一种持续载荷模拟器多轴耦合运动奇异性控制方法技术

本发明专利技术公开了一种持续载荷模拟器多轴耦合运动奇异性控制方法，包括以下步骤：S1：建立模拟器的轴运动数学关系；S2：在姿态控制的雅克比中将主臂与其他转轴进行解耦合；S3：对当前结果进行奇异程度的量化；S4：对奇异程度量化进行快速求解；S5：解算出奇异程度量化结果后，设计奇异控制模块。本发明专利技术在充分利用轴运动行程的情况下，进行了奇异点的过渡。通过控制指令比例缩小的方式来避免奇异点的附近因为轴机械范围限制而出现突变的情况，从而提高飞行模拟的平稳性和逼真度。

【技术实现步骤摘要】
一种持续载荷模拟器多轴耦合运动奇异性控制方法
本专利技术属于载荷模拟器
，具体涉及一种持续载荷模拟器多轴耦合运动奇异性控制方法。
技术介绍
随着航空技术的发展和战机机动性能的提升，加速度意识丧失(G-Loc)和空间定向障碍(SD)问题日益突出，已成为危害世界各国飞行安全的主要因素。针对此类问题，目前世界各主要航空大国都采用载人离心机进行训练。随着载人离心机的快速发展以及飞行训练科目对装备的需求，现在的载人离心机不仅仅是提供持续过载的模拟，还在向着全姿态模拟的方向快速发展，是一种能够提供持续载荷的飞行模拟器。三轴载人离心机控制姿态只有两个轴，不能实现全姿态的飞行模拟，更多轴的持续载荷模拟器应运而生，在四、五、六轴持续载荷模拟器上，可以通过俯仰、滚转和偏航三个转动框来实现对座舱姿态的控制。当姿态控制的转轴增加到三个时，增加了很多控制计算上的问题，万向锁的问题就是其中一个，万向锁在更广泛的数学意义上属于奇异性概念。万向锁和奇异性的关系是在万向锁是针对多框嵌套这种万向架的结构下的奇异问题。万向锁的数学直观解释是控制矩阵不满秩，呈现奇异性，在求逆运动的时候出现无解的情况。例如在外框为偏航，中框为滚转，内框为俯仰的结构下，如果中框转到90°时，外框和内框都将只改变座舱的俯仰状态，无法通过轴运动改变座舱的偏航姿态，这时，关于座舱的姿态控制就丢失了一个自由度。现有的持续载荷模拟器研究也没有关于多轴耦合的奇异性问题研究。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种持续载荷模拟器多轴耦合运动奇异性控制方法，用于解决上述现有技术中存在的技术问题之一，如：现有技术中，现有的持续载荷模拟器研究也没有关于多轴耦合的奇异性问题研究。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种持续载荷模拟器多轴耦合运动奇异性控制方法，包括以下步骤：S1：建立模拟器的轴运动数学关系；S2：在姿态控制的雅克比中将主臂与其他转轴进行解耦合；S3：对当前结果进行奇异程度的量化；S4：对奇异程度量化进行快速求解；S5：解算出奇异程度量化结果后，设计奇异控制模块。进一步的，步骤S1具体如下：依据持续载荷模拟器的运动轴连接情况，构建运动学雅克比矩阵，用数学的方法直观表示轴转速和座舱转速之间的运动学关系。进一步的，步骤S2具体如下：在姿态控制的雅克比中需要将主臂与其他转轴进行解耦合，处理方法为如下：其中v是末端的速度，ω是末端的角速度，Jli第i个关节与平移相关的雅克比转换矩阵，Jai第i个关节与角运动相关的雅克比转换矩阵，是第i个运动关节的速度；所以与主轴解耦之后的其他轴运动控制的雅克比矩阵可以表示为：其中Jli第i个关节与平移相关的雅克比转换矩阵，Jai第i个关节与角运动相关的雅克比转换矩阵。进一步的，步骤S3具体如下：对当前结果进行奇异程度的量化，选用矩阵的条件数作为奇异程度量化标准；条件数的定义：cond(A)v＝||A-1||v||A||v，其中(v＝1,2或∞)；其中谱条件数为：条件数越大，代表当前各个轴的转动位置越接近奇异点。进一步的，步骤S4具体如下：奇异控制采用近似的求解方法，采用条件数的倒数和中间框的角度的齐次关系拟合来快速求解条件数；其中ki表示对应阶次的系数，β为将当前中框转角θ映射到范围内的坐标值；选择一次拟合关系：其中进一步的，步骤S5具体如下：快速估算出当前位置的奇异程度量化结果后，就需要对当前解算的速度输出进行奇异控制；其中，奇异控制模块在整个运动控制结构中的位置为：首先角速度输入至逆运动解算模块进行逆运动解算，然后输入至奇异性控制模块进行奇异性控制；然后奇异性控制信号一方面输入至正运动解算模块进行正运动解算，然后输入至输出比较模块；奇异性控制信号另一方面输入至速度积分器模块解算角位置，然后将角位置一方面输入至逆运动计算模块进行逆运动解算，将角位置另一方面输入至奇异量化模块进行奇异量化，然后在输入至奇异性控制模块；奇异性控制模块的主要功能是以奇异量化结果为依据对逆运动解算结果进行比例限幅输出；建立比例系数和条件数的关系如下：其中K为限幅比例系数，nc为条件数，a、b为参数；以轴运动的限速和限幅作为更高一层的安全限制，奇异控制模块的结构为：转动位置经过条件数计算模块的计算后得出实时条件数，并将实时条件数输入至奇异性控制模块；逆运动解算模块的逆运动解算结果也输入至奇异性控制模块；周运动限速和限幅也输入至奇异性控制模块；最后奇异性控制模块输出控制输出信号；轴运动的控制指令有Lm和Ls两个限制条件；Lm是轴运动的机械特性限制，各个轴的设计运动参数；Ls为基于条件数的奇异性解算限制；轴运动输出控制指令可以表示为：c内外＝min{Lm,Ls·ci}；中框可根据需要进行设定；c中＝min{Lm,c}。与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果为：本方案的一个创新点在于，在充分利用轴运动行程的情况下，进行了奇异点的过渡。通过控制指令比例缩小的方式来避免奇异点的附近因为轴机械范围限制而出现突变的情况，从而提高飞行模拟的平稳性和逼真度。本方案的一个创新点在于，利用当前结构下的条件数拟合的方式实现在实时解算的场景下对结构奇异程度的快速估计，提升控制算法对奇异问题的处理速度，提高模拟效果。本方案的一个创新点在于，在保证逼真度的同时实现控制系统的奇异区域过渡，最大限度地利用轴运动行程。本方案的一个创新点在于，通过雅克比矩阵右乘向量的拆分，实现主臂与姿态框的解耦。该方案可以应用于其他机器人中部分关节因他用或故障等原因出现无法控制情况下的处理方法；通过雅克比矩阵条件数实现对持续载荷模拟器结构下运动奇异位形的衡量，使得持续载荷模拟器结构在不同位置的奇异性能够被量化处理；条件数能够量化机械结构的奇异性，但是实时运算量比较大，通过条件数倒数的齐次拟合实现对条件数的近似估计，从而降低奇异控制模块的运算量；更大范围地，对于任意的串联或者并联机械结构，一旦结构确定，也就是各个轴之间的运动关系确定，那么描述这个结构的雅克比矩阵就确定了，可以通过对该雅克比矩阵进行条件数分析建立条件数与轴位置之间的关系，从而提高条件数的实时计算效率，降低系统的运算量；奇异过渡模型的基本结构，利用轴的固有机械特性和当前轴位置对持续载荷模拟器奇异进行过渡控制，在奇异性逐渐增加或减小的情况下，避免了大部分指令输出的突然限幅，充分利用了轴运动范围。附图说明图1是本专利技术具体实施方式的奇异控制模块在整个运动控制结构中的位置示意图。图2是本专利技术具体实施方式的奇异性控制模块结构示意图。图3是本专利技术具体实施方式的步骤流程示意图。具体实施方式下面结合本专利技术的附图1-3，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种持续载荷模拟器多轴耦合运动奇异性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：建立模拟器的轴运动数学关系；/nS2：在姿态控制的雅克比中将主臂与其他转轴进行解耦合；/nS3：对当前结果进行奇异程度的量化；/nS4：对奇异程度量化进行快速求解；/nS5：解算出奇异程度量化结果后，设计奇异控制模块。/n

