一种起重机模拟器体感模拟方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种起重机模拟器体感模拟方法与装置。所述方法包括闭环模拟步骤、物理量输入输出步骤、以及模糊PID控制步骤，用于在有限行程和工作空间内模拟起重机作业过程中大车、小车等行走机构产生的运动感觉，具体是指：能够模拟出与真实起重机相一致的瞬时加速度、持续加速度等运动感觉。所述装置为三自由度并联结构，包括大车横向运动，小车纵向运动以及小车倾斜补偿旋转运动。基于人体运动感知理论，通过对输入信号处理，能够有效解决起重机模拟操作过程中体感模拟的加速、减速、回中等问题。本发明专利技术有利于增加起重机模拟器的逼真度，能够满足有限行程和工作空间内模拟运动感觉的要求，对于提高模拟器质量、水平具有重要的应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及起重机模拟，具体的是一种适用于起重机模拟器三自由度运动平台的体感模拟方法。
技术介绍
三自由度并联结构，可以通过对驱动设备的控制，完成空间横向、纵向的直线运动和设定角度的旋转运动。运动平台主要应用于模拟器的体感模拟，在有限行程和工作空间内模拟起重机作业过程中大车、小车等行走机构产生的体感。目前，运动平台技术广泛的应用于飞行模拟器、环境模拟器等模拟器中，提高模拟的逼真效果。但现有的运动平台在起重机领域的应用较少，且功能不符合起重机模拟要求，以Stewart六自由度运动平台为例，该运动平台价格高，系统复杂，并且往往需要进一步改进才能满足体感模拟需求，在自由度要求少的模拟器中还会产生功能浪费。而三自由度运动平台可以满起重机模拟器的仿真要求，其简单的机械结构，便于对运动平台位姿正解的求解，提高了运动控制的准确性和稳定性。另外，起重机模拟器运动平台主要应用于驾驶员体感的模拟，与模拟器的视景系统、音频系统及模拟器操作平台的环境布置形成一个闭环系统，达到逼真的模拟效果。通过分析运动平台的运动功能及运动参数，现有的控制算法不符合起重机模拟器运动平台的控制。本专利技术根据运动平台机械结构，对运动平台进行洗出算法设计，并在控制过程采用反馈调节的方式优化控制环节参数，使运动平台在现有的空间内达到更逼真的模拟效果，提高运动平台的稳定性。中国申请号为201410631816.4的专利技术专利公布了一种三自由度运动平台，结构简单，稳定性好。但该运动平台一方面视野范围小，不符合起重机作业环境需求，另一方面，只能满足一定角度的旋转运动，难以满足起重机模拟器的瞬间加速度要求；中国申请号为201510031178.7的专利技术专利公布了一种多层闭环控制策略的Stewart六自由度运动平台飞行模拟平台，通过多层闭环控制，避免了安装、机构变形等因素造成的误差，但是该方法由于装置限制，控制复杂，且主要针对航空领域进行设计，不符合起重机模拟器功能要求。本专利技术根据真实起重机工作特点对运动平台进行设计，并根据运动平台的机械结构设计的洗出算法，机构的运动直接模拟起重机的瞬时加速度。通过倾斜角度来进行持续加速度的模拟。本专利技术中运动平台的并联结构，简化了运动平台的控制复杂度，各机构单独运动，互不干涉，避免了单驱动设备误差所造成的累积误差，提高了运动平台的位置精度，有重要的经济价值和科学意义。
技术实现思路
本文针对起重机模拟器，设计了一种并联三自由度运动平台，改进了运动平台的控制模型，使运动平台能够满足起重机模拟器的控制需求。本文所公布的运动平台，根据真实起重机的运动方式和运动参数进行设计。表1为运动平台设计所选取的起重机运动参数。表1由于人体对速度的感受不敏感，但对加速度的感受敏感。而人体所能感受的加速度阀值为0.2m/s2，根据起重机运动参数，运动平台只需在小车运动方向通过倾斜补偿来模拟运动加速度感，运动平台倾斜角度根据g·sinθ≥0.8进行设计。本专利技术所公布的运动平台由运动平台下框架、导轨架、上框架、联动台以及驱动机构组成。下框架与地面固定连接，用于承载整个平台。下框架与上框架之间依次铺设三层结构尺寸相同的导轨架(下层导轨架、中层导轨架、上层导轨架)，用于固定轨道、滑套以及驱动装置的安装。下层导轨架下侧与下框架焊接在一起，下层导轨架上侧铺设横向导轨，导轨两侧装有挡板，与中层导轨架下侧安装的滑套相配合。