飞行模拟器六自由度运动系统的关键技术及研究现状

第１４卷第１期　２００２年１月　系统仿真学报　

ＪＯＵＲＮＡＬ　０Ｆ　ＳＹＳＴＥＭ　ＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮ　Ｖ＿０１．１４　Ｎｏ．１　

Ｊａｎ．２０ｏ２　文章编号：１００４－７３１Ｘ（２００２）０１—００８４－０４　

飞行模拟器六自由度运动系统的关键技术及研究现状　杨灏泉，赵克定，吴盛林，曹健　ｆ哈尔滨工业大学机电学院，哈尔滨１５０００１）　摘要：作为飞行模拟器载体的并联六自由度运动系统是飞行模拟器非常重要的组成部分　其本　质是由数字计算机实时控制并能提供俯仰、滚转、偏航、升降、纵向和侧向平移的六自由度瞬时　过载仿真设备。本文从研制者的角度出发，评述了研制高性能飞行模拟器六自由度运动系统所需　的关键技术及其国内外的研究进展。结合样机设计与制造的实践经验，提出亟需解决的若干理论　与技术问题，以及解决这些问题的可行途径。　关键词：飞行模拟器；六自由度平台；机构学；驱动元件；控制策略　中图分类号：ＴＰ３９１．９；ＴＰ２７３　文献标识码：Ａ　

Ｋｅｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　Ｓｔａｔｅ　ｏｆ　６－ＤＯＦ　Ｍｏｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆ０ｒ　Ｆｌｉｇｈｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ　ＹＡＮＧ　Ｈａｏ．ｑｕａｎ，ＺＨＡ０　Ｋｅ．ｄｉｎｇ，　Ｓｈｅｎｇ．１ｉｎ，ＣＡ０　Ｊｉａｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ｍｏｔｉｏｎ－ｂａｓｅ　ｏｆ　ｆｌｉｇｈｔ　ｓｉｍｕｌａｔｏｒ，ｐａｒａｌｌｅｌ　６－ＤＯＦ　ｍｏｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｈｉｅｆ　ｐａｒｔ　ｉｎ　ｆｌｉｇｈｔ　ｓｉｍｕｌａｔｏｒ．Ｉｔｓ　ｍｏｔｉｏｎ　ｎａｔｕｒｅ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｋｉｎｄ　ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ　ｏｖｅｒｌｏａｄ—ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ｖｅｈｉｃｌｅ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｐｉｔｃｈ，ｒｏｌｌ，ｙａｗ，ｈｅａｖｅ（ｖｅｒｔｉｃａ１），　ｓｕｒｇｅ（１ｏｎｇｉｔｕｄｉｎａ１）ａｎｄ　ｓｗａｙ（１ａｔｅｒａ１）ｍｏｔｉｏｎ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｓｔａｔｅ—ｏｆ－ｔｈｅ—ａｒｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｉｓｓｕｅｓ　ｏｆ６一ＤＯＦ　ｍｏｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｆｌｉｇｈｔ　ｓｉｍｕｌａｔｏｒ　ａｌｅ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ａｄｄｒｅｓｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｒ’Ｓ　ｓｔａｎｄｐｏｉｎｔ．Ａｎｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｌｎｅ　ｔｉｍｅ，ｉｎ　ｃｏｎｊｕｎｃｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，ｓｏｍｅ　ｄｅｓｉｄｅｒａｔｉｖｅ　ｔｈｅｏｒｉｅｓ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｗｅ’Ｕ　ｄｉｓｃｕｓｓ　ｓｏｍｅ　ｖｉａｂｌｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ　ａｓ　ｗｅｌ１．　＞　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｌｉｇｈｔ　ｓｉｍｕｌａｔｏｒ；６一ＤＯＦ　ｐｌａｔｆｏｒｍ；ｍａｃｈｉｎｅｒｙ；ａｃｔｕａｔｏｒ；ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　

