液压式围绕Z轴旋转方向免于洗出算法的模拟器平台

摘要

本发明公开了一种液压式围绕Z轴旋转方向免于洗出算法的模拟器平台。在静平台基础上端依次同轴固定有蜗轮和环形导轨，六套移动部件中的滑块下端分别与环形导轨滑动连接；每套移动部件中的滑块的上端与滑块固定板连接，液压马达安装在滑块固定板一侧的第一固定板上，液压马达的输出轴与蜗杆连接，且蜗杆与蜗轮啮合，滑块固定板下侧的四个角上分别安装滑轮与环形导轨内、外侧面的凸边相贴合；安装于静平台基础内控制箱的控制线与分别六个伺服电机连接。本模拟器平台围绕Z轴无限旋转，避免了围绕Z轴旋转方向的洗出滤波算法，从而有效地提高模拟的真实性；有效地提高了X、Y、Z三个方向特别是Z方向上的行程；大大增加了模拟器的工作空间。

说明书

技术领域

本发明涉及一种驾驶模拟器平台，尤其是涉及一种液压式围绕Z轴旋转方向免于洗出算法的模拟器平台。

背景技术

驾驶模拟器是模拟驾驶体验的机械装置，尽可能的模拟在真实设备中的感觉(如车辆的振动、上下坡、转弯等)，用于在室内训练驾驶员，驾驶员不会因模拟驾驶中的事故而受伤。驾驶模拟器的特性决定了它具有以下优点：1)安全性好，使用驾驶模拟装置可以安全地进行高速、极限行驶以及非常危险的安全性实验，可大幅提高训练的安全性；2)复现性好，由于车辆状态和实验条件等因素很难控制，实车试验再现性较差，使用驾驶模拟器则可以方便地进行数据采集、车辆模型的选择和模拟环境的设定，复现性好；3)经济性高，与真车试验相比，驾驶模拟器可以软件环境中设定各种实验条件和参数，大幅提高训练效率、各种环境及参数的可变性，而成本不会增加；4)驾驶模拟器有利于相关设备的研发，帮助设计者迅速发现设计缺陷、错误，从而降低研发成本，缩短开发周期。

因此，驾驶模拟器常常用来代替真实设备，以训练操作者对真实设备的操纵能力以及研发相关设备作模拟，驾驶模拟器在飞机、车辆及船舶等驾驶员高级培训中的应用越来越普遍。

国外方面早在1929年美国的埃德文·林克就设计了第一台飞行驾驶模拟器，并逐渐应用到车辆驾驶模拟器及航海驾驶模拟器，在驾驶模拟及工程开发中得到广泛的应用。国内方面：北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等都对驾驶模拟器进行了相关研究，北京蓝天航空科技有限公司也研制了飞行驾驶模拟器；吉林大学、南京大学、也开发了汽车驾驶模拟器，装甲兵工程学院研制了水陆坦克驾驶训练模拟器；浙江大学与大连海事大学联合开发了航海驾驶模拟器等。

先进的驾驶模拟器一般由一个高仿真的驾驶舱和一个六自由度运动模拟平台等组成。驾驶舱内布置的方向盘、油门、刹车、挡位等与被模拟的对象在布局上和功能性能上几乎一致，操作人员通过对其操作来控制运动模拟平台的运动，使人身临其境获取真实的感观。六自由度运动模拟平台都是基于经典的Stewart结构，如图1所示，它包括动平台、静平台、并分别通过铰链或万向节与六个液压缸连接，通过对六个油缸的独立控制，可以实现动平台在X、Y、Z三个方向的移动与转动，以模拟车辆的垂直平移、水平平移、横向平移、俯仰、侧倾和旋转六个自由度的运动，达到驾驶员与坐在真实设备里面驾驶类似的感觉的目的。

这种六自由度运动模拟平台具有结构简单、传动链短、刚度大、质量轻、成本低、可控性、无破坏性、可靠性、安全性以及出色的动力学性能，特别是很容易实现“六轴联动”，具有良好的动态性能和高的位置精度等优点，但它同时具有工作行程短、各方向转向角度小等问题。它最大的缺点就是围绕Z轴旋转的角度非常有限，其旋转到极限位置时如图2所示，这种结构应用于驾驶模拟器时大大降低了模拟转弯时驾驶员的真实感受。

