近年來,民航產業(yè)發(fā)展迅速并逐漸走進大眾市場,隨著飛行的普及,民眾對體驗飛行的需求也隨之增多。運動系統(tǒng)是飛行模擬器研究的核心之一,目前較普遍的六自由度并聯(lián)平臺價格昂貴、工作空間小、占用空間大、控制計算困難等缺點限制了模擬器的普及,為解決以上弊端,本文旨在設計一款具有價格低廉、單自由度運動空間大、占用體積小、控制簡單靈活等優(yōu)點的新型四自由度復合平臺,并對其三維結構、運動學、動力學和控制系統(tǒng)進行設計計算及仿真。該產品未來主要應用于飛行體驗館,科技館,展會等場所。首先,通過民航規(guī)章等權威文件歸納得到飛行模擬設備標準及技術指標,提出四自由度飛行模擬器復合平臺性能指標及初步設計方案。其次,對平臺進行詳細結構的設計計算及校核,繪制其三維模型;并運用ANSYS Workbench軟件對各個零件分別進行靜載荷和動載荷作用下的強度分析,并試驗平臺在空間可承受的最大沖擊載荷。再次,對平臺進行運動學分析:通過D-H連桿參數法建立平臺坐標系,分別運用齊次變換法和歐拉法求解平臺正逆運動學方程;運用MATLAB Robotics Toolbox軟件構建平臺數學模型,仿真驗證運動學方程正確性,對平臺進行軌跡規(guī)劃和工作空間仿真,得到平臺末端執(zhí)行器在空間運行軌跡和所達范圍,驗證平臺設計可行性和仿真正確性。然后,對平臺進行動力學分析:分析平臺耦合關系,推導耦合動力學方程;運用拉格朗日法建立平臺整體動力學方程;分別運用MATLAB Robotics Toolbox和ANSYS Workbench軟件對平臺進行慣量仿真和模態(tài)分析,得到慣量曲線驗證了平臺耦合現(xiàn)象的存在,各階振型和固有頻率特征為控制優(yōu)化提供理論依據。最后,設計平臺自動控制系統(tǒng):采用MATLAB Simulink軟件對俯仰、滾轉模塊進行雙閉環(huán)PID控制建模,通過調節(jié)PID參數得到理想響應曲線,驗證了平臺控制系統(tǒng)模型的正確性及可行性。以上計算仿真為平臺實際搭建奠定了理論基礎。
【學位單位】：中國民航大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：V216.7
【部分圖文】：

它的優(yōu)劣直接影響到飛行駕駛的體驗效果，故運動平臺是飛行模擬器研究的核心技術。如今娛樂體驗飛行模擬市場中，常見的飛行模擬運動平臺主要分為以下五類：并聯(lián)協(xié)同式運動平臺、層疊式運動平臺、離心式運動平臺、鉸接梁式運動平臺、混合型運動平臺，其中并聯(lián)協(xié)同式運動平臺應用最廣泛，技術最成熟，由驅動桿和動靜平臺組成，通常分為六自由度和三自由度兩種。六自由度運動平臺根據上下鉸鏈的連接方式不同可分為 6-6、6-3、3-3 等結構形式其中 6-6 型結構是指上下鉸鏈點分別連接于上下平臺不同的 6 個點上，該結構應用最廣泛；6-3 型結構是指在 6-6 型結構基礎上上平臺的 6 個不同的點兩兩合并；3-3 型結構是指在 6-3 型結構基礎上下平臺 6 個不同的點兩兩合并。六自由度運動平臺根據運動副的連接形式不同可分為：6-UCU（Universal-Cylindrical-Universal）（6 表示 6 個相同結構的支路，U 表示虎克鉸，C 代表圓柱副；6-UPS（Universal-Prismatic-Spherical）（P 表示移動副，S 代表球鉸）；6-SPS（Spherical-Prismatic-Spherical）；6-RSS、6-PSS、6-TP等。圖 1-1 是典型的應用于娛樂型飛行模擬器中的六自由度并聯(lián)運動平臺。

它的優(yōu)劣直接影響到飛行駕駛的體驗效果，故運動平臺是飛行模擬器研究的核心技術。如今娛樂體驗飛行模擬市場中，常見的飛行模擬運動平臺主要分為以下五類：并聯(lián)協(xié)同式運動平臺、層疊式運動平臺、離心式運動平臺、鉸接梁式運動平臺、混合型運動平臺，其中并聯(lián)協(xié)同式運動平臺應用最廣泛，技術最成熟，由驅動桿和動靜平臺組成，通常分為六自由度和三自由度兩種。六自由度運動平臺根據上下鉸鏈的連接方式不同可分為 6-6、6-3、3-3 等結構形式其中 6-6 型結構是指上下鉸鏈點分別連接于上下平臺不同的 6 個點上，該結構應用最廣泛；6-3 型結構是指在 6-6 型結構基礎上上平臺的 6 個不同的點兩兩合并；3-3 型結構是指在 6-3 型結構基礎上下平臺 6 個不同的點兩兩合并。六自由度運動平臺根據運動副的連接形式不同可分為：6-UCU（Universal-Cylindrical-Universal）（6 表示 6 個相同結構的支路，U 表示虎克鉸，C 代表圓柱副；6-UPS（Universal-Prismatic-Spherical）（P 表示移動副，S 代表球鉸）；6-SPS（Spherical-Prismatic-Spherical）；6-RSS、6-PSS、6-TP等。圖 1-1 是典型的應用于娛樂型飛行模擬器中的六自由度并聯(lián)運動平臺。

圖 1-3 其他形式飛行模擬器運動平臺 圖 1-4 其他形式飛行模擬器運動平臺.3 飛行模擬器運動平臺發(fā)展概況飛行模擬器運動平臺按照運動自由度也可分為六自由度運動平臺和少自由度運臺，以下介紹飛行模擬器運動平臺的國內外發(fā)展情況。.3.1 六自由度并聯(lián)運動平臺的發(fā)展世界上第一臺六自由度運動平臺是在美國誕生的：Cappel 在 1962 年自主研發(fā)出六自由度運動平臺應用于輪胎檢測[7]。1965 年，德國工程師 D.Stewart 首次以論文形式提出了著名的 Stewart 機構，并將其應用于飛行模擬器運動平臺[8]，且一直沿今。1978 年，澳大利亞的 Hunt 教授主張把 Stewart 結構作為并聯(lián)機器人的主要機構[9979 年，Mac Callion. H 與 Pham. D.T.首次將該機構應用于機器人的裝配生產線上[4]
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本文編號：2869729