一种起重机模拟器体感模拟方法与装置与流程

本发明涉及起重机模拟，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。

背景技术：

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。本发明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的发明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的发明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。

本发明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。本发明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。

技术实现要素：

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。本发明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。

本发明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：

$H_{OTO}\left(s\right)=\frac{L\[\hat{f}\]}{L\[f\]}=\frac{k({\mathrm{\τ}}_{a}s+1)}{({\mathrm{\τ}}_{L}s+1)({\mathrm{\τ}}_{s}s+1)}$

所述的半规管模型相应传递函数为：

$H_{SCC}\left(s\right)=\frac{L\[\widehat{\mathrm{\ω}}\]}{L\[\mathrm{\ω}\]}=\frac{T_L{T}_a{s}^2}{(T_{L}s+1)(T_{s}s+1)(T_{a}s+1)}$

本发明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M_A，通过体感模型计算求得真实起重机提供的运动感觉M_R。而操作模拟器在运动过程中驾驶员感受到的运动感觉M_S是操作模拟器的动感，将M_S-M_A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行处理的过程，本文所述的洗出算法根据运动平台的结构特点进行设计，分为初始计算环节、滤波环节以及反馈调节环节。洗出算法同时接收两个通道的输入信号，分别为大车、小车两个通道动力学计算结果的输入和处理。受到重力的影响，驾驶员在操作模拟器上的加速度感觉通过比力衡量，输入加速度a与重力加速度g相减得到比力f，数学表达为f＝a-g。再将得到的比力形式的输入通过人体感知模型，通过人体感知模型得到的相应的体感比力。然后根据建立的坐标系进行坐标变换，输入信号在两通道采用二阶线性高通滤波器滤波，将物理量中不需要的信号部分剔除，最后控制驱动设备进行运动，保证运动平台在有限行程内模拟出运动感觉。为了达到更好的体感模拟效果，洗出算法的权重系数通过模糊PID控制进行了优化，具体是指：真实起重机产生的物理量为M_A，经过体感模型计算得到的真实起重机提供的运动感觉为M_R；而体感模拟装置提供的运动感觉为M_S，将M_S-M_A所得为体感误差e，进一步得到ec为体感误差变化率。将体感误差e以及体感误差变化率ec作为输入信号，对控制过程权重系数进行实时反馈调整，输出模糊变量为K_p、K_I、K_D，调整后的权重系数改善模拟逼真度、有限运动空间范围、相一致运动时间以及控制稳定性、输出响应等方面的性能。

本发明具有以下优点：

1.本发明所述的运动平台面向起重机模拟器，通过滑轨和滑套以及驱动系统可以直接产生真实的瞬间加速度，结合联动台的倾斜补偿运动来模拟持续加速度，使驾驶员人体感受更加逼真。联动台视野特点为正前方、左右两侧和正下方，符合真实起重机的工作特点，填补现有市场上运动平台在该领域的空白。运动平台各运动机构有单独的驱动和控制模块，其并联结构使运动平台的机械结构复杂度降低，降低了设备的采购维护成本，同时并联结构减小了运动机构的误差所造成的累积误差，为起重机模拟器的体感模拟提供了良好的硬件平台。

2.本发明根据并联三自由度运动平台硬件结构设计了体感模拟的控制方法与洗出算法，能够同时接受大车、小车2个通道动力学解算结果的输入与处理。在控制和洗出算法中加入了反馈环节，优化了权重系数的确定过程，提高了运动平台的逼真度，能够保证在不超限的情况下快速回中。

附图说明

图1为起重机模拟器运动平台结构爆炸视图

图2为起重机模拟器运动平台正视图

图3为起重机模拟器运动平台左视图

图4为起重机模拟器运动平台控制模型

图5为起重机模拟器运动平台洗出算法原理图

图中：

1—下框架 2—下层导轨架 3—作动杆1 4—横向导轨

5—电动缸2 6—横向滑套 7—作动杆2 8—纵向导轨

9—上层导轨架 10—上框架踏板 11—上框架 12—上框架铰接轴承

13—联动台铰接轴 14—联动台 15—玻璃窗 16—联动台滑杆

17—联动台滑块 18—作动杆3 19—电动缸3 20—纵向滑套

21—中层导轨架 22—电动缸1

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明一种起重机模拟器体感模拟方法与装置，包括并联三自由度运动平台、体感模拟控制方法、洗出算法。