同时，由于模拟器平台的运动行程有限，不可能完全再现真实设备的运动轨迹(如长距离上下坡、90度直角转弯等)，因此为了能产生连续的真实感，在完成一次运动后，必须采用特殊的算法使得模拟器平台缓慢地返回到中位，以确保下一步运动模拟具有足够的行程，这种算法被称为洗出(Washout)滤波算法。

洗出(Washout)滤波算法的目标是在受限的模拟器工作空间内复现真实环境中人所能感受到的角速度和力，将真实设备动力学模型输出的信号中人体无法感受到的高频和低频部分滤掉，减少运动平台的动作量，并在适当的时候将平台的位置带回到中位附近，以提供较大的工作空间。

由于在车辆驾驶中，由于车辆自身的限制，道路的俯仰(绕Y轴转动)、侧倾(绕X轴转动)一般不会超过30°，因此模拟器模拟俯仰、侧倾基本能符合实际情况；然而车辆在转弯时不可能就这么一个角度，其有可能是90°直角转弯，也有可能是180°掉头，模拟器偏航(即绕Z轴转动)角度则远远小于实际需求。

如果模拟器平台能有更大的偏航角度，则对洗出(Washout)滤波算法降低了要求，并且更能符合模拟驾驶的感受。

发明内容

针对各种洗出滤波算法不能消除真实感受与驾驶模拟器的运动感觉之间的差异，特别是不能围绕Z轴方向连续旋转的缺点，本发明提供了一种液压式围绕Z轴旋转方向免于洗出算法的模拟器平台。

本发明的技术方案是：

本发明包括静平台基础，动平台和支撑静平台基础、动平台的六套结构完全相同的支腿结构，每套支腿结构包括液压缸上底座、液压缸和液压缸下底座。静平台基础上端依次同轴固定有蜗轮和环形导轨，六套移动部件中的滑块下端分别与环形导轨滑动连接，每套移动部件的上端分别与各自的液压缸下底座连接，每套支腿结构的液压缸上底座均匀分布在动平台上，每套移动部件的上端分别与各自的液压缸下底座连接；每套移动部件中的滑块的上端与滑块固定板连接，第一固定板与第二固定板分别垂直安装在滑块固定板沿着环形导轨切线方向的两侧，液压马达安装在第一固定板上，液压马达的输出轴与蜗杆连接，且蜗杆与蜗轮啮合，滑块固定板下侧的四个角上分别安装滑轮，两个滑轮的凹槽与环形导轨外侧面的凸边相贴合，另外两个滑轮的凹槽与环形导轨内侧面的凸边相贴合；安装于静平台基础内液压控制箱的控制线与分别六个伺服电机连接，并且液压控制箱能跟随动平台围绕Z轴转动。

所述的液压控制箱中的液压系统，包括液压马达、液压锁、换向阀、节流阀、两个单向阀、溢流阀，液压泵，过滤器，电机和蓄能器；电机经联轴器与液压泵连接，液压泵的吸油口经过滤器接油箱，液压泵的出油口的高压油分三路，第一路接蓄能器，第二路接溢流阀的进油口，溢流阀的出油口通往油箱，第三路接第一单向阀的进油口，第一单向阀的出油口分别经第二单向阀和节流阀接换向阀的进油口，换向阀的出油口通往油箱，换向阀另外两个油口接液压锁的进油口，液压锁的两个出油口接液压马达。

本发明具有的有益效果是：

1、驾驶模拟器平台可以围绕Z轴无限旋转，避免了围绕Z轴旋转方向的洗出滤波算法，从而有效地提高模拟的真实性。

2、有效地提高了X、Y、Z三个方向，特别Z方向上的行程。

3、大大增加了驾驶模拟器平台的工作空间。

本发明可以应用于飞机、各种车辆及船舶等的高级驾驶模拟器。

附图说明

图1是经典的Stewart模拟器平台图。

图2是经典的Stewart模拟器平台旋转到极限位置图。

图3是本发明的总体示意图。

图4是本发明的总体结构图。

图5是本发明移动移动部件结构图。

图6是本发明移动移动部件沿着蜗杆中心的剖视图。

图7是本发明液压系统原理图。

图中：1、静平台基础，2、移动部件，3、液压缸下底座，4、液压缸，5、液压缸上底座，6、动平台，7、液压控制箱，8、第一固定板，9、蜗杆，10、蜗轮，11、环形导轨，12、滑块，13、滑块固定板，14、滑轮，15、液压马达，16、第二固定板，17、模拟器座舱，18、液压锁，19、换向阀，20、节流阀，21、第一单向阀，22、溢流阀，23、液压泵，24、过滤器，25、油箱，26、电机，27、蓄能器，28、第二单向阀，29、液压系统，30、控制箱固定板，31、旋转基础台。

