隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展，飛行模擬器也開始不斷更新?lián)Q代，能夠越來越真實(shí)地復(fù)現(xiàn)飛行器以及空中環(huán)境，為不同用途不同群體的航空駕駛員提供了學(xué)習(xí)飛行知識，提高飛行技巧的安全途徑，減少了飛行訓(xùn)練中遇到資金、場地、天氣與安全性等問題的制約，其理論價(jià)值與實(shí)際意義得到了世界各國和各大航空公司的重視�；谝陨锨闆r，我國也在加強(qiáng)對飛行模擬器的相關(guān)幵發(fā)與研究工作。經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，飛行模擬器的各項(xiàng)技術(shù)逐漸趨于成熟，尤其是近年來民航事業(yè)發(fā)展迅速，使得地面模擬飛行已經(jīng)成為民航客機(jī)飛行員的訓(xùn)練必修科目。但現(xiàn)有的飛行模擬器仍難以滿足戰(zhàn)斗機(jī)駕駛員的特殊訓(xùn)練要求，尤其是近年來戰(zhàn)斗機(jī)的生產(chǎn)能力和技術(shù)開始積極擴(kuò)散，第三代、第四代戰(zhàn)斗機(jī)具備的高機(jī)動性與敏捷性的性能指標(biāo)，向新型飛行模擬器的研發(fā)提出了更高的要求。本文利用冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)方面的特殊性質(zhì)，設(shè)計(jì)出大姿態(tài)角戰(zhàn)斗機(jī)飛行運(yùn)動模擬器。為探索戰(zhàn)斗機(jī)高機(jī)動飛行動作的模擬實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)新型飛行模擬器主從操作系統(tǒng)，探討飛行模擬器的運(yùn)動特性，設(shè)計(jì)合理有效的運(yùn)動方式和控制策略，對飛行動作實(shí)行實(shí)時(shí)精確遙控，使模擬器的飛行姿態(tài)具備可操作性，為新型飛行模擬器的實(shí)用化研究提供理論依據(jù)。

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2新型飛行模擬器主從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與位置分析

2.1運(yùn)動模擬器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與位置分析

作為系統(tǒng)從手的運(yùn)動模擬器是飛行仿真的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，目前在運(yùn)動機(jī)構(gòu)的主體選擇上通常有兩個(gè)選項(xiàng)：串聯(lián)型的運(yùn)動模擬器具有較大的轉(zhuǎn)動空間，但受限于機(jī)構(gòu)的剛度約束，往往只能應(yīng)用于少自由度的運(yùn)動平臺；采用并聯(lián)構(gòu)型的運(yùn)動模擬器與之相比，具有結(jié)構(gòu)剛度大、位置精度高、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，Stewart平臺作為其中的典型代表，在各國研制的六自由度飛行模擬器中得到廣泛應(yīng)用。飛行器技術(shù)發(fā)展對運(yùn)動模擬提出了更高的要求，而Stewart平臺受限于結(jié)構(gòu)，只能在空間內(nèi)做有限的俯仰、翻滾和偏轉(zhuǎn)動作，轉(zhuǎn)角活動的范圍通常不大于正負(fù)35度。為模擬高機(jī)動性能的飛行器動作，本文提出一種具備大姿態(tài)轉(zhuǎn)角的冗余驅(qū)動并聯(lián)機(jī)構(gòu)，作為新型飛行模擬器的運(yùn)動主體。

2.2手控器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與位置分析

手控器是力覺臨場感技術(shù)的交互設(shè)備，是操作者直接接觸的裝置，在本系統(tǒng)中將負(fù)責(zé)操作者與運(yùn)動模擬器之間的信息傳遞，其作用可以歸結(jié)為：作為操作者動作的測量系統(tǒng)，通過測量操作者手部運(yùn)動作為控制運(yùn)動模擬器運(yùn)作的依據(jù)；操作反餓力的發(fā)生源，根據(jù)控制信號產(chǎn)生作用于人手的指定力覺信息，協(xié)助操作者判斷運(yùn)動模擬器的運(yùn)動情況，以決定下一步的操作任務(wù)。

3從手的工作空間與運(yùn)動規(guī)劃研究........25

3.1影響工作空間大小的因素..........25 
4主手的力反饋控制方法研究..........49
4.1動力學(xué)模型的建立..........49
4.2仿真模型與修正................51 
5主從控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)...........65
5.1主從控制策略..........65
5.2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)......... 67