结合图1，运动平台的各运动机构是通过以下方法实现运动的：并联三自由度运动平台包括三套尺寸相同的导轨架2、21、9，下层导轨架2铺设的横向导轨4与中层导轨架21安装的滑套6配合，横向导轨4两端装有挡板；中层导轨架21铺设的纵向轨道8与上层导轨架9安装的滑套20配合，纵向轨道8两端装有挡板；联动台14上的轴13与上框架11上的轴承12相配合；作动杆18通过联轴器与滑块17连接，滑块17与固定在联动台下方的滑杆16配合，滑块在联动台滑杆上滑动，推动联动台围绕铰接点进行旋转倾斜。三套导轨架上方装有电动缸22、5、19，电动缸旁边安装有伺服电机与电动缸的滚珠丝杆相连，作动杆3、7、18分别与电动缸驱动杆同轴相连，作动杆3,7通过联轴器与上方的导轨架21、9相连，电动缸的伸缩带动作动杆运动。各机构运动独立，互不干扰。这样做的好处是减小运动的累计误差，提高了运动平台的运动精度。

其中，联动台14可围绕铰接点进行旋转，联动台14随着上框架11的直线运动而运动。上框架11铺设钢板并设置防坠栏，其作用是驾驶员通行方便，并便于指导人员贴近驾驶员，保证人员安全。悬挂于上框架的联动台是模拟器向操作人员提供操作功能的位置，联动台地面由钢化玻璃铺设，增大操作员的视野。

如图2所示。运动平台结构参数为下框架1高度1190mm，下框架1左右支点跨度1525mm，下框架1与上框架11之间设有三层导轨架2,21,9，长宽尺寸与下框架相等。上框架11距地面高度1545mm，上框架11高度915mm。其中，运动平台处于原始位置时，中层导轨架21下方安装的横向滑套的间距为1400mm。运动平台框架由方钢焊接而成，下框架1与地面固定连接，用于支撑整个平台。

如图3所示，运动平台结构参数为下框架1前后两支点跨度1730mm，上框架外伸450mm处为联动台铰接点。联动台14前后长度700mm，联动台14前后有效平面长度为900mm。上层导轨架9下方安装的纵向滑套间距为1570mm。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。

图4为体感模拟的控制方法，控制方法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是通过以下方法实现的：

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；

所述的比力描述为：考虑重力加速度的影响，体感模拟采用比力衡量，处理方式为：输入加速度a与重力加速度g相减得到比力f，数学表达为f＝a-g；

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M_A，通过体感模型计算求得真实起重机提供的运动感觉M_R。而操作模拟器在运动过程中驾驶员感受到的运动感觉M_S是操作模拟器的动感，将M_S-M_A所得为体感误差e，进一步可得体感误差的变化率ec。

所述控制方法中的控制模块通过计算机编程实现。

结合图5，所述洗出算法根据运动平台的结构特点进行设计，分为初始计算环节、滤波环节以及反馈调节环节。洗出算法同时接收两个通道的输入信号，分别为大车、小车两个通道动力学计算结果的输入和处理。受到重力的影响，驾驶员在操作模拟器上的加速度感觉通过比力衡量，输入加速度a与重力加速度g相减得到比力f，数学表达为f＝a-g。再将得到的比力形式的输入通过人体感知模型，通过人体感知模型得到的相应的体感比力。然后根据建立的坐标系进行坐标变换，输入信号在两通道采用二阶线性高通滤波器滤波，将物理量中不需要的信号部分剔除，最后控制驱动设备进行运动，保证运动平台在有限行程内模拟出运动感觉。为了达到更好的体感模拟效果，洗出算法的权重系数通过模糊PID控制进行了优化。

所述的控制过程采用模糊PID方式，具体过程为：真实起重机产生的物理量为M_A，经过体感模型计算得到的真实起重机提供的运动感觉为M_R；而体感模拟装置提供的运动感觉为M_S，将M_S-M_A所得为体感误差e，进一步得到ec为体感误差变化率。将体感误差e以及体感误差变化率ec作为输入信号，对控制过程权重系数进行实时反馈调整，输出模糊变量为K_p、K_I、K_D，调整后的权重系数改善模拟逼真度、有限运动空间范围、相一致运动时间以及控制稳定性、输出响应等方面的性能。

所述的人体感知模型为：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。半规管和耳石采用传递函数的形式建立数学模型，便于控制环节设计。耳石模型相应传递函数为：

$H_{OTO}\left(s\right)=\frac{L\[\hat{f}\]}{L\[f\]}=\frac{k({\mathrm{\τ}}_{a}s+1)}{({\mathrm{\τ}}_{L}s+1)({\mathrm{\τ}}_{s}s+1)}$

半规管模型相应传递函数为：

$H_{SCC}\left(s\right)=\frac{L\[\widehat{\mathrm{\ω}}\]}{L\[\mathrm{\ω}\]}=\frac{T_L{T}_a{s}^2}{(T_{L}s+1)(T_{s}s+1)(T_{a}s+1)}$