（机械设计及理论专业论文）高速列车驾驶仿真器动感模拟系统研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 摘 列车运行速度的提高对列车驾驶仿真器中的关键动感模拟系统提出 了新的更高要求，很有必要对其进行深入研究，以改善系统性能，提高模拟 逼真度。本博士学位论文深入系统地探索了高速列车驾驶仿真器动感模拟系 统中的体感模拟算法设计、系统参数匹配及运动平台设计等重要问题，主要 研究工作和取得的研究成果如下。 1 在分析三种常见体感模拟算法在高速列车驾驶仿真器应用中的不足， 和研究高速列车驾驶仿真器体感模拟算法设计中的关键问题的基础上，提出 了设计高速列车驾驶仿真器体感模拟算法的实现方法。在该方法中，基于不 同洗出位置对模拟逼真度的影响，找到最合适的洗出位置；基于遗传算法， 在满足运动平台的快速回位和人体运动感觉阂值的要求下，优化了高速列车 驾驶仿真器体感模拟算法固定参数；基于模糊控制，提出了两种高速列车驾 驶仿真器的体感模拟算法模糊经典洗出算法和模糊自适应洗出算法，新 算法不仅能满足高速列车驾驶仿真器实时计算要求，而且能获得更高的模拟 逼真度。 2 提出了高速列车驾驶仿真器动感模拟系统参数的优化匹配策略。通过 给出运动平台在六个方向上最大线( 角) 位移的快速求解方法，建立了高速 列车驾驶仿真器运动平台结构参数与洗出算法参数之间的关系，并提出了根 据运动平台结构参数确定洗出算法参数的新思路和面向模拟逼真度的仿真器 运动平台结构参数优化新方法，利用该方法同时获得了最优的高速列车驾驶 仿真器运动平台结构参数和与之匹配的洗出算法参数。 3 研究了高速列车驾驶仿真器运动平台的创新设计。提出了一种基于型 数综合的六自由度并联机构系统构型新方法。运用该法构造出3 p p r s 并联机 构作为高速列车驾驶仿真器新型运动平台，并面向模拟逼真度优化出其结构 参数。运动学动力学仿真和与6 s p s 并联机构的性能比较结果表明：3 业r s 并联机构能模拟高速列车运动，更有潜力作为高速列车驾驶仿真器运动平台。 借助a d a m s 、m a t l a b 软件完成本论文的建模、分析、仿真和优化工 作。 本论文得到铁道部科技发腱汁划及乖引动力阳家重点灾验室开放课题的资助 第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文 a bs t r a c t 、m t ht h ei n c r e a s eo ft r a i n r u n n i n gs p e e d t h em o v e m e n tp e r c e p t i o n s i m u l a t i o ns y s t e m ，w h i c hi st h ek e yt ot r a i nd r i v i n gs i m u l a t o r , m u s tm e e ts o m e n e wa n dt o u g hn e e d st ol m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e ，a n de n h a n c es i m u l a t i o n f i d e l i t y s o m ei m p o r t a n tp r o b l e m so fm o v e m e n tp e r c e p t i o ns i m u l a t i o ns y s t e mf o r h i g hs p e e dt r a i nd r i v i n gs i m u l a t o rs u c ha st h ep r o p r i o c e p t i v es i m u l a t i o na l g o r i t h m ， o p t i m a lm a t c ho fs y s t e mp a r a m e t e r sa n dd e s i g no fm o v e m e n tp l a t f o r ma r es t u d i e d s y s t e m a t i c a l l yi nt h i sd o c t o r a ld i s s e r t a t i o na sf o l l o w s f i r s t l y , t h ed e f i c i e n c i e so ft h r e ec o m m o n l yu s e dp r o p r i o c e p t i v es i m u l a t i o n a l g o r i t h m sa p p l i e dt oh i g hs p e e dt r a i nd r i v i n gs i m u l a t o ra r ea n a l y z e d ，a n dt h ek e y p r o b l e m sf o rd e s i g no