通道洗出模型的系數(shù)
滾轉(zhuǎn)角度 4.確定t時刻垂直通道線位移 垂直通道洗出模型如下 式中 aztayt—t時刻數(shù)字飛機(jī)的垂直線加速度 ay(t-1)—t-1時刻數(shù)字飛機(jī)的垂直線加速度 aywt—t時刻洗出后平臺的垂直線加速度 ayw(t-1)—t-1時刻洗出后平臺的垂直線加速度 Kcy—比例系數(shù) Tcy—一階滯后時間系數(shù) vywt＝vyw(t-1)+aywtΔT Ywt＝vyw(t-1)ΔT+0.5aywtΔT2 (17) vywt—t時刻洗出后平臺的垂直線速度 vyw(t-1)—t-1時刻洗出后平臺的垂直線速度 Ywt—t時刻洗出后平臺的垂直線位移 通過上面的求解，得到t時刻垂直通道線位移Ywt。
5.t時刻偏航通道偏航角確定 偏航通道洗出模型如下 式中

—t時刻數(shù)字飛機(jī)的偏航角加速度

—t時刻洗出后平臺的偏航角加速度

—t-1時刻洗出后平臺的偏航角速度 φw(t-1)—t-1時刻洗出后平臺的偏航角度 ζ，ωp—比例系數(shù) 通過上面的求解，得到t時刻偏航通道偏航角度φwt。
6.計算出t時刻洗出后平臺的指令位置 已知運(yùn)動平臺的三個線位移(x，y，z)和三個轉(zhuǎn)角