5主從控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1主從控制策略

關(guān)節(jié)控制方式通常運(yùn)用于主從手構(gòu)型和運(yùn)動副分配相同或類似的情況中[60],此時(shí)主手和從手運(yùn)動副往往只存在運(yùn)動范圍大小的差距，可以通過簡單地映射實(shí)現(xiàn)兩者的對應(yīng)控制。笛卡爾空間控制需要應(yīng)用到運(yùn)動學(xué)的求解，使主從手在各自的笛卡爾運(yùn)動空間內(nèi)形成映射和對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)主手在笛卡爾空間內(nèi)作出運(yùn)動時(shí)，通過其關(guān)節(jié)變量進(jìn)行運(yùn)動學(xué)正解，可以獲得主手旳位姿，由此根據(jù)主從手運(yùn)動空間映射關(guān)系推導(dǎo)出從手的對應(yīng)位姿，再對從手機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)反解即可獲得相應(yīng)的關(guān)節(jié)變量，從而實(shí)現(xiàn)主從的對應(yīng)控制。具體過程如圖5-2所示。

5.2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

同樣按照上位機(jī)與下位機(jī)的模塊分類對其進(jìn)行討論，其中上位機(jī)模塊主要由高性能的PC機(jī)及其附屬設(shè)備構(gòu)成，作為上層管理系統(tǒng)，上位機(jī)模塊沒有傳感與執(zhí)行器部分，工作主要負(fù)責(zé)通過輸入輸出設(shè)備向用戶提供系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，從下位機(jī)端接收系統(tǒng)的各種狀態(tài)信息，按照系統(tǒng)軟件的內(nèi)部算法對狀態(tài)信息進(jìn)行處理，再把處理生成的控制系統(tǒng)各自發(fā)送到下位機(jī)。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的不斷提高，選用髙性能的PC機(jī)作為上位機(jī)主體，己經(jīng)能夠勝任各種操作系統(tǒng)的幵發(fā)要求，在數(shù)據(jù)處理方面能夠快速準(zhǔn)確地完成主從機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)正反解，主手動力學(xué)逆解和相應(yīng)控制算法，具備良好的軟件兼容性和人機(jī)交互界面，同時(shí)加上多種通訊總線資源，使得系統(tǒng)具有良好的開放性，能夠滿足相應(yīng)的系統(tǒng)幵發(fā)工作。下位機(jī)模塊是主從操作系統(tǒng)的運(yùn)動主體，對主手和從手的研究理論是否可以得到驗(yàn)證，需要選擇合適的硬件設(shè)計(jì)來支持，下面針對主手和從手的任務(wù)需求分別進(jìn)行具體的硬件選型設(shè)計(jì)，確保主從操作的運(yùn)動效果。

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6總結(jié)

通過上述研究獲得了以下成果：(1)根據(jù)項(xiàng)目需求設(shè)計(jì)了主從操作系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)主體：其中作為系統(tǒng)從手的運(yùn)動模擬器，在設(shè)計(jì)上采用了具有大工作角度的冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)；作為系統(tǒng)主手的手控器，則選擇了運(yùn)動精度高、力學(xué)性能優(yōu)越的混聯(lián)機(jī)構(gòu)。同時(shí)對兩種機(jī)構(gòu)進(jìn)行了位置分析，為運(yùn)動控制的實(shí)現(xiàn)提供理論基礎(chǔ)。(2)研究了運(yùn)動模擬器的工作空間，并基于空間分析探討了模擬器的運(yùn)動規(guī)劃問題。通過在笛卡爾空間進(jìn)行規(guī)劃來保證運(yùn)動軌跡與關(guān)節(jié)空間的連續(xù)對應(yīng)，同時(shí)為了充分利用機(jī)構(gòu)的工作空間，，提出了通過改變驅(qū)動關(guān)節(jié)多解組合的方法來實(shí)現(xiàn)多解空間的穿行，并按自由度是否受限的情況對機(jī)構(gòu)運(yùn)動進(jìn)行了具體的分析規(guī)劃，確定了從手機(jī)構(gòu)運(yùn)動的控制算法。(3)就主手力反餓功能的實(shí)現(xiàn)展幵了研究，對手控器的實(shí)體建立動力學(xué)模型，通過導(dǎo)入動力學(xué)參數(shù)，對實(shí)體尺寸參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定補(bǔ)償?shù)确绞剑赟imMechanics虛擬環(huán)境中對動力學(xué)模型進(jìn)行了完善，并通過補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了仿真模型的準(zhǔn)確性，最終在模型基礎(chǔ)上加入碰揸模塊，獲得了能夠根據(jù)具體情況驅(qū)使手控器生成反饋力的控制方法。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：36418