fp r o p r i o c e p t i v es i m u l a t i o na l g o r i t h m sf o rh i g hs p e e dt r a i n d r i v i n gs i m u l a t o ra r ei n v e s t i g a t e d o nt h e s eb a s i s ，t h ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o df o r d e s i g no fp r o p r i o c e p t i v es i m u l a t i o na l g o r i t h m sf o rh i g hs p e e dt r a i n d r i v i n g s i m u l a t o ri sd e v e l o p e d i nt h i sm e t h o d ，t h eb e s tw a s h o u tl o c a t i o ni sf o u n db y s t u d y i n gt h ee f f e c to fd i f f e r e n tw a s h o u tl o c a t i o no ns i m u l a t i o nf i d e l i t y b a s e do n g e n e t i ca l g o r i t h m ，t h ef i x e dp a r a m e t e r so f p r o p r i o c e p t i v es i m u l a t i o na l g o r i t h m s f o rh i g hs p e e dt r a i nd r i v i n gs i m u l a t o ri so p t i m i z e dt os a t i s f ys u c hr e q u i r e m e n t sa s q u i c kr e t u mt oi n i t i a lp o s i t i o no fm o v e m e n tp l a t f o r ma n dt h r e s h o l d so fh u m a n b o d ym o v e m e n ts e n s a t i o n t w on e wp r o p r i o c e p t i v es i m u l a t i o na l g o r i t h m sf o r h i g hs p e e dt r a i nd r i v i n gs i m u l a t o r , i e ，t h ef u z z yc l a s s i c a lw a s h o u ta l g o r i t h ma n d t h ef u z z ya d a p t i v ew a s h o u ta l g o r i t h m ，a lep r e s e n t e dc o m b i n e d w i t hf u z z yc o n t r o l t h e o r y i tl sd e m o n s t r a t e dt h a tt h en e wa l g o r i t h m sc a nc a r r yo u tr e a l t i m e c a l c u l a t i o no fh i g hs p e e dt r a i nd r i v i n gs i m u l a t o rw i t hh i g h e rs i m u l a t i o nf i d e l i t y s e c o n d l y , o p t i m a lm a t c h i n gs t r a t e g yo np a r a m e t e r so fm o v e m e n tp e r c e p t i o n s i m u l a t i o ns y s t e mf o rh i g hs p e e dt r a i nd r i v i n gs i m u l a t o ri s p u tf o r w a r d t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns i m u l a t o rp l a t f o r ms t r u c t u r e p a r a m e t e r sa n d w a s h o u t a l g o r i t h mp a r a m e t e r si se s t a b l i s h e db yg i v i n gaf a s ts o l u t i o nf o rt h em a x i m u m l i n e a r ( a n g u l a r ) d i s