具体实施方式

以下结合附图和实施方式对本发明作进一步的描述。

如图3、图4、图5、图6、图7所示，本发明包括静平台基础，动平台和支撑静平台基础、动平台的六套结构完全相同的支腿结构，每套支腿结构包括液压缸上底座5、液压缸4和液压缸下底座3；其特征在于：静平台基础1上端依次同轴固定有蜗轮10和环形导轨11，六套移动部件2中的滑块12下端分别与环形导轨11滑动连接，每套移动部件2的上端分别与各自的液压缸下底座3连接，每套支腿结构的液压缸上底座5均匀分布在动平台6上，每套移动部件2的上端分别与各自的液压缸下底座3连接；每套移动部件2中的滑块12的上端与滑块固定板13连接，第一固定板8与第二固定板16分别垂直安装在滑块固定板13沿着环形导轨11切线方向的两侧，液压马达15安装在第一固定板8上，液压马达15的输出轴与蜗杆9连接，且蜗杆9与蜗轮10啮合，滑块固定板13下侧的四个角上分别安装滑轮14，两个滑轮14的凹槽与环形导轨11外侧面的凸边相贴合，另外两个滑轮14的凹槽与环形导轨11内侧面的凸边相贴合；安装于静平台基础1内液压控制箱7的控制线与分别六个伺服电机15连接，并且液压控制箱7能跟随动平台6围绕Z轴转动。

所述的液压控制箱7中的液压系统29，包括液压马达15、液压锁18、换向阀19、节流阀20、两个单向阀21，28、溢流阀22，液压泵23，过滤器24，电机26和蓄能器27；电机26经联轴器与液压泵23连接，液压泵23的吸油口经过滤器24接油箱25，液压泵23的出油口的高压油分三路，第一路接蓄能器27，第二路接溢流阀22的进油口，溢流阀22的出油口通往油箱，第三路接第一单向阀21的进油口，第一单向阀21的出油口分别经第二单向阀28和节流阀20接换向阀19的进油口，换向阀19的出油口通往油箱，换向阀19另外两个油口接液压锁18的进油口，液压锁18的两个出油口接液压马达8。

静平台基础1上固定着蜗轮10，蜗轮10上面安装有环形导轨11，六套移动部件2分别安装在环形导轨11上，因此每套移动部件2都可以在环形导轨11上移动。

每套移动部件2上安装有液压缸下底座3，液压缸下底座3通过球铰链与液压缸4的下端连接，液压缸4的上端通过球铰链与液压缸上底座5连接，六个液压缸上底座5分别平均地安装在动平台6上。

液压缸下底座3与液压缸4、液压缸4与液压缸上底座5之间的链接也可以通过万向节连接。

移动部件2包括：第一固定板8、蜗杆9、蜗轮10、环形导轨11、滑块12、滑块固定板13、滑轮14、液压马达15、第二固定板16。移动部件2中的滑块14位于环形导轨11上，并主要依靠滑块12承受动平台6上传下来的垂向的作用力，以及在环形导轨11上滑动。

滑块12的上端与滑块固定板13连接，滑块固定板13下侧的四个角上分别安装四个滑轮14，滑轮14的凹槽与环形导轨11侧面的凸边相贴合，这样滑轮14也可以沿着环形导轨11的侧面滑动，并且环形导轨11的两个侧面各有两个滑轮14，因此滑轮14也可以承受动平台6上传下来的侧向作用力。

同时，第一固定板8与第二固定板16分别垂直安装在滑块固定板13沿着环形导轨11切线方向的两侧，第一固定板8上安装有液压马达15，液压马达15的轴与蜗杆9连接，且蜗杆9与蜗轮10啮合，因此，液压马达15转动会带动蜗杆9围绕蜗轮10转动。

