一种四自由度飞行模拟器的设计与轨迹规划

摘要

飞行模拟器是一种能够模拟实际空中飞行状态的地面设备。在现代化的各类航空设备驾驶执照培训中以及日常生活娱乐体验中，飞行模拟器已经成为必不可少的设备。我国的飞行模拟器研制起步较晚，并且其技术水平和欧美等发达国家相差较大，当前我国的飞行模拟器市场严重依赖进口。本文针对当前现有的并联型飞行模拟器存在的工作空间小、运动学和动力学求解困难、控制复杂等缺点，设计研制了一种四自由度串联型飞行模拟器，并对其主要关键技术进行研究，主要研究内容如下：
　　通过分析国内外飞行模拟器的研究现状，提出本文设计的四自由度串联型飞行模拟器的性能指标和总体设计方案，确定了飞行模拟器各关节的传动和驱动方式。针对各关节的技术指标进行机械结构部分设计，并对设计的四自由度飞行模拟器的关键部件进行有限元分析，验证了其在满载状态下的刚度、强度要求。
　　对本文设计的四自由度飞行模拟器进行运动学分析。首先根据D-H法建立了四自由度飞行模拟器对应的运动学模型，基于此推导了四自由度飞行模拟器的运动学方程。然后根据本文设计的飞行模拟器构型提出了适用于本文的基于 RPY角的运动学正解。最后基于蒙特卡洛法对本文设计的四自由度飞行模拟器的工作空间进行分析和仿真，为后续控制系统的设计提供理论基础。
　　从硬件和软件方面对四自由度飞行模拟器的控制系统进行了设计。首先提出了其控制系统的总体方案，对飞行模拟器控制系统的主要硬件设备的选型进行了详细的分析与介绍，并对飞行模拟器电气系统的主要硬件部分接线和整体布局进行分析设计。然后基于软PLC在CodeSys软件的开发环境下设计了飞行模拟器各回转关节控制系统的主要功能，最后根据相关模块设计了用于设备调试的人机交互界面。
　　通过样机试制，对本文设计的四自由度飞行模拟器的机械结构和控制系统的运动性能和系统响应的实时性进行实验验证。通过运动干涉和性能测试实验证明了本文设计的四自由度飞行模拟器机械结构设计合理，整体系统具有良好的可行性。
　　最后针对本文设计的四自由度串联型飞行模拟器在运动时末端冲击大的缺点提出了基于遗传算法使用分段三次样条曲线对飞行模拟器各关节位置进行插补，以飞行模拟器各关节角速度、角加速度和急动导作为物理限制条件，基于固定时间和最小冲击作为优化目标，对关节轨迹进行优化，从而使关节在运动过程中更加平稳、冲击较小，进而延长飞行模拟器使用寿命。实验表明了本文提出的轨迹优化方法的正确性和可行性。

目录

声明

1 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 飞行模拟器系统组成概述

1.3 飞行模拟器研究现状

1.4 串联型机器人轨迹规划研究现状

1.5 本文主要研究内容

1.6 本章小结

2 四自由度飞行模拟器机械结构组成与分析

2.1 飞行模拟器总体方案设计

2.2 飞行模拟器机械结构组成

2.3 四自由度飞行模拟器关键部件的静力学分析与校核

2.4 本章小结

3 四自由度飞行模拟器运动学分析

3.1 坐标齐次变换

3.2 运动学模型建立

3.3 基于D-H参数的运动学方程

3.4 基于RPY的运动学方程

3.5 工作空间分析与仿真

3.6 本章小结

4 四自由度飞行模拟器控制系统设计

4.1 控制系统总体方案设计与分析

4.2 控制系统硬件设备

4.3 控制系统软件方案设计

4.4 本章小结

5 四自由度飞行模拟器样机测试实验

5.1 飞行模拟器样机的组成

5.2 飞行模拟器工作空间与运动干涉实验测试

5.3 飞行模拟器运动性能实验测试

5.4 本章小结

6 基于遗传算法的全局最优冲击轨迹规划方法

6.1 轨迹规划概述

6.2 问题提出

6.3 基于遗传算法的全局最优冲击优化方法

6.4 实验验证

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