p l a c e m e n ti ns i xd i r e c t i o n so fs i m u l a t o rp l a t f o m a n d an e w l d e af o rd e t e r m i n i n gt h ew a s h o u tp a r a m e t e r sb a s e do ns t r u c t u r a lp a r a m e t e r so f m o v e m e n tp l a t f o r ma n dan e wm e t h o df o rs i m u l a t o r p l a t f o n ns t r u c t u r ep a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o no r i e n t e dt os i m u l a t i o nf i d e l i t ya v ep r o p o s e d b yu s i n gt h en e w m e t h o d ，t h eo p t i m a lp l a t f o r ms t r u c t u r ep a r a m e t e r so fh i g hs p e e dt r a i nd r i v i n g s i m u l a t o ra n dt h em a t c h e dw a s h o u t a l g o r i t h m p a r a m e t e r s a r e g o t t e n 第页西南交通大学博士研究生学位论文 s i m u l t a n e o u s l y l a s t l y , t h ec r e a t i v ed e s i g nf o rt h em o v e m e n tp l a t f o r mo fh i g hs p e e dt r a i n d r i v i n gs i m u l a t o r i sd i s c u s s e d an e ws y s t e m a t i cc o n f i g u r a t i o nm e t h o df o r d e s i g n i n g6 - d o fp a r a l l e lm e c h a n i s mb a s e do nt y p en u m b e rs y n t h e s i si sp r e s e n t e d b ya p p l y i n gt h ep r e s e n t e dm e t h o d ，a3 胆r sp a r a l l e lm e c h a n i s mi so b t a i n e da st h e m o v e m e n tp l a t f o r mo fh i g hs p e e dt r a i n d r i v i n gs i m u l a t o r , w h o s es t r u c t u r e p a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e do r i e n t e dt os i m u l a t i o nf i d e l i t y c o m p a r e dw i t h6 s p s p a r a l l e lm a n i p u l a t o r , t h es i m u l a t i o nr e s u l t so nt h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c ss h o w t h a tt h e3 艘r sp a r a l l e lm e c h a n i s mc a nr e a l i z et h em o v e m e n t so fh i g hs p e e dt r a i n w i t hm o r ep o t e n t i a lt ob et h em o v e m e n tp l a t f o r mo fh i g hs p e e dt r a i nd r i v i n g s i m u l a t o r t h em o d e l i n g ，a n a l y s i s ，s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o ni nt h i sd i s s e r t a t i o na r e c o n d u c t e du t i l i z i n gt h es o f t w a r eo f a d a m sa n dm a t l a b k e yw o r d s ：h i g hs p e e dt r a i nd r i