求出六根電動缸的伸長量叫結(jié)構(gòu)逆解，其中

分別為繞x、y、z軸轉(zhuǎn)動形成的滾轉(zhuǎn)角，偏航角和俯仰角。
由步驟2，3，4，5得到t時刻洗出后平臺的指令位姿三個線位移(Xwt，Ywt，Zwt)和三個轉(zhuǎn)角
六根電動缸在上、下兩平臺示意圖和矢量關(guān)系如附圖5、附圖6所示。
圖中符號說明 Ai—在固定坐標(biāo)系中，從活動坐標(biāo)系的原點(diǎn)到第i根電動缸上連接點(diǎn)的矢量。
Ai，m—已知矢量。在運(yùn)動坐標(biāo)系中，從活動坐標(biāo)系的原點(diǎn)到第i根電動缸上連接點(diǎn)的矢量，ai，mx，ai，my，ai，mz是Ai，m各元素。(i＝1，2，3，4，5，6) Bi—已知矢量。在固定坐標(biāo)系中，從固定坐標(biāo)系的原點(diǎn)到第i根電動缸下連接點(diǎn)的矢量，bi，x，bi，y，bi，z是Bi各元素。(i＝1，2，3，4，5，6) li—在固定坐標(biāo)系中，第i根電動缸從下連接點(diǎn)到上連接點(diǎn)的矢量，li，x，li，y，li，z是li各元素。(i＝1，2，3，4，5，6) R—在固定坐標(biāo)系中，從固定坐標(biāo)系的原點(diǎn)到活動坐標(biāo)系原點(diǎn)的矢量。
ri—在固定坐標(biāo)系中，從固定坐標(biāo)系的原點(diǎn)到第i根電動缸上連接點(diǎn)的矢量。
從附圖4可求出長度li(i＝1，2，3，4，5，6) ri＝Ai+R ri＝Bi+li即li＝Ai+R-Bi [T]為OmXYZ和OXYZ坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣 則li＝[T]TAi，m+R-Bi (21) 這樣，第i根電動缸的長度應(yīng)為 |li|＝(l2i，x+l2i，y+l2i，z)1/2(i＝1，2，3，4，5，6) (22) 電動缸伸長量si si＝/li/-電動缸i底位長度(i＝1，2，3，4，5，6) (23) 給定計算時間步長Δt(10毫秒)，按照上述方法實(shí)時求解出運(yùn)動平臺的實(shí)際位姿，根據(jù)當(dāng)前的數(shù)字飛機(jī)動感信號，通過代價函數(shù)確定洗出模型的系數(shù)，最后求出當(dāng)前平臺的指令位姿和電動缸的指令位移，洗出模型系數(shù)經(jīng)過實(shí)時動態(tài)優(yōu)化后，不僅充分發(fā)揮了運(yùn)動平臺過載能力，而且避免了機(jī)構(gòu)行程終點(diǎn)附近頻繁的剎車，達(dá)到了最大限度發(fā)揮運(yùn)動平臺性能的目的，提高飛行模擬器動感模擬逼真度。
本發(fā)明適用于飛行模擬器動感模擬領(lǐng)域，有效解決了洗出模型系數(shù)對最大限度發(fā)揮運(yùn)動平臺性能影響的難題，提高了飛行模擬器動感模擬逼真度。
權(quán)利要求
1、一種動態(tài)優(yōu)化洗出系數(shù)充分發(fā)揮運(yùn)動平臺過載能力的方法，包括以下步驟
在t時刻通過平臺控制計算機(jī)內(nèi)的多軸控制卡測量出t-1時刻指令輸出后電動缸的實(shí)際伸長量，確認(rèn)運(yùn)動平臺實(shí)際達(dá)到的位姿；
根據(jù)t-1時刻運(yùn)動平臺實(shí)際位姿和t時刻數(shù)字飛機(jī)相關(guān)的動感模擬參數(shù)和代價函數(shù)，求出t時刻縱向和俯仰通道洗出模型的系數(shù)并確定t時刻洗出后的縱向位移和俯仰角度；
根據(jù)t時刻數(shù)字飛機(jī)的有關(guān)動感模擬參數(shù)和代價函數(shù)，求出t時刻側(cè)向和滾轉(zhuǎn)通道洗出模型的參數(shù)并確定t時刻洗出后的側(cè)向位移和滾轉(zhuǎn)角度；
根據(jù)t和t-1時刻數(shù)字飛機(jī)的垂直加速度和垂直通道的洗出模型，確定t時刻垂直通道線位移。
根據(jù)t時刻數(shù)字飛機(jī)的偏航加速度和偏航通道的洗出模型確定偏航角；
根據(jù)洗出算法計算出來的t時刻的位姿計算出t時刻洗出后平臺的指令位置，將驅(qū)動信號指令實(shí)時送給多軸控制卡。
多軸控制卡控制六臺伺服驅(qū)動器，六臺伺服驅(qū)動器驅(qū)動相應(yīng)的電機(jī)，電機(jī)高速轉(zhuǎn)動通過機(jī)械變換變成電動缸的伸縮運(yùn)動，使運(yùn)動平臺產(chǎn)生六個自由度的位置和姿態(tài)。
2、權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于測量出t-1時刻指令輸出后電動缸的實(shí)際伸長量的計算公式為
其中xt-1，yt-1，zt-1，θt-1，
，φt-1是t-1時刻運(yùn)動平臺實(shí)際位姿
xn+1，yn+1，zn+1，θn+1，
，φn+1是第n+1次迭代的結(jié)果。
3、權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于根據(jù)t時刻數(shù)字飛機(jī)的有關(guān)動感模擬參數(shù)和代價函數(shù)，求出t時刻縱向和俯仰通道洗出模型的系數(shù)
其中
axt—t時刻數(shù)字飛機(jī)的縱向線加速度；
—t時刻運(yùn)動平臺縱向平移加速度；
—t-1時刻運(yùn)動平臺縱向平移速度；
Xw(t-1)—t-1運(yùn)動平臺縱向平移位移
—t時刻運(yùn)動平臺俯仰角速度
—t-1時刻運(yùn)動平臺俯仰角度
—t時刻數(shù)字飛機(jī)的俯仰角速度；
dx，ex，ωx—比例常數(shù)；
—t時刻縱向和俯仰洗出模型可調(diào)整的變增益系數(shù)。
4、權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于根據(jù)t時刻數(shù)字飛機(jī)的有關(guān)動感模擬參數(shù)和代價函數(shù)，求出t時刻側(cè)向和滾轉(zhuǎn)通道洗出模型的參數(shù)
其中
azt—數(shù)字飛機(jī)的側(cè)向線加速度；
—t時刻運(yùn)動平臺側(cè)向平移加速度；
—t-1時刻運(yùn)動平臺側(cè)向平移速度；
Zw(t-1)—t-1時刻運(yùn)動平臺側(cè)向平移位移；
—t時刻運(yùn)動平臺滾轉(zhuǎn)角速度；
θw(t-1)—t-1時刻運(yùn)動平臺滾轉(zhuǎn)角度；
—t時刻數(shù)字飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)角速度；
dz，ez，ωz—比例常數(shù)；
λz，λθ—可調(diào)整的變增益系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種動態(tài)優(yōu)化洗出系數(shù)充分發(fā)揮運(yùn)動平臺過載能力的方法，通過代價函數(shù)確定洗出模型系數(shù)，經(jīng)過實(shí)時動態(tài)優(yōu)化后，產(chǎn)生運(yùn)動平臺六個自由度的位置和姿態(tài)。在機(jī)構(gòu)行程中間時產(chǎn)生的過載較常系數(shù)洗出模型產(chǎn)生的運(yùn)動平臺六個自由度的位置和姿態(tài)變化量大，而在機(jī)構(gòu)行程終點(diǎn)附件由于考慮了前一時刻指令輸出后平臺實(shí)際達(dá)到的位姿而避免了機(jī)構(gòu)行程終點(diǎn)附近頻繁的剎車，因此充分發(fā)揮運(yùn)動平臺過載能力，達(dá)到了最大限度發(fā)揮運(yùn)動平臺性能的目的。用于提高飛行模擬器動感模擬逼真度，涉及飛行模擬器六自由度運(yùn)動系統(tǒng)動感模擬領(lǐng)域。
文檔編號G06G7/72GK101488178SQ20091006651
公開日2009年7月22日 申請日期2009年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月11日
發(fā)明者潘春萍, 穎 盧 申請人:中國人民解放軍空軍航空大學(xué)