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IND4底盘丨一种驾驶模拟器平台

2017-12-31 08:37 来源: ind4汽车人

一个大型模拟器的优越性就体现在它有个自己的平台,也是这个平台成就了它的高性能与优越性。当前各大科研机构常用并且性能不错的就是Stewart平台,本文就简要介绍下它。

Stewart平台结构于1965年由德国著名学者D.Stewart发表论文《A Platform with Six Degrees of Freedom》提出,这种经典并联机构最初便被定位为飞行模拟器的运动模拟平台,并一直发展沿用至今。Stewart平台因拥有pitch、yaw、roll以及X、Y、Z轴平移运动的六个自由度,因而也被称为六自由度平台。

平台由六根驱动杆通过并联的方式连接上下平台构成,该平台结构稳定,承载力强,弥补了串联机器人所带来的弊端,因此,一出现便引起了国外学者的关注,并逐渐形成了一个重要的机器人结构学分支。

1969年飞行员训练模拟器首次采用Stewart平台作为动感模拟,利用液压方式驱动,实现六个自由度的运动。Stewart平台在汽车驾驶模拟器方面的应用起步相对较晚,80年代中期开始,汽车制造商相继推出具备六自由度运动仿真的开发型驾驶模拟器口,并且在算法和动力学模型方面不断完善发展。经过几十年的发展,Stewart平台己经较为广泛地应用于各类大型模拟器中,成为运动模拟的主流方式。

Stewart平台研究的关键是六根驱动杆与平台位姿之间的关系,即平台的运动学正、反解,六个驱动杆的伸长量与平台空间六自由度一一对应,即使五个驱动杆的伸长量确定,余下的一个也可以通过伸缩影响六个自由度的位置姿态数据。因此,驱动杆的长度决定了上平台的空间六自由度,即决定了上平台的位置姿态,在平台控制中,必须通过6个连接上下平台的驱动杆的伸缩变换来使得上平台达到理想位姿,上平台的某一固定位姿对应唯一的驱动杆伸长量,即驱动杆伸长量确定,也就是确定了平台己知上平台的位姿求取六个驱动杆长度的问题为平台的运动学反解,反之,己知驱动杆长度求上平台位姿的问题为平台的运动学正解。相对于运动学正解,Stewart平台的运动学反解运算要简单很多,并且在实际应用中更为重要,而正解运算主要偏重理论研究。从Stewart平台结构提出至今,正解问题因具有多解性一直没有得到很好地解决,现有的主要研究方法包括:几何法、数值迭代法和代数消元法。运动学反解方程于1984年由学者Fichter推导得出根据给定位数据可求解出唯一一组驱动杆伸长量。

相比串联机构,Stewart平台运动空间和行程有限,且难以模拟单方向的持续动作,因此,如何充分利用有限的运动空间模拟出更多的运动是Stewart平台控制算法的研究重点。目前,对于运动平台控制算法的研究主要集中于洗出滤波算法。较为主流的洗出算法主要有三种:经典洗出滤波、最优控制洗出滤波和协调自适应洗出滤波。

(1)设计驾驶模拟器的运动平台

需要依据驾驶舱结构和虚拟场景运动需求对Stewart平台机械结构、配件型号进行确定,并结合负载情况和仿真要求确定平台构成部分电动缸尺寸、电机功率、型号,通过计算和仿真求解得出Stewart平台的运动空间,确定平台中立位置。

(2)搭建驾驶模拟器仿真实验平台

基于人机工程学基础理论对驾驶模拟器视景声音系统、驾驶操作系统进行设计选型,并在运动平台之上搭建起模拟器驾驶室。完成硬件和软件的连接和接口匹配,实现虚拟场景、驾驶操作系统、运动平台的协同互联。

(3)运动平台控制策略的算法实现

确定运动平台控制算法框架,基于驾驶模拟器虚拟场景的速度、加速度和姿态变换输出量对算法参数进行初步确定,并通过编程对算法进行实现。

(4)基于驾驶人实验优化运动平台控制算法,提高模拟真实性在基本实现算法的基础上引入人体感知阈值等限制条件对滤波器参数取值进行求解确定,以达到提高逼真度的目的。同时,将驾驶人体验加入到算法参数调试的过程中,设计实验让驾驶人对多组算法参数真实性进行比较,在此过程中将算法性能调整到最优。

一、汽车驾驶模拟器逐步发展与应用

二、驾驶模拟器设计的条条框框

三、驾驶模拟器的手感是如何实现的

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