v i n gs i m u l a t o r ；m o v e m e n tp e r c e p t i o ns i m u l a t i o n s y s t e m ；p r o p r i o c e p t i v es i m u l a t i o na l g o r i t h m s ；m o v e m e n tp l a t f o r m ； s i m u l a t i o nf i d e l i t y 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“寸) 学位论文作者签名：王小免 日期：2 吖年7 月1 e t 指导教师签嬲； b 强汹年 具7 日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本论文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 提出了新的体感模拟算法。首先，结合仿真器类型给出了选择最优 洗出位置的具体方法( 3 2 ) ；其次，针对仿真器平台运动性能和人体运动感觉 阈值要求，提出了基于遗传算法的洗出算法参数优化新方法( 3 3 ) ；然后，结 合模糊控制理论，构造了两类新型洗出算法模式模糊经典洗出算法和模 糊自适应洗出算法( 3 4 ) 。最后，利用所提出的模糊自适应算法对高速列车驾 驶仿真器进行了分析和计算，计算结果表明，所提出的方法是有效的( 3 5 ) 。 ( 2 ) 提出了动感模拟系统参数的优化匹配方法。给出了一种快速确定运 动平台最大线( 角) 位移的方法( 4 2 ) ，在此基础上，建立了根据仿真器运动平 台结构参数确定洗出算法参数的求解新思路( 4 3 ) ；利用所提出的方法与思路， 分析了不同的仿真器运动平台结构参数选择对模拟逼真度的影d i 向( 4 4 ) ，进而 提出了面向模拟逼真度的仿真器运动平台结构参数优化新方法；仿真结果表 明，利用所提出的结构参数优化新方法同时可获得最优的仿真器运动平台结 构参数和与之匹配的洗出算法参数( 4 5 ) 。 ( 3 ) 研究了运动平台构型的创新设计。提出了一种六自由度并联机构的 系统构型方法，并依此法构造出新型高速列车驾驶仿真器运动平台( 5 2 ) ，利 用本文所提出的面向仿真器模拟逼真度优化方法确定出新型并联机构结构参 数( 5 3 ) ，建立了新型并联机构的运动学和动力学模型，确定出相关运动参数 ( 5 4 ，5 5 ) 。与高速列车驾驶仿真器常用平台6 s s 并联机构分别从机构性 能和模拟逼真度方面进行了分析与比较，结果表明新型并联机构更有潜力作 为高速列车驾驶仿真器运动平台( 5 6 ，5 7 ，5 8 ) 。 学位论文作者签名：壬，j 蔫 日期：工口0 7 年9月一7 日 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 选题的意义 列车驾驶仿真器以其经济、安全、可重复性等特点已广泛应用于铁路事 业中【卜8 1 ，它不仅可有效解决了驾驶员的培训问题，而且在列车性能研究及新 型列车开发方面也起到了巨大的作用。仿真器根据用途可分为三种【9 】：开发 型一主要用于新产品的开发，功能最强大；研究型一主要针对研究内容而有 不同的设计；训练型主要用于驾驶员基本技能的培训，结构最简单。驾驶 仿真器的模拟效果以模拟逼真度来衡量，迄今，国内外学者尚未对模拟逼真 度给出统一定义【1 0 - 1 6 】。根据g j b l 8 4 9 1 9 9 3 ，模拟逼真度被定义为仿真设备对 被模拟对象模拟出的特性与其真实特性相吻合的程度。无疑，开发型驾驶仿 真器具有最高的模拟逼真度，但当前国内外配置的列车模拟装置基本上属训 练型，功能有限【l7 1 。随着列车运行速度的不断提高，铁路运输中出现了新的 变化【1 8 】：( 1 ) 留给司机操作时间更短，对其操作技能水平要求更高；( 2 ) 列车 运行环境更加恶劣，使得高速机车车辆必须具有区别于普通机车车辆的结构 【1 9 】；( 3 ) 高速列车的模拟对象也有很大的变化，对许多新设备和部件需要进 行大量的研究和试验工作：( 4 ) 外购的高速列车驾驶仿真器不仅造成购买价 格的提升，灵活性较差，而且后续的技术支持和维护费用也较高。而目前已 有的大部分列车驾驶仿真器不仅对研究新型高速列车性能几乎没有帮助，而 且对高速列车驾驶员的培训任务也因为其功能有限而无法完成【l7 | 。因此，自 主研制高速列车驾驶仿真器势在必行。 高速列车驾驶仿真器在设计和应用中急需解决的主要问题包括【l7 j ：( 1 ) 行业标准的制定，( 2 ) 高速列车的牵引计算方法，( 3 ) 仿真视景生成方法，( 4 ) 真实感设备研究。其中真实感设备的研究目的主要是能够使仿真器驾驶员能 产生与实际驾驶相同的听觉和动觉，可分别由仿真器中的声音模拟系统和动 感模拟系统产生的声音模拟和动感模拟实现。