一种持续载荷模拟器运动奇异性滤波控制方法技术

本发明专利技术公开了一种持续载荷模拟器运动奇异性滤波控制方法，包括以下步骤：S1：获取模拟器的求逆运动学关系，得到需要的理论轴运动物理量，理论轴运动物理量作为奇异控制模块的输入；S2：设定奇异控制模块的结构，并将理论轴运动物理量输入至奇异控制模块结构中；S3：设定奇异控制滤波器模块，并将奇异控制滤波器模块接入奇异控制模块结构中；S4：设定奇异控制滤波器模块中滤波器的阶次和结构；S5：设定奇异控制滤波器模块中滤波器的时变参数。本发明专利技术基于人体感知的奇异控制方法，能直观从人体感知仿真结果对比对轴运动奇异性的控制效果进行分析，避免为了使得绝对物理量上近似而付出多余的控制消耗。

【技术实现步骤摘要】
一种持续载荷模拟器运动奇异性滤波控制方法
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运动奇异性滤波控制方法。
技术介绍
随着航空技术的发展和战机机动性能的提升，加速度引起的意识丧失(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持续载荷模拟器进行训练。在运动模拟装备领域，Stewart平台也有着广泛的应用，但是持续载荷模拟器在运动感知模拟上有着更大的优势，比如能够实现持续高过载的模拟，采用万向架结构的转动框能够模拟空中的任意姿态。但是万向架结构相比于Stewart在奇异问题性上也更加突出，奇异性直接表现形式为，在接近奇异位形时，为了模拟座舱较小的运动需求，部分轴的运动逆解会变得非常大的情况，给控制轴运动的电机带来了很大的挑战，当处于奇异位形时，会出现自由度丢失，无法实现某些自由度的模拟。长期将超出轴运动能力的控制指令直接发送给电机控制器会影响到电机的正常运行，所以在控制算法设计上需要在指令发送给电机之前就进行处理。如果根据电机的运动能力直接进行机械限幅操作，轴运动的模拟效果会比较不理想，所以需要对轴运动奇异性问题的控制算法进行设计。针对持续载荷模拟器结构下的奇异性问题目前没有公开的相关研究。奇异性问题在持续载荷模拟器轴运动控制中的主要表现为：1、当结构处于奇异点时，座舱可控的实际操作自由度减少，无法通过控制逆解算来实现某些需要模拟的姿态和过载分量；2、接近奇异点状态时，为了模拟某方向上一个小的转动，需要部分关节急剧运动，容易引起控制失控，超出转轴的运动限制。针对奇异问题的处理，在持续载荷模拟器结构中，如果控制量达到在某些特定的位形时，将出现自由度丢失的问题，此时无论其他轴如何运动，都无法模拟出需要模拟的运动感知。
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运动奇异性滤波控制方法，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，奇异性问题在持续载荷模拟器轴运动控制中的主要表现为：1、当结构处于奇异点时，座舱可控的实际操作自由度减少，无法通过控制逆解算来实现某些需要模拟的姿态和过载分量；2、接近奇异点状态时，为了模拟某方向上一个小的转动，需要部分关节急剧运动，容易引起控制失控，超出转轴的运动限制。针对奇异问题的处理，在持续载荷模拟器结构中，如果控制量达到在某些特定的位形时，将出现自由度丢失的问题，此时无论其他轴如何运动，都无法模拟出需要模拟的运动感知。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运动奇异性滤波控制方法，包括以下步骤：S1：获取模拟器的求逆运动学关系，得到需要的理论轴运动物理量，理论轴运动物理量作为奇异控制模块的输入；S2：设定奇异控制模块的结构，并将理论轴运动物理量输入至奇异控制模块结构中；S3：设定奇异控制滤波器模块，并将奇异控制滤波器模块接入奇异控制模块结构中；S4：设定奇异控制滤波器模块中滤波器的阶次和结构；S5：设定奇异控制滤波器模块中滤波器的时变参数。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：将理论轴运动物理量一方面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生成奇异性控制信号，然后输入至轴运动控制模块进行轴运动控制，轴运动控制模块第一输出端输入至逆运动解算模块构成闭环，轴运动控制模块第二输出端先输入至奇异量化模块再到奇异性控制模块构成闭环，轴运动控制模块第三输出端输入至正运动解算模块进行正运动解算，然后输入至人体感知模型模块进行人体感知模拟；将理论轴运动物理量另一方面直接输入至人体感知模型模块；将人体感知模型模块输出的人体感知模拟与人体感知输出进行综合评价，然后输出奇异控制评价结果。进一步的，步骤S3具体如下：步骤S2中，奇异性控制模块具体如下：逆运动解算模块的逆运动输出量输入至奇异性控制滤波器，奇异量化模块的奇异程度输出量通过时变参数控制后输入至奇异性控制滤波器，奇异性控制滤波器的运动控制输出量通过机械限幅后输入至轴运动控制模块；奇异性控制滤波器包括依次排布的外框低通滤波器、中框低通滤波器和内框低通滤波器。进一步的，步骤S4具体如下：经过综合分析，根据系统要求采用二阶低通滤波器，二阶滤波器的状态空间方程为：y(t)＝Cx1(t)；其中；fω(t)为控制系统的时变参数，是随着时间变化的量，ξ为阻尼系数；是输入矩阵；C＝[10]是输出矩阵。进一步的，步骤S5具体如下：在奇异位形附近，逆结算输出指令信号中，会突然增加许多高频信号，这部分高频信号需要被过滤掉，此时需要降低滤波器的截止频率；条件数是截止频率时变函数的因变量，递进关系如下：t→{q1,q2,…,qn}→nc→ω；也就是各个运动关节随着时间变化，同时导致条件数的变化，由条件数的变化实时对截止频率进行解算；经过对滤波目的和求逆运动解算输出指令的趋势分析，可以建立角速度的奇异控制关系，即时变滤波器中的时变函数为：其中ω0是奇异位形的最低的低通滤波频率，nc为条件数，量化当前位形的奇异程度，a、b为关系参数，关系参数可以结合具体模拟运动数据和模拟器结构进行设定，滤波器的阻尼系数设置为0.7。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，基于人体感知的奇异控制方法，能直观从人体感知仿真结果对比对轴运动奇异性的控制效果进行分析，避免为了使得绝对物理量上近似而付出多余的控制消耗。本方案的一个创新点在于，以时变滤波器的方式对逆运动解算进行滤波控制，过滤掉因奇异产生的高频轴运动控制信号，在保证模拟逼真度的同时实现对系统奇异性的有效控制。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结构示意图。图2是本专利技术具体实施方式的飞行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时变二阶滤波器的仿真实现结构示意图。图4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1-4，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例：针对持续载荷模拟器结构下的奇异性问题目前没有公开的相关研究，但是在其他领域如机器人，机械臂等已有一些关于奇异性的研究。然而因为持续载荷模拟器结构和控制目的与机器人有一定的区别，所以针对奇异性的处理的需求也不一样。主要体现在以下几个方面：1、结构上，持续载荷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种持续载荷模拟器运动奇异性滤波控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：获取模拟器的求逆运动学关系，得到需要的理论轴运动物理量，理论轴运动物理量作为奇异控制模块的输入；/nS2：设定奇异控制模块的结构，并将理论轴运动物理量输入至奇异控制模块结构中；/nS3：设定奇异控制滤波器模块，并将奇异控制滤波器模块接入奇异控制模块结构中；/nS4：设定奇异控制滤波器模块中滤波器的阶次和结构；/nS5：设定奇异控制滤波器模块中滤波器的时变参数。/n

