共享虛擬駕駛艙動力系統設計

王吉平 曹俊杰 趙勇超

摘 要：根據六自由度運動平臺的動作要求，設計了以液壓站為中心的動力系統，其主要控制6個液壓油缸，使平臺完成俯仰、偏航、滾轉、上下垂直運動、左右平移、前后平移以及6個姿態的復合運動。筆者通過分析和理解液壓系統的組成及一些典型的液壓回路，以液壓站為核心動力系統的來源，完全可以實現運動平臺的各種規定動作。通過實踐表明，以液壓站為動力系統的設計合理，可靠性高，完全能夠滿足平臺的運動要求。

關鍵詞：動力系統;液壓站;六自由度平臺

中圖分類號：U471文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）08-0038-03

Power System Design of Shared Virtual Cockpit

WANG Jiping CAO Junjie ZHAO Yongchao

（Nanjing University of Science and Technology Zijin College，Nanjing Jiangsu 210046）

Abstract： According to the action requirements of 6-DOF motion platform， a power system centered on hydraulic station is designed， which mainly controls six hydraulic cylinders， so that the platform can complete pitch， yaw， roll， up and down vertical movement， left and right translation and fore-and-aft translation as well as six complex motion postures. By analyzing and understanding the composition of the hydraulic system and some typical hydraulic circuits， the author takes the hydraulic station as the source of the core power system， and can completely realize various specified actions of the moving platform. Practice shows that the design of the hydraulic station as the power system is reasonable and reliable， which can fully meet the movement requirements of the platform. Practice shows that the design of hydraulic station as power system is reasonable， reliable and can fully meet the motion requirements of the platform.

Keywords： dynamic system;hydraulic station;6-DOF Platform

人民生活水平不斷提高，文化娛樂業在近幾年不斷深入發展，已經發生了天翻地覆的變化。現代科技有力推動著文化產品的生產創新和消費的多元化，各行業和領域融合互動，衍生出了許多新興產業。目前，汽車產業的快速發展使得該領域已衍生出了各式各樣的虛擬駕駛艙以滿足人們的駕駛訓練需求。虛擬駕駛艙擁有巨大的發展前景和廣闊的市場需求。由于相關的技術水平的限制，國內在這方面的精力主要集中在中低端產品的開發和制造上，產品沒有技術上的優勢。因此，從虛擬駕駛艙的動力系統設計著手，設計出高效的虛擬駕駛艙動力系統，有著重要的理論指導意義和很大的經濟價值。

1 動力需求分析

平臺三維圖如圖1所示，六自由度運動平臺是由6支油缸、上、下各6只萬向鉸鏈以及上、下兩個平臺組成[1]。本動力系統設計是為了使運動平臺借助6支油缸的伸縮運動，完成上平臺在空間6個自由度（α，β，γ，X，Y，Z）的運動，從而可以模擬出各種空間運動姿態。

動力系統作為運動平臺的心臟，其性能技術直接決定了平臺在實際運轉中的安全性、可靠性以及經濟效益，重要程度不言而喻。其主要控制6個液壓油缸，使平臺完成俯仰、偏航、滾轉、上下垂直運動、左右平移、前后平移以及6個姿態的復合運動姿態。

2 動力系統設計

2.1 液壓站的工作原理及其組成

液壓站是獨立的液壓裝置，它按驅動裝置的需求供油，并控制油流的方向、壓力以及流量，適用于主機與液壓裝置可分離的各種液壓機械下，由電機帶動油泵旋轉，泵從油箱中吸油后打油，將機械能轉化為液壓油的壓力能。只要將液壓站與執行機構用油管相連，液壓機械即可實現各種動作和工作循環。

液壓站如圖2所示，它是由液壓泵、驅動電機、油箱、方向閥、節流閥以及溢流閥等構成的液壓源裝置。液壓泵是系統的核心，是實現能量控制的關鍵元件。驅動電機將電源的電能轉化為機械能，然后通過傳動裝置驅動進行工作運轉。集成塊由液壓閥及通道體組合而成，它對液壓油實行方向、壓力以及流量調節。

液壓站按照泵裝置的結構形式和安裝位置可分為上置立式、上置臥式以及旁置式。本動力系統采用的是上置臥式，以便于流量的調節。

2.2 液壓缸的簡單設計

液壓缸的工作壓力與液壓設備的類型有主要關系[3]。不同類型的液壓設備所產生的工作壓力也大不相同。六自由度運動平臺根據其載重和工作條件，選擇適合的工作壓力。由于液壓缸的回油腔存在背壓，所以根據不同的設備類型選擇合適的背壓力[4]。

根據實際情況確定平臺負載與上平臺及鉸鏈等構件作用在單杠上的壓力，要保證液壓缸最大運行速度和最大加速度。選用合適的活塞桿直徑d與液壓缸內徑D之比，結合式（1）即可求得活塞桿直徑與液壓缸內徑。

[π4D2P1=F+F1+π4D2+d2P2]? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：P1為液壓缸進油腔工作壓力;P2為液壓缸回油腔背壓力;d為活塞桿直徑;D為液壓缸內徑;F為工作循環中最大的外載荷;F1為液壓缸密封處摩擦力，按液壓缸機械效率η進行估算，F+F1=F/η，η為液壓缸的機械效率。

2.3 電機的選型

通過計算電動機的系統工作最大功率來選擇電動機的規格[3]。最大功率的計算如式（2）所示：

[Pmax=pqη]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：[Pmax]為電動機需要提供的最小功率;p為執行元件的工作壓力;q為油液的總流量;η為機械效率。

