新型飞行模拟器主从操作系统研究与设计

发布时间：2016-03-21 08:21

随着电子技术和计算机图形技术的发展，飞行模拟器也开始不断更新换代，能够越来越真实地复现飞行器以及空中环境，为不同用途不同群体的航空驾驶员提供了学习飞行知识，提高飞行技巧的安全途径，减少了飞行训练中遇到资金、场地、天气与安全性等问题的制约，其理论价值与实际意义得到了世界各国和各大航空公司的重视。基于以上情况，我国也在加强对飞行模拟器的相关幵发与研究工作。经过多年的研究与发展，飞行模拟器的各项技术逐渐趋于成熟，尤其是近年来民航事业发展迅速，使得地面模拟飞行已经成为民航客机飞行员的训练必修科目。但现有的飞行模拟器仍难以满足战斗机驾驶员的特殊训练要求，尤其是近年来战斗机的生产能力和技术开始积极扩散，第三代、第四代战斗机具备的高机动性与敏捷性的性能指标，向新型飞行模拟器的研发提出了更高的要求。本文利用冗余并联机构在运动学及动力学方面的特殊性质，设计出大姿态角战斗机飞行运动模拟器。为探索战斗机高机动飞行动作的模拟实现方法，设计新型飞行模拟器主从操作系统，探讨飞行模拟器的运动特性，设计合理有效的运动方式和控制策略，对飞行动作实行实时精确遥控，使模拟器的飞行姿态具备可操作性，为新型飞行模拟器的实用化研究提供理论依据。

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2新型飞行模拟器主从机构设计与位置分析

2.1运动模拟器机构设计与位置分析

作为系统从手的运动模拟器是飞行仿真的运动机构，目前在运动机构的主体选择上通常有两个选项：串联型的运动模拟器具有较大的转动空间，但受限于机构的刚度约束，往往只能应用于少自由度的运动平台；采用并联构型的运动模拟器与之相比，具有结构刚度大、位置精度高、承载能力强等优点，Stewart平台作为其中的典型代表，在各国研制的六自由度飞行模拟器中得到广泛应用。飞行器技术发展对运动模拟提出了更高的要求，而Stewart平台受限于结构，只能在空间内做有限的俯仰、翻滚和偏转动作，转角活动的范围通常不大于正负35度。为模拟高机动性能的飞行器动作，本文提出一种具备大姿态转角的冗余驱动并联机构，作为新型飞行模拟器的运动主体。

2.2手控器机构设计与位置分析

手控器是力觉临场感技术的交互设备，是操作者直接接触的装置，在本系统中将负责操作者与运动模拟器之间的信息传递，其作用可以归结为：作为操作者动作的测量系统，通过测量操作者手部运动作为控制运动模拟器运作的依据；操作反饿力的发生源，根据控制信号产生作用于人手的指定力觉信息，协助操作者判断运动模拟器的运动情况，以决定下一步的操作任务。

3从手的工作空间与运动规划研究........25

3.1影响工作空间大小的因素..........25 
4主手的力反馈控制方法研究..........49
4.1动力学模型的建立..........49
4.2仿真模型与修正................51 
5主从控制系统设计...........65
5.1主从控制策略..........65
5.2控制系统硬件设计......... 67

5主从控制系统设计

5.1主从控制策略

关节控制方式通常运用于主从手构型和运动副分配相同或类似的情况中[60],此时主手和从手运动副往往只存在运动范围大小的差距，可以通过简单地映射实现两者的对应控制。笛卡尔空间控制需要应用到运动学的求解，使主从手在各自的笛卡尔运动空间内形成映射和对应关系。当主手在笛卡尔空间内作出运动时，通过其关节变量进行运动学正解，可以获得主手旳位姿，由此根据主从手运动空间映射关系推导出从手的对应位姿，再对从手机构进行运动学反解即可获得相应的关节变量，从而实现主从的对应控制。具体过程如图5-2所示。

5.2控制系统硬件设计

同样按照上位机与下位机的模块分类对其进行讨论，其中上位机模块主要由高性能的PC机及其附属设备构成，作为上层管理系统，上位机模块没有传感与执行器部分，工作主要负责通过输入输出设备向用户提供系统的人机交互界面，从下位机端接收系统的各种状态信息，按照系统软件的内部算法对状态信息进行处理，再把处理生成的控制系统各自发送到下位机。随着现代计算机运算能力的不断提高，选用髙性能的PC机作为上位机主体，己经能够胜任各种操作系统的幵发要求，在数据处理方面能够快速准确地完成主从机构的运动学正反解，主手动力学逆解和相应控制算法，具备良好的软件兼容性和人机交互界面，同时加上多种通讯总线资源，使得系统具有良好的开放性，能够满足相应的系统幵发工作。下位机模块是主从操作系统的运动主体，对主手和从手的研究理论是否可以得到验证，需要选择合适的硬件设计来支持，下面针对主手和从手的任务需求分别进行具体的硬件选型设计，确保主从操作的运动效果。

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6总结

通过上述研究获得了以下成果：(1)根据项目需求设计了主从操作系统的机构主体：其中作为系统从手的运动模拟器，在设计上采用了具有大工作角度的冗余并联机构；作为系统主手的手控器，则选择了运动精度高、力学性能优越的混联机构。同时对两种机构进行了位置分析，为运动控制的实现提供理论基础。(2)研究了运动模拟器的工作空间，并基于空间分析探讨了模拟器的运动规划问题。通过在笛卡尔空间进行规划来保证运动轨迹与关节空间的连续对应，同时为了充分利用机构的工作空间，，提出了通过改变驱动关节多解组合的方法来实现多解空间的穿行，并按自由度是否受限的情况对机构运动进行了具体的分析规划，确定了从手机构运动的控制算法。(3)就主手力反饿功能的实现展幵了研究，对手控器的实体建立动力学模型，通过导入动力学参数，对实体尺寸参数进行标定补偿等方式，在SimMechanics虚拟环境中对动力学模型进行了完善，并通过补偿实验确认了仿真模型的准确性，最终在模型基础上加入碰揸模块，获得了能够根据具体情况驱使手控器生成反馈力的控制方法。

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参考文献（略）

本文编号：36418