【技术特征摘要】
1.一种持续载荷模拟器运动奇异性滤波控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取模拟器的求逆运动学关系，得到需要的理论轴运动物理量，理论轴运动物理量作为奇异控制模块的输入；
S2：设定奇异控制模块的结构，并将理论轴运动物理量输入至奇异控制模块结构中；
S3：设定奇异控制滤波器模块，并将奇异控制滤波器模块接入奇异控制模块结构中；
S4：设定奇异控制滤波器模块中滤波器的阶次和结构；
S5：设定奇异控制滤波器模块中滤波器的时变参数。


2.如权利要求1所述的一种持续载荷模拟器运动奇异性滤波控制方法，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运动奇异性滤波控制方法，其特征在于，步骤S2具体如下：
将理论轴运动物理量一方面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生成奇异性控制信号，然后输入至轴运动控制模块进行轴运动控制，轴运动控制模块第一输出端输入至逆运动解算模块构成闭环，轴运动控制模块第二输出端先输入至奇异量化模块再到奇异性控制模块构成闭环，轴运动控制模块第三输出端输入至正运动解算模块进行正运动解算，然后输入至人体感知模型模块进行人体感知模拟；
将理论轴运动物理量另一方面直接输入至人体感知模型模块；
将人体感知模型模块输出的人体感知模拟与人体感知输出进行综合评价，然后输出奇异控制评价结果。

<...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗鹏，黎启胜，胡荣华，尹鹏，白俊林，刘婷婷，王鹏飞，
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