冰雪奇缘模拟滑雪设备控制系统的研究

摘要

随着虚拟现实技术的进步，虚拟现实产业进入快速发展期。为响应国家大力发展、普及冰雪运动的号召，国家科技馆提出借助数字展板和VR体验形式，研制一个基于虚拟现实技术的模拟滑雪设备。模拟滑雪设备不仅使得普通群众可以随时随地、身临其境地感受滑雪乐趣，还能促进冰雪运动的推广和普及。课题根据国家科技馆要求的技术指标，结合水晶石数字科技股份有限公司的虚拟现实显示技术，研制出“冰雪奇缘”模拟滑雪设备。本文针对“冰雪奇缘”模拟滑雪设备的主要研究内容包括以下三个方面:
　　(1)根据国家科技馆提出的技术指标，对模拟滑雪系统进行总体设计。通过理论研究，借助多自由度并联机构的原理性知识和机械设计的方法，选定系统的机械结构，推导并选定了系统的驱动方式。设计控制系统的电路及辅助设备，完成了自主三自由度控制的模拟滑雪设备设计，达到了要求的技术指标。
　　(2)在伺服驱动器中利用内环PID控制减小电缸的位置误差。BP神经网络通过压力传感器的压力值预测滑雪板的俯仰角度和滚动角度。模型预测的俯仰、滚动角度均方差为1.20384×10-2。通过并联平台的运动学分析以预测的俯仰、滚动角度作为输入得到滑雪板在不同姿态角下伺服电缸的速度、加速度。利用外环PID控制器减小电缸的位置误差，使滑雪板的角度更符合视景中的角度。
　　(3)对压力传感器、伺服驱动系统等进行标定实验以验证模拟滑雪系统的功能及性能。实验结果表明压力传感器的最大相对误差为0.09％，垂直升降位移误差小于0.28mm，滑雪板姿态角误差小于0.09°，位移速度和角速度也符合设计指标。同时结合虚拟现实视景进行系统的联调测试，以验证系统的可靠性。
　　招募体验者进行测试，测试结果表明91.7％的体验者在首次体验时可以完成模拟滑雪;设计的模拟滑雪设备达到要求的技术指标，可以实际应用，最终在国家科技馆中展出。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1课题的背景和意义

1．2国内外发展现状

1．2．1模拟滑雪设备简介

1．2．2国内研究现状

1．2．3国外研究现状

1．3课题来源及论文研究内容

1．3．1课题来源

1．3．2论文研究内容及创新点

1．4论文内容安排

2系统架构设计

2．1需求分析

2．2系统架构总体设计

2．3系统机械结构设计

2．4伺服控制系统设计

2．4．1驱动方式的设计

2．4．2伺服系统的选取

2．5 系统辅助设备设计

2．6电路控制系统设计

2．6．1核心板的论证和选择

2．6．2 AD放大电路

2．6．3 CAN通信电路

2．6．4开关信号的输入和输出

2．6．5 USB调试电路

2．6．6整体调试效果

2．7本章小结

3模拟滑雪设备控制算法

3．1 模拟滑雪设备控制算法简介

3．1．1 PID控制

3．1．2神经网络

3．2内环PID控制

3．3神经网络预测

3．3．1训练数据采集及处理

3．3．2 模拟滑雪系统神经网络模型设计

3．3．3 仿真分析及神经网络有效性验证

3．4 外环PID控制

3．4．1 三自由度并联平台运动学分析

3．4．2仿真分析

3．5本章小结

4．1 引言

4．2系统设备的标定实验

4．2．1系统需求的标定实验

4．2．2压力传感器的标定实验

4．3系统整体测试与讨论

4．3．1模拟滑雪功能测试

4．3．2模拟滑雪单人测试

4．3．3模拟滑雪多人测试

4．4本章小结

5 结论

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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