四自由度飞行模拟器复合平台运动系统设计

发布时间：2020-11-04 06:03

　　 近年来,民航产业发展迅速并逐渐走进大众市场,随着飞行的普及,民众对体验飞行的需求也随之增多。运动系统是飞行模拟器研究的核心之一,目前较普遍的六自由度并联平台价格昂贵、工作空间小、占用空间大、控制计算困难等缺点限制了模拟器的普及,为解决以上弊端,本文旨在设计一款具有价格低廉、单自由度运动空间大、占用体积小、控制简单灵活等优点的新型四自由度复合平台,并对其三维结构、运动学、动力学和控制系统进行设计计算及仿真。该产品未来主要应用于飞行体验馆,科技馆,展会等场所。首先,通过民航规章等权威文件归纳得到飞行模拟设备标准及技术指标,提出四自由度飞行模拟器复合平台性能指标及初步设计方案。其次,对平台进行详细结构的设计计算及校核,绘制其三维模型;并运用ANSYS Workbench软件对各个零件分别进行静载荷和动载荷作用下的强度分析,并试验平台在空间可承受的最大冲击载荷。再次,对平台进行运动学分析:通过D-H连杆参数法建立平台坐标系,分别运用齐次变换法和欧拉法求解平台正逆运动学方程;运用MATLAB Robotics Toolbox软件构建平台数学模型,仿真验证运动学方程正确性,对平台进行轨迹规划和工作空间仿真,得到平台末端执行器在空间运行轨迹和所达范围,验证平台设计可行性和仿真正确性。然后,对平台进行动力学分析:分析平台耦合关系,推导耦合动力学方程;运用拉格朗日法建立平台整体动力学方程;分别运用MATLAB Robotics Toolbox和ANSYS Workbench软件对平台进行惯量仿真和模态分析,得到惯量曲线验证了平台耦合现象的存在,各阶振型和固有频率特征为控制优化提供理论依据。最后,设计平台自动控制系统:采用MATLAB Simulink软件对俯仰、滚转模块进行双闭环PID控制建模,通过调节PID参数得到理想响应曲线,验证了平台控制系统模型的正确性及可行性。以上计算仿真为平台实际搭建奠定了理论基础。
【学位单位】：中国民航大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V216.7
【部分图文】：

它的优劣直接影响到飞行驾驶的体验效果，故运动平台是飞行模拟器研究的核心技术。如今娱乐体验飞行模拟市场中，常见的飞行模拟运动平台主要分为以下五类：并联协同式运动平台、层叠式运动平台、离心式运动平台、铰接梁式运动平台、混合型运动平台，其中并联协同式运动平台应用最广泛，技术最成熟，由驱动杆和动静平台组成，通常分为六自由度和三自由度两种。六自由度运动平台根据上下铰链的连接方式不同可分为 6-6、6-3、3-3 等结构形式其中 6-6 型结构是指上下铰链点分别连接于上下平台不同的 6 个点上，该结构应用最广泛；6-3 型结构是指在 6-6 型结构基础上上平台的 6 个不同的点两两合并；3-3 型结构是指在 6-3 型结构基础上下平台 6 个不同的点两两合并。六自由度运动平台根据运动副的连接形式不同可分为：6-UCU（Universal-Cylindrical-Universal）（6 表示 6 个相同结构的支路，U 表示虎克铰，C 代表圆柱副；6-UPS（Universal-Prismatic-Spherical）（P 表示移动副，S 代表球铰）；6-SPS（Spherical-Prismatic-Spherical）；6-RSS、6-PSS、6-TP等。图 1-1 是典型的应用于娱乐型飞行模拟器中的六自由度并联运动平台。

它的优劣直接影响到飞行驾驶的体验效果，故运动平台是飞行模拟器研究的核心技术。如今娱乐体验飞行模拟市场中，常见的飞行模拟运动平台主要分为以下五类：并联协同式运动平台、层叠式运动平台、离心式运动平台、铰接梁式运动平台、混合型运动平台，其中并联协同式运动平台应用最广泛，技术最成熟，由驱动杆和动静平台组成，通常分为六自由度和三自由度两种。六自由度运动平台根据上下铰链的连接方式不同可分为 6-6、6-3、3-3 等结构形式其中 6-6 型结构是指上下铰链点分别连接于上下平台不同的 6 个点上，该结构应用最广泛；6-3 型结构是指在 6-6 型结构基础上上平台的 6 个不同的点两两合并；3-3 型结构是指在 6-3 型结构基础上下平台 6 个不同的点两两合并。六自由度运动平台根据运动副的连接形式不同可分为：6-UCU（Universal-Cylindrical-Universal）（6 表示 6 个相同结构的支路，U 表示虎克铰，C 代表圆柱副；6-UPS（Universal-Prismatic-Spherical）（P 表示移动副，S 代表球铰）；6-SPS（Spherical-Prismatic-Spherical）；6-RSS、6-PSS、6-TP等。图 1-1 是典型的应用于娱乐型飞行模拟器中的六自由度并联运动平台。

图 1-3 其他形式飞行模拟器运动平台 图 1-4 其他形式飞行模拟器运动平台.3 飞行模拟器运动平台发展概况飞行模拟器运动平台按照运动自由度也可分为六自由度运动平台和少自由度运台，以下介绍飞行模拟器运动平台的国内外发展情况。.3.1 六自由度并联运动平台的发展世界上第一台六自由度运动平台是在美国诞生的：Cappel 在 1962 年自主研发出六自由度运动平台应用于轮胎检测[7]。1965 年，德国工程师 D.Stewart 首次以论文形式提出了著名的 Stewart 机构，并将其应用于飞行模拟器运动平台[8]，且一直沿今。1978 年，澳大利亚的 Hunt 教授主张把 Stewart 结构作为并联机器人的主要机构[9979 年，Mac Callion. H 与 Pham. D.T.首次将该机构应用于机器人的装配生产线上[4]
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本文编号：2869729