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大型數(shù)字式六自由度運動平臺的開發(fā)
作者：楊世祥 楊濤 徐悅桐
一、概述
六自由度運動平臺，由于有極為廣闊的應用前景，近幾年，引起了國內外科研、院校廣泛的研究興趣。六自由度運動平臺是由六支油缸，上、下各六只萬向鉸鏈和上、下兩個平臺組成，下平臺固定在基礎上，借助六只油缸的伸縮運動，完成上平臺在空間六個自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的運動，從而可以模擬出各種空間運動姿態(tài)，可廣泛應用到各種訓練模擬器如飛行模擬器、艦艇模擬器、海軍直升機起降模擬平臺、坦克模擬器、汽車駕駛模擬器、火車駕駛模擬器、地震模擬器以及動感電影、娛樂設備等領域，甚至可用到空間宇宙飛船的對接，空中加油機的加油對接中。在加工業(yè)可制成六軸聯(lián)動機床、靈巧機器人等。由于六自由度運動平臺的研制，涉及機械、液壓、電氣、控制、計算機、傳感器，空間運動數(shù)學模型、實時信號傳輸處理、圖形顯示、動態(tài)仿真等等一系列高科技領域，因而六自由度運動平臺的研制變成了高等院校、研究院所在液壓和控制領域水平的標志性象征。國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標志就是六自由度運動平臺，筆者認為，六自由度運動平臺是液壓及控制技術領域的皇冠級產(chǎn)品，掌握了它，在液壓和控制領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動平臺
到目前為止，世界上所有國家和研制單位，大型平臺都無一例外的采用了液壓伺服控制系統(tǒng)。國內以幾所名牌大學的研究水平較高，其控制原理基本相同，六自由度平臺單缸控制框圖如下：
從圖中可看出，主控計算機是完成空間狀態(tài)的實時解算，然后將解算結果送到六個單缸控制器，經(jīng)數(shù)/模轉換后送給伺服放大器、伺服閥、伺服缸推動平臺運動。伺服缸的位移和壓力通過兩只傳感器并經(jīng)模/數(shù)轉換后送給計算機，完成閉環(huán)控制。該框圖表示的是主動編程控制，如果是實時模擬控制，還需要在主控計算機前增加姿態(tài)信號輸入裝置，即用各種信號發(fā)生器模擬人的操作，輸出表示空間狀態(tài)的XYZ和αβγ信號。該伺服系統(tǒng)最大的難點是傳遞環(huán)節(jié)多、控制過于復雜、調試困難、可靠性差、伺服閥抗干擾抗污染能力弱、故障率高，因而國內盡管許多單位進行了研制，但大面積推廣的卻始終不多。
三、六自由度平臺控制的空間狀態(tài)解算
1．順向解）：即已知六根液壓缸的長度，求解平臺姿態(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，利用計算機快速運算的特點和上鉸鏈的結構條件約束來逼近求解平臺姿態(tài)。此為順解，
2．反解（逆向解）：描述一個剛體在空間旋轉的姿勢，最常使用的方法是定義三個歐拉角來表達，當剛體旋轉至某一姿勢下，此三個歐拉角即組成唯一的旋轉矩陣，并借由旋轉矩陣作坐標轉換，便可求得剛體的絕對位置。
四、六自由度的速度協(xié)聯(lián)控制
當給定空間狀態(tài)后，可以分別算出六只缸的不同長度，為了讓平臺上的油缸在同一時間運動到新的位置，六只缸的運動速度是不相同的，這個問題的解決有兩種方法，一是采用標準的協(xié)聯(lián)控制器，該控制器需將油缸的運動長度數(shù)值送入，控制器能按所要求的時間，自動分配六只缸的運動速度，同時到達終點。第二種方法是自己編制運動速度方程，采用長度的最小公倍數(shù)方法分配速度，也可達到同樣目的。
五、六自由度平臺的全數(shù)字控制
為了攻克六自由度運動平臺的應用難關，北京億美博科技有限公司采用了自己開發(fā)的性能先進、操作可靠的新型數(shù)字（液壓）缸（已納入“十五”攻關和國家重點新產(chǎn)品項目），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轉換和D/A轉換等諸多環(huán)節(jié)，它是將傳感器、數(shù)字閥等全部做到油缸內部，形成自動位置反饋和速度反饋。數(shù)字缸可以直接接受計算機發(fā)出的數(shù)字脈沖信號進行可靠的工作。脈沖頻率代表數(shù)字缸運動速度，脈沖總數(shù)代表數(shù)字缸運動行程，一一對應，將復雜的閉環(huán)控制變成了簡單的開環(huán)控制。億美博公司與我國××軍事院校合作，聯(lián)合開發(fā)了載重量3噸和8噸的數(shù)字式六自由度運動平臺，它的控制框圖和實際平臺圖照片所示如下：
從上圖與伺服系統(tǒng)的框圖比較可知，控制原理大大簡化，不但系統(tǒng)響應速度加快，而且故障率也大為降低，可靠性得以增加。整個六自由度運動平臺無任何液壓控制元件和傳感器，系統(tǒng)構成十分清爽。平臺運動的錄像可在www.aemetec.com/sim網(wǎng)站觀看。它的性能指標如下：
六自由度數(shù)字運動平臺技術指標
六．數(shù)字液壓技術在其他領域的成功應用
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)場調試搬到了辦公室，幾乎做到了即裝即用，已經(jīng)成功的應用到冶金、機械、水電、國防軍工等一系列疑難控制領域，其控制性能遠遠超過傳統(tǒng)的液壓控制技術，成功應用的實例有：冶金領域中的鋼水連鑄結晶器液面控制、結晶器液壓非正弦振動（均列入過國家攻關項目），帶鋼厚度控制（微米級精度）。水電領域中的水輪機調速控制；機械領域的大型無齒鋸多點速度控制和位置控制，軍工領域的大型導彈裝彈機構的多缸同步控制（任意多缸同步誤差可達0.1%）、軍艦舵機控制、減搖稽控制，模擬器領域的六自由度平臺控制等等一系列疑難控制，均取得了十分理想的效果。