【技术特征摘要】
1.一种持续载荷模拟器多轴耦合运动奇异性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立模拟器的轴运动数学关系；
S2：在姿态控制的雅克比中将主臂与其他转轴进行解耦合；
S3：对当前结果进行奇异程度的量化；
S4：对奇异程度量化进行快速求解；
S5：解算出奇异程度量化结果后，设计奇异控制模块。


2.如权利要求1所述的一种持续载荷模拟器多轴耦合运动奇异性控制方法，其特征在于，步骤S1具体如下：
依据持续载荷模拟器的运动轴连接情况，构建运动学雅克比矩阵，用数学的方法直观表示轴转速和座舱转速之间的运动学关系。


3.如权利要求2所述的一种持续载荷模拟器多轴耦合运动奇异性控制方法，其特征在于，步骤S2具体如下：
在姿态控制的雅克比中需要将主臂与其他转轴进行解耦合，处理方法为如下：



其中v是末端的速度，ω是末端的角速度，Jli第i个关节与平移相关的雅克比转换矩阵，Jai第i个关节与角运动相关的雅克比转换矩阵，是第i个运动关节的速度；
所以与主轴解耦之后的其他轴运动控制的雅克比矩阵可以表示为：



其中Jli第i个关节与平移相关的雅克比转换矩阵，Jai第i个关节与角运动相关的雅克比转换矩阵。


4.如权利要求3所述的一种持续载荷模拟器多轴耦合运动奇异性控制方法，其特征在于，步骤S3具体如下：
对当前结果进行奇异程度的量化，选用矩阵的条件数作为奇异程度量化标准；条件数的定义：
cond(A)v＝||A-1||v||A||v，其中(v＝1,2或∞)；
其中谱条件数为：



条件数越大，代表当前各个轴的转动位置越接近奇异点。


5.如权利要求4所述的一种持续载荷模拟器多轴耦合运动奇异性控制方法，其特征在于，步骤S4具体如下...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗鹏，胡荣华，舒杨，白俊林，刘婷婷，宋琼，陈文颖，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院总体工程研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51