引　言　飞行模拟器是在地面模拟飞行器在空中飞行和地面运　动的设备，是典型的人在回路实时仿真系统和虚拟现实的应　用实例【ｌ】。目前，飞行模拟技术已成为多快好省地达到研究　飞行和训练飞行目的的最佳途径甚至是唯一途径。作为飞行　模拟器载体的并联六自由度运动系统是飞行模拟器非常重　要的组成部分，它能提供飞机运动过程中飞行员能感觉到的　瞬时过载动感，重力分量的持续感及部分抖动冲击信息，使　飞行仿真更加逼近真实飞行。其本质是由数字计算机实时控　制并能提供俯仰、滚转、偏航、升降、纵向平移和侧向平移　的六自由度瞬时过载仿真设备。因此，运动系统性能的优劣　将直接关系到飞行模拟的逼真度。而并联六自由度运动系统　的机构学理论、关键零部件及其控制策略等的研究，是进行　运动系统的结构优化设计，提高飞行模拟器运动性能的关键　技术。　

１飞行模拟器六自由度运动系统的特点　１９６５年，Ｄ．Ｓｔｅｗａｒｔ提出将并联六自由度机构用作训　练飞机驾驶员的飞行模拟器【　，因而这种由上下平台和６根　

收稿日期：２０００－１２—０７　惨回日期：２００１—０３．Ｏ１　作者简介：橱蠢泉（１９７４一），男，博士，研究方向为飞行模拟器运动系统及　流体传动控制方面的研究，发表学术论文近十篇。　

驱动杆组成的并联机构也被称为“Ｓｔｅｗａｒｔ机构”。图１即为　用于飞行模拟器的电液伺服六自由度运动平台。与串联机构　相比，这种结构形式具有很大的优越性：结构布局合理、精　度高、刚度大、运动速度高。因此除了用于飞行模拟器等高　速、大负载的各类运动模拟器以外，近年来，还被广泛地应　用于机器人、并联机床、飞船对接器以及各种精密仪器测试　设备等【３１。　从设计的角度看，飞行模拟器六自由度运动系统在运　动学、动力学等机构学理论方面与并联机床、并联机器人、　动感娱乐模拟器等是相同的。但从结构特点、控制精度、响　应快速性等方面来看，它们仍有较大的差别。并联机床、并　

