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大型数字式六自由度运动平台的开发 |
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作者：杨世祥 杨涛 徐悦桐 |
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一、概述
六自由度运动平台，由于有极为广阔的应用前景，近几年，引起了国内外科研、院校广泛的研究兴趣。六自由度运动平台是由六支油缸，上、下各六只万向铰链和上、下两个平台组成，下平台固定在基础上，借助六只油缸的伸缩运动，完成上平台在空间六个自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态，可广泛应用到各种训练模拟器如飞行模拟器、舰艇模拟器、海军直升机起降模拟平台、坦克模拟器、汽车驾驶模拟器、火车驾驶模拟器、地震模拟器以及动感电影、娱乐设备等领域，甚至可用到空间宇宙飞船的对接，空中加油机的加油对接中。在加工业可制成六轴联动机床、灵巧机器人等。由于六自由度运动平台的研制，涉及机械、液压、电气、控制、计算机、传感器，空间运动数学模型、实时信号传输处理、图形显示、动态仿真等等一系列高科技领域，因而六自由度运动平台的研制变成了高等院校、研究院所在液压和控制领域水平的标志性象征。国外某大型液压公司的总部大厅里，向客人展示水平的第一个标志就是六自由度运动平台，笔者认为，六自由度运动平台是液压及控制技术领域的皇冠级产品，掌握了它，在液压和控制领域基本上就没有了难题。以下介绍它的开发过程
二、传统的伺服液压控制六自由度运动平台
到目前为止，世界上所有国家和研制单位，大型平台都无一例外的采用了液压伺服控制系统。国内以几所名牌大学的研究水平较高，其控制原理基本相同，六自由度平台单缸控制框图如下：
从图中可看出，主控计算机是完成空间状态的实时解算，然后将解算结果送到六个单缸控制器，经数/模转换后送给伺服放大器、伺服阀、伺服缸推动平台运动。伺服缸的位移和压力通过两只传感器并经模/数转换后送给计算机，完成闭环控制。该框图表示的是主动编程控制，如果是实时模拟控制，还需要在主控计算机前增加姿态信号输入装置，即用各种信号发生器模拟人的操作，输出表示空间状态的XYZ和αβγ信号。该伺服系统最大的难点是传递环节多、控制过于复杂、调试困难、可靠性差、伺服阀抗干扰抗污染能力弱、故障率高，因而国内尽管许多单位进行了研制，但大面积推广的却始终不多。
三、六自由度平台控制的空间状态解算
1．顺向解）：即已知六根液压缸的长度，求解平台姿态，到目前为止，还没有直接中的的正解方程式，只能采用叠代方法，利用计算机快速运算的特点和上铰链的结构条件约束来逼近求解平台姿态。此为顺解，
2．反解（逆向解）：描述一个刚体在空间旋转的姿势，最常使用的方法是定义三个欧拉角来表达，当刚体旋转至某一姿势下，此三个欧拉角即组成唯一的旋转矩阵，并借由旋转矩阵作坐标转换，便可求得刚体的绝对位置。
四、六自由度的速度协联控制
当给定空间状态后，可以分别算出六只缸的不同长度，为了让平台上的油缸在同一时间运动到新的位置，六只缸的运动速度是不相同的，这个问题的解决有两种方法，一是采用标准的协联控制器，该控制器需将油缸的运动长度数值送入，控制器能按所要求的时间，自动分配六只缸的运动速度，同时到达终点。第二种方法是自己编制运动速度方程，采用长度的最小公倍数方法分配速度，也可达到同样目的。
五、六自由度平台的全数字控制
为了攻克六自由度运动平台的应用难关，北京亿美博科技有限公司采用了自己开发的性能先进、操作可靠的新型数字（液压）缸（已纳入“十五”攻关和国家重点新产品项目），作为六只控制缸。该数字缸取消了传统控制中的伺服阀、传感器、A/D转换和D/A转换等诸多环节，它是将传感器、数字阀等全部做到油缸内部，形成自动位置反馈和速度反馈。数字缸可以直接接受计算机发出的数字脉冲信号进行可靠的工作。脉冲频率代表数字缸运动速度，脉冲总数代表数字缸运动行程，一一对应，将复杂的闭环控制变成了简单的开环控制。亿美博公司与我国××军事院校合作，联合开发了载重量3吨和8吨的数字式六自由度运动平台，它的控制框图和实际平台图照片所示如下：
从上图与伺服系统的框图比较可知，控制原理大大简化，不但系统响应速度加快，而且故障率也大为降低，可靠性得以增加。整个六自由度运动平台无任何液压控制元件和传感器，系统构成十分清爽。平台运动的录像可在www.aemetec.com/sim网站观看。它的性能指标如下：六自由度数字运动平台技术指标
 六．数字液压技术在其他领域的成功应用
数字液压缸与专门配套研制的数字控制器相配合，几乎取消了传统液压控制中的所有液压阀件和控制元件，它抛弃了传统的阀口控制，把讨厌的现场调试搬到了办公室，几乎做到了即装即用，已经成功的应用到冶金、机械、水电、国防军工等一系列疑难控制领域，其控制性能远远超过传统的液压控制技术，成功应用的实例有：冶金领域中的钢水连铸结晶器液面控制、结晶器液压非正弦振动（均列入过国家攻关项目），带钢厚度控制（微米级精度）。水电领域中的水轮机调速控制；机械领域的大型无齿锯多点速度控制和位置控制，军工领域的大型导弹装弹机构的多缸同步控制（任意多缸同步误差可达0.1%）、军舰舵机控制、减摇稽控制，模拟器领域的六自由度平台控制等等一系列疑难控制，均取得了十分理想的效果。
杨世祥、杨涛：北京亿美博科技有限公司
电话：010-63331966、63288137
徐悦桐：北京大学(end)
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(1/23/2006) |
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