岸橋操作模擬器運(yùn)動(dòng)平臺(tái)洗出算法研究

許藝騰 施笑畏 陸后軍

摘 要：岸橋運(yùn)行速度的提高對(duì)岸邊集裝箱起重機(jī)操作模擬器中的關(guān)鍵——?jiǎng)痈心M系統(tǒng)提出了新的更高要求，針對(duì)岸邊集裝箱起重機(jī)仿真模擬器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，提出了設(shè)計(jì)岸橋操作模擬器體感模擬算法的實(shí)現(xiàn)方法。在該實(shí)現(xiàn)方法中，考慮洗出位置對(duì)模擬逼真度的影響，從而求出最優(yōu)的洗出位置；并在滿足運(yùn)動(dòng)平臺(tái)快速回位性能以及低于人體運(yùn)動(dòng)感覺閥值的要求下，優(yōu)化了操作模擬器體感模擬算法固定參數(shù)，以改善系統(tǒng)性能，提高模擬逼真度。并應(yīng)用MATLAB建立了仿真模型。在此模型的基礎(chǔ)上，通過運(yùn)用一組實(shí)際運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)該算法進(jìn)行仿真計(jì)算及分析，結(jié)果證明了該算法為一種有效的方法。

關(guān)鍵詞： 操作模擬器； 三自由度；體感模擬算法；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

引言

采用有限的操作模擬器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的空間復(fù)現(xiàn)岸橋駕駛員在真實(shí)作業(yè)時(shí)的運(yùn)動(dòng)感覺，設(shè)計(jì)合適的洗出算法的使仿真得到的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)與實(shí)際運(yùn)動(dòng)進(jìn)行對(duì)接，以確保建成后的模擬器完成一次隨機(jī)運(yùn)動(dòng)后可以緩慢回中，從而有足夠的空間用于下一個(gè)動(dòng)作，返回過程中不得使駕駛員感覺到移動(dòng)。洗出運(yùn)動(dòng)要求低于人體感知閾值，使得在有限的運(yùn)動(dòng)空間實(shí)現(xiàn)無限空間運(yùn)動(dòng)感覺的目的[1]。所以，對(duì)實(shí)際操作室模擬的逼真程度取決于三自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)性能的好差。

1.體感模擬算法參數(shù)確定

本文運(yùn)用的經(jīng)典洗出算法的仿真效果是通過人體感知評(píng)價(jià)方法來衡量的，操作模擬器的駕駛員位于前庭中心的比力值是操作模擬器人體感知系統(tǒng)輸入，比力是通過質(zhì)心變換由最優(yōu)洗出位置的加速度得到的，再將結(jié)果經(jīng)過建立好的半規(guī)管及耳石模型后求出操作模擬器的駕駛員的運(yùn)動(dòng)感覺[2]；相應(yīng)地，實(shí)際的比力輸入與求得的人體運(yùn)動(dòng)感覺也對(duì)應(yīng)計(jì)算出，前者比力值是實(shí)際人體感知系統(tǒng)輸入，比力是通過質(zhì)心變換由最優(yōu)洗出位置的加速度得到的，再將結(jié)果經(jīng)過建立好的半規(guī)管及耳石模型后求出實(shí)際的駕駛員的運(yùn)動(dòng)感覺[3]，但在經(jīng)典洗出算法的設(shè)計(jì)中，人體高低頻率的運(yùn)動(dòng)感覺是由運(yùn)動(dòng)信號(hào)分別通過高低通通道得到，實(shí)際操作過程中，人對(duì)運(yùn)動(dòng)的感覺是整體的，所以操作模擬器駕駛員的整體運(yùn)動(dòng)感分別是由高低頻運(yùn)動(dòng)感覺相加后得出的，并將得出的數(shù)據(jù)與實(shí)際的人體感知系統(tǒng)數(shù)據(jù)作比較，確定耳石模型參數(shù)如表1-1所示[4]。

表1-1耳石模型參數(shù)

耳石模型參數(shù) 縱向 橫向 垂向

3.45 3.45 3.45

1.25 1.25 1.25

10.2 10.2 10.2

0.2 0.2 0.2

0.25 0.25 0.30

2.洗出算法濾波器的設(shè)計(jì)

考慮到岸橋大車、小車的情況以及模擬器的結(jié)構(gòu)，一般只采用三階或者兩階。 為各濾波器的自然頻率， 為濾波器的阻尼比，這些參數(shù)的選擇對(duì)模擬器模擬效果也會(huì)有影響，需要通過不斷的仿真，確定最佳的參數(shù)。

因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)范圍有限，沒有辦法模擬長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)加速。為了復(fù)現(xiàn)小車的持續(xù)動(dòng)感，體感模擬算法利用重力向量在模擬器坐標(biāo)下橫軸和縱軸的分量來實(shí)現(xiàn)的。首先將比力f通過低通加速度通道，高頻部分信號(hào)從而被過濾，保留有效的低頻部分，該低頻部分要求不能出現(xiàn)會(huì)造成大動(dòng)作誤位移操作的信號(hào)[5]。為了不讓人察覺到旋轉(zhuǎn)，所以要保證角速度不超過駕駛員的感覺閥值以內(nèi)，即：

