免Z轴旋转洗出的6-RSPS模拟器平台若干关键技术研究

摘要

本文在分析国内外驾驶模拟器发展现状的基础之上，针对传统Stewart平台不能围绕Z轴360°旋转的特点，当车辆连续加速回转时，由于没有足够的转角，而不能提供持续的偏航角速度，降低了驾驶的逼真度。对此，本文提出了免Z轴旋转洗出的6-RSPS(revolute-spherical-prismatic-spherical)模拟器平台，并系统地研究了该平台机构的运动学、精度、动力学、工作空间、洗出算法等相关关键技术，并通过仿真验证了相关理论的有效性及可行性。具体研究内容如下:
　　提出了免Z轴旋转洗出的6-RSPS模拟器平台，确定了机构的实施方案;计算了机构的自由度;根据杆长矢量关系，得到了平台位置、姿态与伸缩支杆的长度和旋转支杆的旋转角度之间的关系，进而推导出机构的一组逆解，与经典的Stewart机构反解唯一的特点对比，6-RSPS结构的反解存在多个解;并确定相关参数的约束及优化条件，根据约束及优化条件得到了最优逆解;提出用BFS(Broyden-Fletcher-Shanmo)算法求解并联机构的运动学正解，取得良好的效果。
　　分析了影响6-RSPS模拟器平台位姿精度的因素，然后根据误差独立作用原理建立总体误差模型，并利用微分法通过对运动学方程求导建立各个环节的独立误差模型，探讨了旋转角度误差、杆长误差、静平台铰链误差及动平台铰链误差等各个误差对动平台的精度产生的影响，并通过仿真验证各个环节对动平台误差产生的影响;基于此模型可对6-RSPS机构的位姿精度进行评估，为进一步提高该机构的位姿精度提供了理论依据。
　　利用虚位移方法进行了机构的静力学分析，建立了静力学模型，得到了机构在静止或低速时多个位姿下伸缩支杆的驱动力以及旋转支杆的驱动力矩;然后利用凯恩方法进行了机构的逆动力学分析，建立了适用于6-RSPS机构的动力学模型，得到了机构在运动时伸缩支杆的驱动力以及旋转支杆的驱动力矩;并分别通过仿真验证了建模方法的正确性，为动力学优化、控制及仿真提供了良好的理论基础。
　　分析了对6-RSPS模拟器平台工作空间产生影响的因素，以及各因素对平台位姿的限制;并针对本机构的特点，提出了先搜索YOZ面上Y轴正半轴截面上的工作空间，然后将截面旋转360°求解三维工作空间的方法，使得搜索量大大减少，提高了搜索效率;并应用此搜索方法求得多个位姿状态下的工作空间。
　　在Stewart平台经典洗出算法的基础之上，根据6-RSPS模拟器平台的特点，提出了适用于本机构的免于Z轴旋转方向的洗出算法;并对算法中的相关参数选择进行了研究，然后进行了仿真实验，仿真结果表明:免于Z轴旋转方向的洗出算法对于6-RSPS模拟器平台是切实可行并合适的，可以避免Z轴旋转方向上的洗出算法，从而能够更精确地模拟车辆转弯时的感觉，可有效提高驾驶的逼真度。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景、目的及意义

1．2 国内外车辆模拟器研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 并联机构平台关键技术研究现状

1．3．1 运动学

1．3．2 精度分析

1．3．3 动力学分析

1．3．4 工作空间分析

1．3．5 洗出算法

1．4 论文的主要研究内容

第2章 6-RSPS平台机构运动学研究

2．1 引言

2．2 6-RSPS平台机构方案的提出

2．3 6-RSPS平台机构分析

2．3．1 6-RSPS平台机构描述

2．3．2 位姿描述

2．3．3 自由度计算

2．4 6-RSPS位姿反解

2．4．1 反解理论分析

2．4．2 约束及优化条件

2．4．3 实例分析与仿真

2．5 基于BFS算法的运动学正解

2．5．1 BFS算法原理

2．5．2 实例分析与仿真

2．6 本章小结

第3章 6-RSPS模拟器平台的位姿精度分析

3．1 引言

3．2 平台精度影响因素分析

3．3 误差独立作用原理法建立总体误差模型

3．4 旋转角度误差引起的动平台位姿误差

3．4．1 理论分析

3．4．2 仿真分析

3．5 杆长误差引起的动平台位姿误差

3．5．1 理论分析

3．5．2 仿真分析

3．6 静平台铰链误差引起的动平台位姿误差

3．6．1 理论分析

3．6．2 仿真分析

3．7 动平台铰链误差引起的动平台位姿误差

3．7．1 理论分析

3．7．2 仿真分析

3．8 本章小结

第4章 6-RSPS模拟器平台的力学分析

4．1 引言

4．2 机构的静力学分析

4．2．1 机构静力平衡方程

4．2．2 自重作用下所需的驱动力及驱动力矩

4．3 机构的静力学仿真

4．4 逆动力学建模

4．4．1 速度与角速度

4．4．2 加速度与角加速度

4．4．3 偏速度与偏角速度

4．4．4 主动力和广义主动力

4．4．5 广义惯性力

4．4．6 机构动力学方程

4．5 逆动力学仿真

4．6 本章小结

第5章 6-RSPS模拟器平台工作空间研究

5．1 引言

5．2 6-RSPS模拟器平台工作空间的影响因素

5．2．1 伸缩支杆杆长限制

5．2．2 旋转支杆旋转角度的限制

5．2．3 伸缩支杆受力的限制

5．2．4 旋转支杆所受力矩的限制

5．2．5 转角副的转角限制

5．2．6 伸缩支杆之间的干涉

5．2．7 动平台与伸缩支杆之间的干涉

5．3 6-RSPS模拟器平台搜索方法

5．4 水平姿态时工作空间

5．5 任意姿态时工作空间

5．6 本章小结

第6章 6-RSPS模拟器平台的免Z轴旋转洗出算法

6．1 引言

6．2 模拟运动感觉原理

6．3 6-RSPS模拟器平台免于Z轴旋转方向洗出算法设计

6．4 参数及通道设定研究

6．4．1 人体阈值参数

6．4．2 耳石模型参数

6．4．3 半规管模型参数

6．4．4 加速度高通通道

6．4．5 角速度高通通道

6．4．6 倾斜协调通道

6．5 仿真验证

6．6 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

作者简介及攻读博士学位期间主要研究成果及荣誉