中层导轨架上侧铺设纵向导轨，导轨两侧装有挡板，与上层导轨架下侧安装的滑套相配合。上层导轨架上侧与上框架焊接在一起。联动台铰接在上框架上，联动台下方为滑杆机构，可以将电动缸的直线运动转换为联动台的倾斜运动。下层导轨架、中层导轨架、上层导轨架各安装一台电动缸，电动缸驱动杆与作动杆同轴相连，作动杆与中层导轨架、上层导轨架、联动台滑块之间通过联轴器连接，各运动机构互不干涉。其中所述的联动台是向操作人员提供操作功能的装置，联动台铰接在上框架上，随上框架运动而运动。联动台采用透明钢化玻璃进行铺设。其视野特点为：正前方，左右两侧及正下方。本专利技术采用数据模型来描述人体前庭系统，从而能够满足体感模拟控制过程的要求。人体前庭系统简化为半规管和耳石，半规管用于感知角速度，耳石用于感知线加速度。半规管和耳石都采用传递函数的形式建立数学模型，便于控制环节设计。根据运动平台的硬件结构，对运动平台的控制结构和洗出算法进行设计，分别建立大地坐标系、模拟器坐标系、联动台坐标系。以大地坐标系为参考，将输入物理量由起重机坐标转换到模拟器坐标，再根据体感模拟硬件系统结构转换到联动台坐标系，得到模拟器操作人员前庭处物理量。在控制过程采用反馈调节的方式优化控制环节参数，从而满足三自由度运动平台的控制需求。其中，所述的耳石模型相应传递函数为：HOTO(s)=L[f^]L[f]=k(τas+1)(τLs+1)(τss+1)]]>所述的半规管模型相应传递函数为：HSCC(s)=L[ω^]L[ω]=TLTas2(TLs+1)(Tss+1)(Tas+1)]]>本专利技术所公布的一种体感模拟方法，具体是指：用于物理量输入到体感信号输出整个过程的控制与管理，包括物理量输入、体感建模、坐标变换、倾斜补偿、反馈调节以及物理量输出等控制环节。运动平台的控制过程为：步骤一：模拟器驾驶员，通过视景系统感受到周边环境，并获得目标任务后，对运动平台发出控制指令；步骤二：通过起重机动力学模型，输入起重机机构运动的加速度，驾驶员的加速度感觉通过比力来衡量，将得到的比力形式的输入通过人体感知模型获得体感比力，通过坐标变换来确定人体感知处的物理量，即将运动平台质心加速度转换到人体前庭部位的加速度，通过高通滤波器对比力信号进行处理得到输出信号；步骤三：将输出信号通过控制模块对驱动设备进行控制，保证各运动机构在设定范围内运动；通过调整运动平台位姿，包括上层导轨架与中层导轨架的直线运动以及联动台的倾斜补偿运动；联动台铰接在上框架上，因此联动台随上框架的横向、纵向直线运动而运动，从而直接模拟起重机大车、小车运动过程中瞬时加速度；联动台按照输入旋转特定角度所产生的重力加速度分量，补偿了持续加速度运动感觉；位于联动台的模拟器驾驶员所感受的各机构运动的叠加运动，模拟出逼真的体感效果；步骤四：由模拟器动力学模型模块处理得到运动平台的运动信息后，通过真实起重机驾驶室运动信号与模拟器信号比对，得出真实体感与运动平台体感之间的体感误差；将体感误差、体感误差变化率作为输入信号，通过模糊PID控制进行反馈整定控制参数，从而优化控制环节的控制参数，优化过程通过加速度逼真度系数、加速度惩罚项系数、位移惩罚项系数以及增益惩罚项系数来迭代优化；与此同时，驾驶员在身体感知与任务的驱使下，对运动平台重新发出指令，从而构成运动平台的闭环系统；所述的体感误差及体感误差变化率是由真实起重机产生的物理量MA，通过体感模型计算求得真实起重机提供的运动感觉MR。而操作模拟器在运动过程中驾驶员感受到的运动感觉MS是操作模拟器的动感，将MS-MA所得为体感误差e，进一步可得体感误差的变化率ec。所述的体感模拟方法中，洗出算法是体感模拟方法的对信号进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种起重机模拟器体感模拟装置，其特征在于：所述装置为三自由度并联结构，包括下框架、导轨架、上框架、联动台以及驱动机构，驱动机构包括电动缸、伺服电机以及作动杆；下框架与地面固定连接，用于支撑整个平台；导轨架用于固定轨道、滑套以及驱动装置的安装，下层导轨架下侧与下框架焊接在一起，下层导轨架上侧铺设横向导轨，与中层导轨架下侧安装的滑套相配合，中层导轨架上侧铺设纵向导轨与上层导轨架下侧安装的滑套相配合，上层导轨架上侧与上框架焊接在一起；联动台铰接在上框架上，联动台下方为滑杆机构，可以将电动缸的直线运动转换为联动台的倾斜运动；下层导轨架、中层导轨架、上层导轨架各安装一台电动缸，电动缸驱动杆与作动杆同轴相连，作动杆与中层导轨架、上层导轨架、联动台滑块之间通过联轴器连接；三套驱动装置彼此独立，各运动机构互不干涉；上框架用于承载联动台、操作人员；联动台是模拟器向操作人员提供操作功能的装置，固定在上框架上，随着上框架运动而运动。