本系統不需要去驅動無特殊性能要求的機械設備，所以選擇三項異步電動機。相較于其他電動機而言，三相異步電動機效率高、轉矩高、噪聲低、節能且可靠性高。

2.4 油箱的設計

油箱是由不銹鋼板焊的半封閉容器，上面還裝有濾油網和空氣濾清器等，被用來儲存油、進行油的冷卻及過濾[5]。因此，在設計油箱時需要考慮到油箱的容積和油液的冷卻等問題。

油箱的有效容量可根據壓力范圍粗略確定為：低壓系統中V=（2～4）Q;中壓系統中V=（5～7）Q;中高壓或高壓大功率系統中V=（6～12）Q。其中，V為液壓油箱有效容量，Q為液壓泵的額定流量。油箱的容量共有18種規格，分別為25、40、63、100、160、250、400、630、800、1 000、1 250、1 600、2 000、2 500、3 200、4 000、5 000 L以及6 000 L。根據實際情況來選擇恰當的油箱。

油溫的控制方面，由于駕駛艙為共享狀態，因此為避免駕駛員的等待及發生周圍擁堵的狀況，油箱采用的冷卻方式為強迫冷卻，即安裝冷卻器進行強制冷卻。

3 動力系統的工作流程設計

典型的液壓回路如圖3所示，六自由度液壓系統回路如圖4所示，可看作由前者衍生擴展而來。圖3中，電動機接通電源開始運轉，液壓泵由電動機帶動后開始泵油，油液經過連接油管到達單向閥后，左邊一路流向截止閥并最終流向壓力指示表，右邊一路流向溢流閥并最終流回油箱，中間一路流經節流閥后到達三位四通電磁換向閥。通過控制電信號即可對電磁換向閥進行控制，進而控制液壓缸的運動。當電磁換向閥未受到電信號即滑閥中位狀態時，系統保壓;當電磁換向閥收到電信號位于右位后，液壓缸伸出;當電磁換向閥位于左位時，液壓缸縮回。

如圖4所示為六自由度平臺液壓系統圖，其中1、2、3、4、5、6為液壓缸，7、8、9、10、11、12為電磁換向閥，13為冷卻器，14為節流閥，15為壓力表，16為截止閥，17為液壓泵，18為電動機，19為過濾器，20為溢流閥。使用控制器中編寫的程序控制各個電磁換向閥的電位狀態，即可分別控制每一個液壓缸的伸縮。將每一個液壓缸的伸長或收縮組合在一起，即可完成相應的動作姿態。下面分別介紹初始狀態時進行俯仰、偏航、滾轉、上下垂直運動、左右平移以及前后平移這6個基本的動作。圖1視角為后視且液壓缸標號與圖4中對應。

①前傾：電磁換向閥7、8、9、10右位，液壓缸1、2、3、4縮回;電磁換向閥11、12左位，液壓缸5、6伸出。②后仰：電磁換向閥7、8、9、10左位，液壓缸1、2、3、4伸出;電磁換向閥11、12右位，液壓缸5、6縮回。③左傾：電磁換向閥7、8、11右位，液壓缸1、2、5縮回;電磁換向閥9、10、12左位，液壓缸3、4、6伸出。④右傾：電磁換向閥7、8、11左位，液壓缸1、2、5伸出;電磁換向閥9、10、12右位，液壓缸3、4、6縮回。⑤左旋：電磁換向閥7、10、12右位，液壓缸1、4、6縮回;電磁換向閥8、9、11左位，液壓缸2、3、5伸出。⑥右旋：電磁換向閥7、10、12左位，液壓缸1、4、6伸出;電磁換向閥8、9、11右位，液壓缸2、3、5縮回。⑦左移：電磁換向閥7、8、9、12左位，液壓缸1、2、3、6伸出;電磁換向閥10、11右位，液壓缸4、5縮回。⑧右移：電磁換向閥7、9、10、11左位，液壓缸1、3、4、5伸出;電磁換向閥8、12右位，液壓缸2、6縮回。⑨前移：電磁換向閥8、10、11、12右位，液壓缸2、4、5、6縮回;電磁換向閥7、9左位，液壓缸1、3伸出。⑩后移：電磁換向閥8、10、11、12左位，液壓缸2、4、5、6伸出;電磁換向閥7、9右位，液壓缸1、3縮回。?上移：電磁換向閥7、8、9、10、11、12全部左位，液壓缸1、2、3、4、5、6全部伸出。?下移：電磁換向閥7、8、9、10、11、12全部右位，液壓缸1、2、3、4、5、6全部縮回。

4 結語

本文重點介紹了液壓站的結構組成和工作流程，較為清晰地展示了以液壓站為核心的動力系統設計。簡單地對液壓缸、電機以及油箱進行了設計，并闡述了怎樣通過6支液壓缸之間的相互協作而實現6種典型的動作，為讀者日后的樣機搭建提供了一個思路。通過液壓站中各部件的相互配合、能量之間的轉換以及控制液壓油的進與出、快與慢等，使六自由度運動平臺可以輕松完成各式各樣規定的動作，具有真實的安全性與可靠性。

參考文獻：

[1]唐美，張俊祥，冉益民，等.六自由度液壓運動平臺的分析與研究[J].艦船科學技術，2020（5）：170-175.

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[3]楊培元，朱福元.液壓系統設計簡明手冊[M].北京：機械工業出版社，1994：15-16.

[4]雷杰，姜昆鵬，蔣大偉，等.基于六自由度運動平臺液壓系統的設計[J].機械工程師，2015（8）：165-167.

[5]朱景山，雷新國.一種新型軟測量汽車油箱油位的系統設計[J].自動化與儀器儀表，2021（2）：112-115.