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大型數(shù)字式六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的開發(fā)
作者：楊世祥 楊濤 徐悅桐
一、概述
六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，由于有極為廣闊的應(yīng)用前景，近幾年，引起了國(guó)內(nèi)外科研、院校廣泛的研究興趣。六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是由六支油缸，上、下各六只萬向鉸鏈和上、下兩個(gè)平臺(tái)組成，下平臺(tái)固定在基礎(chǔ)上，借助六只油缸的伸縮運(yùn)動(dòng)，完成上平臺(tái)在空間六個(gè)自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的運(yùn)動(dòng)，從而可以模擬出各種空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，可廣泛應(yīng)用到各種訓(xùn)練模擬器如飛行模擬器、艦艇模擬器、海軍直升機(jī)起降模擬平臺(tái)、坦克模擬器、汽車駕駛模擬器、火車駕駛模擬器、地震模擬器以及動(dòng)感電影、娛樂設(shè)備等領(lǐng)域，甚至可用到空間宇宙飛船的對(duì)接，空中加油機(jī)的加油對(duì)接中。在加工業(yè)可制成六軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床、靈巧機(jī)器人等。由于六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的研制，涉及機(jī)械、液壓、電氣、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器，空間運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型、實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸處理、圖形顯示、動(dòng)態(tài)仿真等等一系列高科技領(lǐng)域，因而六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的研制變成了高等院校、研究院所在液壓和控制領(lǐng)域水平的標(biāo)志性象征。國(guó)外某大型液壓公司的總部大廳里，向客人展示水平的第一個(gè)標(biāo)志就是六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，筆者認(rèn)為，六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是液壓及控制技術(shù)領(lǐng)域的皇冠級(jí)產(chǎn)品，掌握了它，在液壓和控制領(lǐng)域基本上就沒有了難題。以下介紹它的開發(fā)過程
二、傳統(tǒng)的伺服液壓控制六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)
到目前為止，世界上所有國(guó)家和研制單位，大型平臺(tái)都無一例外的采用了液壓伺服控制系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)以幾所名牌大學(xué)的研究水平較高，其控制原理基本相同，六自由度平臺(tái)單缸控制框圖如下：
從圖中可看出，主控計(jì)算機(jī)是完成空間狀態(tài)的實(shí)時(shí)解算，然后將解算結(jié)果送到六個(gè)單缸控制器，經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換后送給伺服放大器、伺服閥、伺服缸推動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。伺服缸的位移和壓力通過兩只傳感器并經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送給計(jì)算機(jī)，完成閉環(huán)控制。該框圖表示的是主動(dòng)編程控制，如果是實(shí)時(shí)模擬控制，還需要在主控計(jì)算機(jī)前增加姿態(tài)信號(hào)輸入裝置，即用各種信號(hào)發(fā)生器模擬人的操作，輸出表示空間狀態(tài)的XYZ和αβγ信號(hào)。該伺服系統(tǒng)最大的難點(diǎn)是傳遞環(huán)節(jié)多、控制過于復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy、可靠性差、伺服閥抗干擾抗污染能力弱、故障率高，因而國(guó)內(nèi)盡管許多單位進(jìn)行了研制，但大面積推廣的卻始終不多。
三、六自由度平臺(tái)控制的空間狀態(tài)解算
1．順向解）：即已知六根液壓缸的長(zhǎng)度，求解平臺(tái)姿態(tài)，到目前為止，還沒有直接中的的正解方程式，只能采用疊代方法，利用計(jì)算機(jī)快速運(yùn)算的特點(diǎn)和上鉸鏈的結(jié)構(gòu)條件約束來逼近求解平臺(tái)姿態(tài)。此為順解，