随着多媒体技术的发展，仿真 器声音模拟已经达到较高的水平，可以模拟机车上的各种声源【2 叫；而通过查 阅相关文献可知，国内外对动感模拟系统的研究缺乏全面性和系统性，对高 速列车驾驶仿真器动感模拟系统研究还未开展。 动感模拟系统作为仿真器中产生人体运动感觉的关键，其设计的优劣直 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 接影响驾驶仿真器性能的好坏。由于此系统在设计完成后不易改动，不当的 设计所产生的结果是产生仿真器建模误差 2 1 - 2 5 】的主要因素之一，因此，动感 模拟系统的设计成为仿真器研究中的一个热点和难点。鉴于当前我国对高速 列车的重大需求，开展其动感模拟系统的研究，对开发和设计多样化的新型 高速列车及其驾驶仿真器，培训现代化的高速列车驾驶员，带动相关学科的 发展具有重要的理论意义和应用价值。 1 2 高速列车驾驶仿真器介绍 1 2 1 高速列车驾驶仿真器结构介绍 由于高速列车运行速度高，留给司机的反应时间也大大缩短，高速列车 驾驶仿真器除了具备常速机车驾驶仿真器的功能外，还应具型1 7 】：能反复进 行常规的试验训练；故障时的操纵训练；体会一些真实机车上无法体验到的 现象，例如列车的最大冲击、列车冲动与操纵间的关系等；紧急反应能力训 练，需要乘务员遇到路面险情和机车紧急故障时，有及时的反应能力和快速 处理能力，迅速做出判断并进行排除；完善的教学和评估系统等功能。 图1 - 1 全功能高速列车驾驶仿真器体系结构图 全功能高速列车驾驶仿真器具体体系结构【2 6 j 如图l 一1 所示。仿真器驾驶 员在司机室里根据视景生成计算机群传输到投影屏幕的图像和声音仿真系统 发出的车辆运行声音完成列车驾驶操作，操作信号经主控计算机转换为列车 当前运行状态信号，再通过运动控制计算机获得六自由度运动平台的驱动信 号，然后输入给运动平台后使仿真器驾驶员获得与实际驾驶相同的运动感觉 ( 动感) ，从而达到训练和研究的目的。其中动感仿真、视景仿真和声音仿真 协调一致，以避免产生人体感觉误差，与此同时，教员监控台和训练观摩台 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 通过通讯系统可以实时获得司机驾驶情况。 高速列车驾驶仿真墨系统结构 主体枯构辅勇2 部分 列车环境列车硅能 监控训练观 广 广 模拟部分 模j i ；【部分 部分摩部分 广= 1 广上 司机室声音模拟系统视景系统 动感模拟系统通讯亲统 ( 触觉) ( 听觉) ( 视觉) ( 动觉) ，六自面 行为 ， 六自由度运动行为 运动系统 仿真系统 图1 - 2 全功能高速列车驾驶仿真器功能结构图 全功能高速列车驾驶仿真器功能结构【2 6 如图1 2 所示。具体可分为主体 结构和辅助部分。其中辅助部分包括教员监控台和训练观摩台。而主体结构 又可分为列车环境模拟和列车性能模拟两大部分，其中列车环境模拟部分主 要包括：司机室( 触觉) 、视景系统( 视觉) 、声音模拟系统( 听觉) 等；列 车性能模拟部分则主要包括动感模拟系统( 动觉) 和通讯系统。其中动感模 拟系统由列车运动行为仿真系统和六自由度运动系统组成，具有模拟列车运 行过程中司机室在纵向、横向、垂向、横滚、俯仰和偏航等六个自由度各个 方向的位移、速度和加速度( 或角度、角速度和角加速度) ，即模拟列车运动 行为。 1 2 2 高速列车驾驶仿真器动感模拟系统介绍 动感模拟技术的生理学依据是，为了模拟人体在某种载体上的运动感觉， 只要给人体输入一种类似于该载体产生的同类刺激信息，则人体就会产生实 际载体的动觉或体感 2 7 】。高速列车驾驶仿真器动感模拟系统正是通过对六自 由度运动平台的合理控制，为仿真器驾驶员提供与实际高速列车驾驶员相同 的感觉刺激，以产生相同的驾驶运动感觉。 刮攀悸 司机操纵i 列车运l馨毒差 叫搿厣 图1 - 3 高速列车驾驶仿真器动感模拟系统原理框图 高速列车驾驶仿真器动感模拟系统 2 6 1 如图1 3 虚框所示。其中列车运动 行为仿真模块的作用是将根据列车运行控制模块计算出的列车运行状态参数 转化为六自由度运动系统的驱动参数。由于六自由度运动系统作动器行程有 运一感器一机真一司钔一供 菌一 一 - 一 一 一 一 一团一 一一列行一一 r 噎l 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 限，在完成一次运动后，必须换向回到初始位置，以便使连续的模拟运动具 有足够的行程。通常把这种回到初始位置的附加运动称为运动的洗出，因为 洗出是附加运动，驾驶员应感觉不到该运动的存在，因此，在设计列车运动 行为仿真模块时必须考虑对洗出运动的处理，相应的处理方法称为体感模拟 算法，又叫洗出算法( w a s h o u t a l g o r i t h m ) 。体感模拟算法作为列车运动行为仿 真模块的具体体现，不仅使得仿真器能够在有限的工作空间内模拟高速列车 实际运动，而且产生与实际驾驶过程相同的人体运动感觉，属于控制软件部 分。