联合仿真平台下飞行模拟器Stewart平台及其负载控制研究

２０１５年２月　机床与液压　ＭＡＣＨＩＮＥ　Ｔ０ＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ　Ｆｅｂ．２０１５　Ｖｏ１．４３　Ｎｏ．３　第４３卷第３期　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１５．０３．０１９　联合仿真平台下飞行模拟器Ｓｔｅｗａｒｔ平台及其负载控制研究　刘志星，潘春萍，王宇，张旺，左泽谦　（空军航空大学军事仿真技术研究所，吉林长春１３００２２）　摘要：针对负载变化对飞行模拟器Ｓｔｅｗａｒｔ平台控制的影响，运用机械动力学软件ＡＤＡＭＳ对飞行模拟器Ｓｔｅｗａｒｔ平台及　其负载进行动力学建模，并与ＭＡＴＬＡＢ软件建立联合仿真平台，并进行仿真分析，得到了有无负载及负载变化时飞行模拟　器的运动轨迹，分析了对ＰＩＤ控制参数的影响，最终求得了质心允许偏离设定位置的范围，其仿真数据为实际控制和机械　设计提供了理论依据。　关键词ｉ飞行模拟器；联合仿真；ＰＩＤ　中图分类号：ＴＰ３９１．９　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１—３８８１（２０１５）３－０７２—４　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｆｌｉｇｈｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ　Ｓｔｅｗａｒｔ　Ｐｌａｔｆｏｒｍ　ａｎｄ　ｉｔｓ　Ｌｏａｄ　ｂｙ　Ｊｏｉｎｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ＬＩＵ　Ｚｈｉｘｉｎｇ，ＰＡＮ　Ｃｈｕｎｐｉｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｙｕ，ＺＨＡＮＧ　Ｗａｎｇ，ＺＵＯ　Ｚｅｑｉａｎ　（Ｍｉｌｉｔａｒｙ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＰＬＡ　Ａｉｒ　Ｆｏｒｃｅ　Ａｖｉａｔｉｏｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．　Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｊｉｌｉｎ　１　３００２２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｅｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｌｏａｄ　ｃｈａｎｇｅｄ　ｏｎ　Ｓｔｅｗａｒｔ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｏｆ　ｆｌｉｉｇｈｔ　ｓｉｍｕｌａｔｏｒ，ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｆｌｉｇｈｔ　ｓｉｍｕｌａｔｏｒ　Ｓｔｅｗａｒｔ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｌｏａｄ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＡＤＡＭＳ．Ｔｈｅ　ｊｏｉｎｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｆｏｒ　ｓｉｍ—　ｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗｉｔｈ　ＭＡＴＬＡＢ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｐｏｒｔ　ｔｒａｊｅｅｔｏｒｙ　ｏｆ　ｌｆｉｇｈｔ　ｓｉｍｕｌａｔｏｒ　ｗａｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｌｏａｄ　ｏｒ　ｎｏ　ｌｏａｄ　ａｎｄ　ｌｏａｄ　ｃｈａｎｇｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｅｖｅｎｔｕａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｄｅｖｉａｔｉｏｎ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｓｅｔ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｃｅｎｔｒｏｉｄ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ，ａｎｄ　ｉｔｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｄａｔａ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ａ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｌｉｇｈｔ　ｓｉｍｕｌａｔｏｒ；Ｊｏｉｎｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＰＩＤ　０前言　立控制仿真模型，运用接口文件进行机械系统和控制　系统的联合仿真，研究负载对飞行模拟器的Ｓｔｅｗａｒｔ　平台控制的影响。　飞行模拟器在现代飞行训练及处理故障，对飞机　性能、飞机操纵品质、机载系统性能进行分析和研究　中有着重要的作用。世界上许多国家因其安全、可　靠、经济、方便、工作效率高且不受场地和气候条件　的限制等优点争相发展相关技术，以提高飞行模拟器　的平稳性和逼真度。目前飞行模拟器的运动系统大多　１构造Ｓｔｅｗａｒｔ平台及其负载ＡＤＡＭＳ机械系统样　机模型　ＡＤＡＭＳ是机械系统动态仿真软件的应用软件，　由美国机械动力公司开发．用户可以运用该软件非常　方便地对虚拟样机进行静力学、动力学和运动学分　析．通过建立参数化的模型可以进行试验设计和优化　分析。由于Ｓｔｅｗａｒｔ平台及其负载的动力学数学建模　比较困难．这里直接在ＡＤＡＭＳ中建立动力学模型，　不仅降低了建模的难度，也提高了模型的准确度。　１．１模型的建立　首先要设置ＡＤＡＭＳ的工作环境，仿真时系统的　采用Ｓｔｅｗａｒｔ平台，与传统的串联机构相比较具有负　载能力强、高速高精度、刚度大、运动惯量低等优　点，从控制方面看它是一个结构模型复杂的强耦合、　变负载、非线性的多变量系统。　近年来控制系统的设计中都将变负载当作扰动处　理，这就简化了建模和控制难度，但也致使控制不够　准确，在实际控制中出现了控制精度不高，甚至出现　了不可控的现象，增加了实际的调试和控制难度。　Ｓｔｅｗａｒｔ平台在实际应用中，基本都是基于关节空间　控制的．而在任务空间的控制只是在理论研究阶段．　因此针对在关节空间下Ｓｔｅｗａｒｔ平台控制的研究对实　际控制有着一定的指导和实践意义。文中利用机械动　力学系统仿真软件ＡＤＡＭＳ建立飞行模拟器Ｓｔｅｗａｒｔ平　台及其载荷的虚拟样机模型，运用ＭＡＴＬＡＢ软件建　工作运动环境对各种特性产生至关重要的影响，必须　认真设置防止小错误导致最终仿真的失败。文中选用　国际单位体系ＭＭＫＳ．在主工具箱窗口最下面的“Ｉ—　ＣＯＩＬＳ”对话框中设置包括重力在内的其他参数。　之后建立Ｓｔｅｗａｒｔ及其负载的模型．其中上平台　通过球面副与液压缸活塞杆连接．下平台通过球面副　与液压缸体连接，平台结构基本上是对称分布，各个　收稿日期：２０１４—０１－０８　作者简介：刘志星（１９８９一），男，硕士研究生，主要从事飞行器仿真的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｚｘｙｗｚｑ一２５８０＠１６３．ｃｏｒｎ。　第３期　１一基座关节力矩　２一基座关节孙野等：六自由度机械臂运动学及工作空间分析　３一肩关节　ｓ＿＿腕关节　・８１・　起始端，控制灵敏度相对较高；机械臂关节的角速度　越快，所需的驱动力矩就越大，力矩曲线的平稳性也　将变差；通过机械臂运动过程中基座的受力分析，得　到了工作过程中的最大受力及其转角的关系，为下一　４一肘关节步轨迹优化及力学研究做好了准备。　参考文献：　［１］王殿君，刘淑晶，赵化启．机械手可达空间的仿真技术研　究［Ｊ］．机床与液压，２００６，３４（２）：２０５－２１０．　［２］曾孔庚．工业机器人技术发展趋势［Ｊ］．机器人技术与应　用，２００６（６）：１０－１３．　［３］王国权．虚拟试验技术［Ｍ］．北京：电子工业出版社，　２００４．　图１１基座所受力矩与各个关节角度变化曲线　［４］王国强，张**．