本文研究的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)主要為兩個(gè)方向，所以運(yùn)動(dòng)的仿真也需分兩個(gè)方向單獨(dú)考慮，最終確定最適合的參數(shù)如表2-1所示[6]。

表2-1 濾波器參數(shù)選擇

濾波器

平移高通濾波器 2.5 0.2 1

平移低通濾波器 5.0 0 1

3.洗出算法仿真結(jié)果分析與評(píng)估

按照第三章構(gòu)建的仿真模型以及選擇好的參數(shù)，利用MATLAB中的simulink模塊進(jìn)行仿真，根據(jù)信號(hào)調(diào)理的需要，低通濾波器一般都是采用兩階低通濾波器。現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，旨在驗(yàn)證一種參數(shù)優(yōu)化算法。三個(gè)正交的加速度計(jì)安裝在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的上表面上，以測(cè)量提供的加速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。經(jīng)計(jì)算得到的洗出濾波器參數(shù)保證了復(fù)雜微小的加速度值或高頻信號(hào)的呈現(xiàn)。然而對(duì)于平臺(tái)的大值的加速度信號(hào)，由于空間限制運(yùn)動(dòng)的低頻運(yùn)動(dòng)，本算法可以用于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)的最大量[7]。

圖 3-1 電動(dòng)缸位移

由于電動(dòng)缸傳輸過程中，線性制動(dòng)器桿被分成若干補(bǔ)償?shù)钠骄鶗r(shí)間間隔，它是由PLC控制電動(dòng)缸的執(zhí)行返回到零點(diǎn)，電動(dòng)缸出桿的零坐標(biāo)是坐標(biāo)零點(diǎn)。從電動(dòng)缸的初始位置調(diào)整至最大位置，從而使誤差減少[8]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖3-1所示，洗出過程中每一個(gè)電動(dòng)缸的伸長(zhǎng)量沒有超過其運(yùn)動(dòng)的最大范圍，并且這三個(gè)制動(dòng)器是不允許接近電動(dòng)缸做功沖程的最大行程，如果調(diào)整洗出算法參數(shù)來增加低頻再現(xiàn)能力的加速度信號(hào)會(huì)導(dǎo)致液壓缸行程超限，這是行不通的。小車方向的最大位移約為0.6米，波動(dòng)值主要分布在加速和減速階段的過程中，這些線會(huì)聚在某一點(diǎn)。大車方向的最大位移約為0.3米，并不超過電動(dòng)缸行程，所以它滿足平臺(tái)的要求。傾斜協(xié)調(diào)曲線趨于溫和，可有效描述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的工作狀態(tài)。因此本文確定的洗出算法參數(shù)可以充分利用有限的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)空間為駕駛者提供了真實(shí)岸橋操作室的運(yùn)動(dòng)感受。

4.結(jié)束語(yǔ)

本論文以岸邊集裝器起重機(jī)操作模擬器為研究對(duì)象，對(duì)體感模擬系統(tǒng)的開發(fā)與優(yōu)化提出實(shí)際的依據(jù)，雖以岸橋?yàn)樵停珜?duì)同類操控設(shè)備的操作模擬器的研究也具有參考意義，為今后對(duì)更高的模擬逼真度要求的模擬器的開發(fā)打下了基礎(chǔ)，但由于經(jīng)典洗出算法本身的局限性，如傾斜協(xié)調(diào)優(yōu)化不足，整體的人體體感需由高低通通道進(jìn)行疊加，該疊加過程并非代數(shù)求和，涉及參數(shù)需進(jìn)一步優(yōu)化等仍須改善，但其便于控制的優(yōu)勢(shì)使得設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的具體參數(shù)的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行多目標(biāo)的聯(lián)合優(yōu)化，從而確定更加符合要求的參數(shù)范圍，本文研究的操作模擬器已通過仿真進(jìn)行了驗(yàn)證，但還未應(yīng)用到實(shí)際的操作模擬器上，故還需在實(shí)際的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上檢驗(yàn)算法的有效性。

參考文獻(xiàn)

[1]延皓，李洪人，姜洪洲.六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器的動(dòng)感模擬算法研究[J].機(jī)械工程師，2003，（11）：25-28.

[2]董彥良，許彩霞，唐建林.6自由度平臺(tái)的Washout濾波器設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，11（1）：53-58.

[3]王小亮，李立，張衛(wèi)華.洗出位置對(duì)列車操作模擬器逼真度的影響研究[J].機(jī)械與電子，2007（4）：21-24.

[4]王小亮.高速列車操作模擬器動(dòng)感模擬系統(tǒng)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2009.9.

[5]蔡志剛.集裝箱裝卸橋仿真系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2007，16（2）： 62-64.

[6]李紹安.某型戰(zhàn)機(jī)飛行模擬器三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的研制[D].武漢： 華中科技大學(xué)， 2005.

[7]韓蕾，王立文.洗出濾波算法在飛行模擬器中的應(yīng)用[J].中國(guó)民航學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，21（4）： 24-28.

[8]胡民春.六自由度列車駕駛運(yùn)動(dòng)平臺(tái)研究[D].成都：西南交通人學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2005： 57-63.