【技术特征摘要】
1.一种起重机模拟器体感模拟装置，其特征在于：所述装置为三自由度并联结构，包括下框架、导轨架、上框架、联动台以及驱动机构，驱动机构包括电动缸、伺服电机以及作动杆；下框架与地面固定连接，用于支撑整个平台；导轨架用于固定轨道、滑套以及驱动装置的安装，下层导轨架下侧与下框架焊接在一起，下层导轨架上侧铺设横向导轨，与中层导轨架下侧安装的滑套相配合，中层导轨架上侧铺设纵向导轨与上层导轨架下侧安装的滑套相配合，上层导轨架上侧与上框架焊接在一起；联动台铰接在上框架上，联动台下方为滑杆机构，可以将电动缸的直线运动转换为联动台的倾斜运动；下层导轨架、中层导轨架、上层导轨架各安装一台电动缸，电动缸驱动杆与作动杆同轴相连，作动杆与中层导轨架、上层导轨架、联动台滑块之间通过联轴器连接；三套驱动装置彼此独立，各运动机构互不干涉；上框架用于承载联动台、操作人员；联动台是模拟器向操作人员提供操作功能的装置，固定在上框架上，随着上框架运动而运动。2.根据权利要求1所述的起重机模拟器体感模拟装置，其特征在于具体尺寸参数为：下框架高度1190mm，下框架前后支点跨度1730mm，下框架左右支点跨度1525mm，中层导轨架下方安装的横向滑套的间距为1400mm，上层导轨架下方安装的纵向滑套间距为1570mm；上框架高度915mm，上框架外伸450mm处为联动台铰接点；联动台左右宽度1125mm，前后长700mm，高915mm，铰接点到联动台下方推杆的垂直距离为1030mm，联动台下方电动缸作动杆最大伸缩量正负110mm；运动平台横向行程为60mm，纵向行程80mm，联动台最大倾斜角正负6度。3.一种使用如权利要求1或者2所述的起重机模拟器体感模拟装置的起重机模拟器体感模拟方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：模拟器驾驶员，通过视景系统感受到周边环境，并获得目标任务后，对运动平台发出控制指令；步骤二：通过起重机动力学模型，输入起重机机构运动的加速度，驾驶员的加速度感觉通过比力来衡量，将得到的比力形式的输入通过人体感知模型获得体感比力，通过坐标变换来确定人体感知处的物理量，即将运动平台质心加速度转换到人体前庭部位的加速度，通过高通滤波器对比力信号进行处理得到输出信号；步骤三：将输出信号通过控制模块对驱动设备进行控制，保证各运动机构在设定范围内运动；通过调整运动平台位姿，包括上层导轨架与中层导轨架的直线运动以及联动台的倾斜补偿运动；联动台铰接在上框架上，因此联动台随上框架的横向、纵向直线运动而运动，从而直接模拟起重机大车、小车运动过程中瞬时加速度；联动台按照输入旋转特定角度所产生的重力加速度分量，补偿了持续加速度运动感觉；位于联动台的模拟器驾驶员所感受的各机构运动的叠加运动，模拟出逼真的体感效果；步骤四：由模拟器动力学模型模块处理得到运动平台的运动信息后，通过真实起重机驾驶室运动信号与模拟器信号比对，得出真实体感与运动平台体感之间的体感误差；将体感误差、体感误差变化率作为输入信号，通过模糊PID控制进行反馈整定控制参数，从而优化控制环节的控制参数，优化过程通过加速度逼真度系数、加速度惩罚项系数、位移惩罚项系数以及增益惩罚项系数来迭代优化；与此同时，驾驶员在身体感知与任务的驱使下，对运动平台重新发出指令，从而构成运动平台的闭环系统；模糊PID控制的具体步骤为：真实起重机产生的物理量为MA，经过体感模型计算得到的真实起...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆后军，郭贵辉，苌道方，胡继宝，林丹萍，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：上海;31