虚拟样机技术及其在ＡＤＡＭＳ上的实践　５结束语　［Ｍ］．西安：西北工业大学出版社，２００２．　通过运动学分析，获得了六自由度机械臂末端执　［５］熊有伦，丁汉，刘恩沧．机器人学［Ｍ］．北京：机械工业出　行器的位姿矩阵．并且通过计算和仿真验证了该位姿　版社．１９９５．　矩阵的正确性。　［６］ＮＩＫＵ　Ｓａｅｅｄ　Ｂ．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　Ｒｏｂｏｔｉｃｓ：Ａｎａｌｙｓｉｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ，　由蒙特卡洛法分析该机械臂的工作空间分析结果　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｍ］．ＵＳＡ：Ｐｅａｒｓｏｎ　Ｅｄｕｃｍｉｏｎ，２００１．　可以看出，该机械手工作空间内部工作点分布均匀，　［７］ＮＩＫＵ　Ｓａｅｅｄ　Ｂ．机器人学导论［Ｍ］．孙富春，朱纪洪，刘国　可以满足机械臂的使用需求。蒙特卡洛法具有计算工　栋，等，译．北京：电子工业出版社，２００４．　作量小、精度高、求解速度快的优点，克服了几何分　［８］周友行．多关节凿岩机器人工作空间的数值解法［Ｊ］．凿　析法受到自由度限制的缺陷，且能够准确显示机械手　岩机械气动工具，２００６，３２（３）：４８—５１．　工作空间的边界，在当前计算机计算速度越来越快的　［９］曹毅，土树新，李群智．基于随机概率的机器人工作空间　情况下．具有很好的应用前景。　及其解析表达［Ｊ］．组合机床与自动化加工技术，２００５，　通过研究可以看出，空间多自由度机械臂的运动　４７（２）：１—４．　学和动力学问题的解析分析比较复杂和困难．而掌握　［１０］ＲＡＳＴＣＧＡＲ　Ｊ，ＦＡＲＤＡＮＥＳＨ　Ｂ．Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ　Ｗｏｒｋ　Ａｎａｌｙ—　虚拟样机仿真环境进行仿真分析，可以有效地指导机　ｓｉｓ　Ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｍｏｎｔｅ　Ｃａｒｌｏ　Ｍｅｔｈｏｄ『Ｊ］．Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ＆Ｍａ—　械臂的设计和控制系统编程。机械臂大臂处在运动链　ｃｈｉｎｅ　Ｔｈｅｏｒｙ，１９９０，２５（２）：２３３—２３９．　（上接第７５页）　大庆：大庆石油学院，２００７：４４—４８．　ＡＤＡＭＳ中直接观看仿真动画，根据联合仿真设计软　［２］马永晓．并联六自由度运动平台动力学分析及最优控制　件的特点，还能够监测各驱动杆的力、力矩、速度、　研究［Ｄ］．南京：南京航空航天大学，２０１０：２０—２３．　加速度，以及飞行模拟器舱体的各项运动学和动力学　［３］任广通，赵江波，王军政，等．基于虚拟样机的电动六自　指标，不仅为参数的调整提供了较为直观的感受，还　由度并联机器人结构参数设计［Ｊ］．北京科技大学学报，　在数据上提供了一定的参考，能够有效提高参数整定　２０１２，３４（１）：１—６．　的效率。　［４］梁来雨．超大型六自由度加载平台系统的研究与实现　３结论　［Ｄ］．武汉：华中科技大学，２０１１：２４—３８．　通过ＡＤＡＭＳ和ＭＡＴＬＡＢ软件建立了联合仿真平　［５］李兴洋，卢颖．基于ＡＤＡＭＳ的某６－ＤＯＦ飞行模拟器运　台，对建立的飞行模拟器模型进行了机械系统和控制　动平台的研究［Ｊ］．系统仿真技术，２００８，４（２）：１－４．　［６］王勇亮，卢颖，梁建民．飞行模拟器六自由度运动平台的　系统实时仿真，对比了Ｓｔｅｗａｒｔ平台有无负载及负载　位置分析与测量控制［Ｊ＿．计算机测量与控制，２００５，１３　质心变化时控制参数的变化情况，得到了不影响控制　（１１）：１２４３—１２４４．　的前提下，质心微小变化的范围。结果表明该仿真方　［７］王建平，彭凯．基于ＡＤＡＭＳ的一种新型六自由度并联机　法直接有效、针对性强，对飞行模拟器构件设计、组　构的参数分析与仿真［Ｊ］．机械传动，２０１１，３５（５）：３１—　建安装以及控制优化具有一定的实际意义。　３５．　参考文献：　［８］李楠．ＰＩＤ控制参数现代设计技术的研究与应用［Ｄ］．杭　［１］王世营．并联坐标测量机测量建模及虚拟样机设计『Ｄ］．　州：浙江工业大学，２００９：５—１０．