2．反解（逆向解）：描述一個(gè)剛體在空間旋轉(zhuǎn)的姿勢(shì)，最常使用的方法是定義三個(gè)歐拉角來表達(dá)，當(dāng)剛體旋轉(zhuǎn)至某一姿勢(shì)下，此三個(gè)歐拉角即組成唯一的旋轉(zhuǎn)矩陣，并借由旋轉(zhuǎn)矩陣作坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，便可求得剛體的絕對(duì)位置。
四、六自由度的速度協(xié)聯(lián)控制
當(dāng)給定空間狀態(tài)后，可以分別算出六只缸的不同長(zhǎng)度，為了讓平臺(tái)上的油缸在同一時(shí)間運(yùn)動(dòng)到新的位置，六只缸的運(yùn)動(dòng)速度是不相同的，這個(gè)問題的解決有兩種方法，一是采用標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)聯(lián)控制器，該控制器需將油缸的運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度數(shù)值送入，控制器能按所要求的時(shí)間，自動(dòng)分配六只缸的運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)到達(dá)終點(diǎn)。第二種方法是自己編制運(yùn)動(dòng)速度方程，采用長(zhǎng)度的最小公倍數(shù)方法分配速度，也可達(dá)到同樣目的。
五、六自由度平臺(tái)的全數(shù)字控制
為了攻克六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的應(yīng)用難關(guān)，北京億美博科技有限公司采用了自己開發(fā)的性能先進(jìn)、操作可靠的新型數(shù)字（液壓）缸（已納入“十五”攻關(guān)和國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品項(xiàng)目），作為六只控制缸。該數(shù)字缸取消了傳統(tǒng)控制中的伺服閥、傳感器、A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換等諸多環(huán)節(jié)，它是將傳感器、數(shù)字閥等全部做到油缸內(nèi)部，形成自動(dòng)位置反饋和速度反饋。數(shù)字缸可以直接接受計(jì)算機(jī)發(fā)出的數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行可靠的工作。脈沖頻率代表數(shù)字缸運(yùn)動(dòng)速度，脈沖總數(shù)代表數(shù)字缸運(yùn)動(dòng)行程，一一對(duì)應(yīng)，將復(fù)雜的閉環(huán)控制變成了簡(jiǎn)單的開環(huán)控制。億美博公司與我國(guó)××軍事院校合作，聯(lián)合開發(fā)了載重量3噸和8噸的數(shù)字式六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，它的控制框圖和實(shí)際平臺(tái)圖照片所示如下：
從上圖與伺服系統(tǒng)的框圖比較可知，控制原理大大簡(jiǎn)化，不但系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，而且故障率也大為降低，可靠性得以增加。整個(gè)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)無任何液壓控制元件和傳感器，系統(tǒng)構(gòu)成十分清爽。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的錄像可在www.aemetec.com/sim網(wǎng)站觀看。它的性能指標(biāo)如下：
六自由度數(shù)字運(yùn)動(dòng)平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)
六．?dāng)?shù)字液壓技術(shù)在其他領(lǐng)域的成功應(yīng)用
數(shù)字液壓缸與專門配套研制的數(shù)字控制器相配合，幾乎取消了傳統(tǒng)液壓控制中的所有液壓閥件和控制元件，它拋棄了傳統(tǒng)的閥口控制，把討厭的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試搬到了辦公室，幾乎做到了即裝即用，已經(jīng)成功的應(yīng)用到冶金、機(jī)械、水電、國(guó)防軍工等一系列疑難控制領(lǐng)域，其控制性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的液壓控制技術(shù)，成功應(yīng)用的實(shí)例有：冶金領(lǐng)域中的鋼水連鑄結(jié)晶器液面控制、結(jié)晶器液壓非正弦振動(dòng)（均列入過國(guó)家攻關(guān)項(xiàng)目），帶鋼厚度控制（微米級(jí)精度）。水電領(lǐng)域中的水輪機(jī)調(diào)速控制；機(jī)械領(lǐng)域的大型無齒鋸多點(diǎn)速度控制和位置控制，軍工領(lǐng)域的大型導(dǎo)彈裝彈機(jī)構(gòu)的多缸同步控制（任意多缸同步誤差可達(dá)0.1%）、軍艦舵機(jī)控制、減搖稽控制，模擬器領(lǐng)域的六自由度平臺(tái)控制等等一系列疑難控制，均取得了十分理想的效果。