有一块水平放置的控制箱固定板30通过滑块与具有环形导轨的旋转基础台31连接，液压控制箱7安装在控制箱固定板30上，控制箱固定板30下侧的中心与一个固定的电机连接。当传感器检测到动平台6旋转的角度，驱动器驱动液压控制箱7的电机转动相同的角度，因此不管动平台6旋转多少圈，液压控制箱7也旋转多少圈，连接在液压马达15上的油管都不会缠绕甚至团缩在一起。

液压控制箱7里面装有液压系统27、控制器、驱动器等，液压控制箱7连接出来的各种控制线与液压系统29的电机26连接，控制液压马达15的旋转角度，配合液压缸4的伸缩，达到控制动平台6的位置与姿态的目的；液压控制箱7与外部的通讯依靠无线通讯，以解决通讯数据线由于液压控制箱7的不断旋转而缠绕的问题；液压控制箱7的电源线则比较长，保证液压控制箱7在旋转的过程中电源线不会团缩在一块。

图7是本发明液压系统29的工作原理图，包括：液压锁18，换向阀19、节流阀20，第一单向阀21，溢流阀22，液压泵23，过滤器24，油箱25，电机26，蓄能器27，第二单向阀28。电机26带动液压泵23转动并将液压油通过过滤器24打起，高压的液压油分三路，一路通往蓄能器27以确保压力不小于某个值，另一路通过溢流阀22通往油箱25以确保压力不大于某个值，还有一路通过第一单向阀21进口确保高压的液压油不回流，第一单向阀21的出口与节流阀20连接，第二单向阀28与节流阀20并联起到调速阀的作用，节流阀20的另一端与换向阀19连接，换向阀19主要起锁死位置、正转、反转的作用，换向阀19的另一端与液压锁18连接，液压锁18的另一端与液压马达15连接。

整套系统共有12套类似的液压系统29，其中6套分别驱动6个液压马达15，另外6套分别驱动6个液压缸4(将液压系统27中的液压马达8替换为液压缸4即可)。

整个系统的工作流程如下：

1.计算机检测模拟器应该处于的位置、姿态，并通过位姿反解得到各个液压缸4伸长的长度或液压马达15旋转的角度或者是两者的组合；此时，如果液压马达15不旋转，只有液压缸4伸缩，就是相当于一个Stewart平台；如果液压缸4不运动，只有伺服电机15旋转，也可实现平台六个自由度的运动，但工作空间就小了很多；如果既要液压缸4伸缩，还要液压马达15旋转，也能满足平台六个自由度运动的需求，而且位姿反解得到的解更多，可以根据不同的情况选择不同的解，即液压缸4伸缩多少，液压马达15旋转多少有更多的选择；

2.当模拟器需要转弯时，将真实设备需要转弯的半径计算转变为模拟器座舱17及动平台6在静平台基础1旋转的角度，因此，每个移动部件2围绕相同的方向旋转的角度相同，即液压马达15的旋转量相同；此时，液压缸4仍然保持不断的伸缩状态，保证转弯时其它的感觉(如：上下坡即俯仰、路面侧倾)与真实设备类似；

3.由于在此运动过程中动平台6发生了旋转，传感器检测到此旋转，驱动器立即驱动连接控制箱固定板30的电机转动相同的角度，保证液压控制箱7与动平台6围绕Z轴旋转的角度相同，由于固定液压马达15的移动部件2与动平台6之间通过是通过液压缸4连接，因此它们之间的最远距离就是液压缸4最大伸长量的长度，而液压控制箱7与动平台6保持了相同的角度，因此液压控制箱7与移动部件2上的液压马达15的最远距离也可确定，这个最远距离即是液压马达15的控制线的长度，不管整个平台怎么运动，此长度都可以保证液压马达15的控制线连接在液压控制箱7上；

4.当真实设备运动至不同的位置时，即模拟器座舱17在动平台6上的位置与姿态处于不同的状态，只需要液压缸4伸长或缩短至相应的长度或各个移动部件2旋转至不同的角度即可，也可以液压缸4伸缩、各个移动部件2旋转组合运动也可达到使得动平台6处于不同的位置与姿态的目的；由于单独伸缩液压缸4或者液压马达15的旋转都可以实现平台六个自由度的运动，因此如果将两者结合起来，平台的运动空间起到了累加的效果，比传统的Stewart平台的工作空间更大。