分藏块Ｔ￣ｎＣｅ基础平台　图１飞行模拟器六自由度运动平台　

维普资讯 http://www.cqvip.com 第１４卷第１期　杨灏泉等：飞行模拟器六自由度运动系统的关键技术及研究现状　·８５·　联机器人等操作器较侧重于位置、速度的精度要求，而对系　统响应的快速性要求不高，结构尺寸和承载能力也不大。而　对飞行模拟器，则更为关心的是平台的加速度以及突发加速　度变化率的控制精度，尤其是平台洗出（Ｗａｓｈｏｕｔ）运动时系统　的低速平稳性，而且对系统响应快速性（频宽）的要求也是一　项非常重要的指标。此外，由于飞行模拟器的运动空间、载　荷和运动加速度都比较大，因而对运动平台承载能力、工作　空间方面的要求也比较高。只有满足这些高性能运动指标的　要求，才能拓宽所能仿真的运动信息，获得很好的运动平滑　性，实现高逼真度的实时仿真。　２　飞行模拟器六自由度运动系统的机构学理论　飞行模拟器六自由度运动系统的机构学理论属于空间　多自由度多环机构学理论的新分支，它是随着对Ｓｔｅｗａｒｔ机　构的研究而发展起来的。其研究内容可分为三大组成部分，　即机构结构学、机构运动学、机构动力学。自１９６５年Ｄ．　Ｓｔｅｗａｒｔ提出并建造了第一个飞行模拟器六自由度平台后，　各国学者对以Ｓｔｅｗａｒｔ机构为代表的并联机构的机构学理论　研究投入了极大的热情。早期的研究主要集中于并联机构的　基本理论方面，如机构结构学、工作空间等。随着并联机构　应用的发展，目前的研究正逐渐向一些具体的实际问题发　展，如运动学中的位置正解、结构校验等。　图２　Ｓｔｅｗａｒｔ平台结构简图　六自由度并联机构的机构结构学研究的主要任务是揭　示机构的结构组成规律、机构的拓扑结构特征以及它们与机　构运动学、动力学特性之间的内在联系，并进行机构结构类　型的优选，构思发明新机构。这部分也是该机构学理论中研　究得较为成熟的部分，各国学者曾先后提出了６．ＳＰＳ平台机　构（即传统的Ｓｔｅｗａｒｔ机构）的各种变形机构（如６．ＳＰＳ单三角、　双三角机构等）以及６．ＲＳＳ、６．ＰＳＳ、６．ＴＰＳ等多种六自由度　并联平台机构。但无论是飞行模拟器，还是并联机器人、并　联机床以及各种运动模拟器，基于机构的制造、使用、经济　性等因素，大都采用６－ＴＰＳ或传统的６－ＳＰＳ机构，其结构简　图如图２所示。且目前飞行模拟器六自由度平台在机构结构　方面研制的关键点主要在于设计出加工、装配工艺性好，运　动范围大、精度高的球铰、十字铰等关节铰链组件。在这方　面，加拿大ＣＡＥ公司、德国力士乐（Ｒｅｘｒｏｔｈ）公司、日本科　学技术厅航空宇宙技术研究所最新研制的铰链组件都相当　典型。　六自由度并联机构运动学是目前并联机构学中研究的　重点，其主要研究内容有机构的位置、速度、加速度分析（即　正解、逆解），此外还包括机构的工作空间、奇异位形问题、　运动误差及结构校验、优化等方面。六自由度运动平台的位　置分析是求解机构的输入与输出构件的关系，即位置逆解与　正解，这是六自由度运动平台运动分析的最基本的任务，也　是机构速度、加速度、误差分析、工作空间分析、动（静）力　学和机构综合的基础，同时也是运动平台能实现精确位姿控　制的关键。与串联机构相反，并联机构的位置逆解较简单，　而位置正解由于平台的位置量与各分支的伸缩量间具有非　线性关系，且具有多解性【４】，因此求解较为困难，是并联机　构研究的热点问题之～。目前，对六自由度并联平台正解求　解的代表性方法主要有：１．数字迭代法［５】；２．代数法与数　字迭代法的结合［　】；３．基于附加位移传感器的纯代数法［７】．　数字迭代法方法简单，计算精度较高，但主要问题是算法的　收敛性未知，且收敛速度强烈依赖于初值的选取。代数法与　数字迭代法相结合的特点是能降低迭代搜索的维数，提高迭　代效率。基于附加位移传感器的纯代数法是近年来正解研究　中的重点，该方法在附加一个或三个位移传感器后，在一定　的约束条件下能求出６．６并联机构的封闭运动学正解。但实　现该方法的机械结构较为复杂，目前在飞行模拟器运动系统　中尚未见已有应用的报道。并联机构的工作空间及奇异位形　问题也是目前运动学中的研究热点，其中比较有特点的是　Ｇｏｓｓｅｌｉｎ用圆弧相交的方法求出了最大可达空间【８】。Ｈｕｎｔ在　１９８３年提出并联机构的奇异点问题，并对其进行了一般性　研究。国内，黄田教授以并联机床为目标，对并联机构的理　论作了进一步的发展，提出了并联机床工作空间的高效率数　值解法。燕山大学的黄真教授发展了对多种并联机构发生一　般线性从奇异的判别条件。　并联机构的动力学研究包括机构的动力学模型建立、受　力分析、惯性力计算、动力平衡、动力学响应等方面，它们　在六自由度运动平台的设计与控制中起到非常重要的作用，　是确定平台主要结构参数的基础。其中动力学模型的建立是　诸多动力学问题中最重要的一个方面。由于并联机构的复杂　性，其动力学模型通常是一个多自由度、多变量、高度非线　性、多参数耦合的复杂系统。目前，并联机构动力学的建模　方法主要有Ｎｅｗｔｏｎ．Ｅｕｌｅｒ方法、Ｌａｇｒａｎｇｅ方法、虚功方法　和Ｋａｎｅ方法。这些方法在工程实际中均有应用，目前研究　的重点是寻求一种动力学方程呈显式，系统性强，降维、易　于求解且计算量较小的动力学模型。　

３　飞行模拟器六自由度运动系统的驱动方式　

并联六自由度运动系统的驱动方式在很大程度上决定　了运动系统的承载能力、运动精度、快速性等性能指标，也　是运动系统中关键技术之一。