六自由度运动系统作为驾驶仿真器动感模拟系统的硬件实现部分，是仿 真器驾驶舱的载体，能够根据列车运动行为仿真模块计算出的驱动参数模拟 出相应的列车实际运动情况，使得驾驶舱中的司机感受到相应的运动感觉。 所以，六自由度运动系统性能的优劣也将直接影响到对实际列车模拟的逼真 程度。 可见，动感模拟系统是决定仿真器能否合理运动，并进而影响仿真器驾 驶员做出正确操作的关键因素。由于驾驶仿真器的动感模拟系统由体感模拟 算法和六自由度运动系统共同构成，二者相互影响，相互制约，所以只有二 者达到最优匹配时，才能获得性能最佳的动感模拟系统。 1 3 动感模拟系统研究现状 高速列车驾驶仿真器作为一种新型的驾驶仿真器，特殊的运行环境对其 动感模拟系统提出了更高的要求，具体包括：( 1 ) 体感模拟算法计算速度应 更快，有更高的复杂环境处理能力，能产生更高的模拟逼真度，满足高速列 车驾驶仿真器模拟的实时计算和复杂的运动性能模拟要求；( 2 ) 运动平台需 提供更大的运动空间，更高的平台回位速度和回位加速度，以及防止由于列 车运动频率的增加而产生的运动平台共振现象等，以提高高速列车驾驶仿真 器响应能力和为模拟复杂环境提供可能：( 3 ) 有必要研究体感模拟算法与运 动平台系统之间的最优匹配方法。 因此，下面将对体感模拟算法、运动平台系统以及二者匹配等内容的研 究概况作一综述。 1 3 1 体感模拟算法研究现状 国外对体感模拟算法的研究始于1 9 7 0 年，s c h m i d ts f 等【2 8 j 针对飞行驾驶 仿真器的研制提出了经典洗出算法，对体感模拟技术的发展开辟了新的道路， 以后的应用证明【2 9 - 3 1 ，经典洗出算法由于形势简单、易于调节、执行速度快 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 得到较为广泛的应用。1 9 7 5 年9 月，r u s s e l lv p a r r i s h 等【3 ，2 j 同样针对飞行驾驶 仿真器研制提出了协调自适应洗出算法，由于所有的自适应滤波器参数可以 自动调整，因此具有很好的智能性，但是由于其涉及参数、微分方程较多， 处理时间较长，限于理论和计算机的处理速度发展，该方法一直以来未能得 到较大发展。1 9 8 2 年，r a p h a e ls i v a n ，j e h u d ai s h s h a l o m 及j e n k u a n gh u a n g 等【3 3 同样针对飞行驾驶仿真器研制提出了最优控制洗出法，其中用到的滤波 器是由最优控制设计，此法使用驾驶员回路，通过仿真器响应和实际飞行器 响应误差极小化调整滤波器系数，提高模拟逼真度。1 9 9 0 年，m a n a h o n 及 l d r e i d 等【3 4 j 对经典洗出算法、最优控制洗出算法、协调自适应洗出算法 进行了分析比较，探讨了三种洗出算法的优缺点。1 9 9 2 年，m a n a h o n 及l d r e i d 3 5 j 提出了一种混合经典洗出算法和协调自适应洗出算法二者特点的 新算法，利用监督软件来调整经典洗出算法参数，并且发现带有自适应增益 滤波器的4 阶价值函数会产生最优的调整结果。1 9 9 7 年，p r g r a n t 和l d r e i d 3 6 】探讨了经典洗出算法的调节方法和实验时所面临的问题，认为实验结 果受到飞行员和调节洗出滤波器人员等因素影响，并探讨体感模拟逼真度和 分析误差产生的原因，并试图提供一些解决方法来克服实验上所遇到的问题。 1 9 9 7 年，s i g e r uo m a y u 和m i c h i f u m iy o s h i o k ap ，j 提出一种自调式神经p i d 控 制，由自调式控制架构来调整p i d 控制器的参数值，权重值参数的调整则根 据降低输出与输入之间信号误差实时进行，产生了较好的模拟效果。1 9 9 9 年5 月，i o w a 大学的r i c h a r da n t h o n yr o m a n o 弱j 针对常用于大行程飞行驾驶仿真 器的经典洗出算法存在的问题，提出了一种新的算法：三阶最小时间控制算 法，该算法有效地消除了产生持续加速度时的错误暗示和倾斜协调操作与平 台旋转之间的交互影响，新算法比经典洗出算法提供了更好的侧向比力暗示 和偏航角速度暗示。同年，n e wy o r k ) - i 、f 立大学的r o b e r tj t e l b a n 矛i f r a n km c a r d u l l o 3 9 】针对飞行驾驶仿真器提出了一种以模拟飞机角速度为输入的最优 控制洗出算法，该算法以实际驾驶与仿真器驾驶时人体感觉误差最小为价值 函数，比较了角速度输入响应与以往的以角加速度为输入的暗示响应，表明 运用角速度输入提高了模拟逼真度，同时也与自适应洗出算法进行角速度输 入暗示比较，证明该算法几乎达到与自适应洗出算法相同的模拟效果。2 0 0 1 年，m i nk y up a r k 等人【4 0 】发展了一种改进经典洗出的算法，结合人体感觉模 型并且利用带通滤波器和死区替代经典洗出算法中的高通滤波器，使用人体 感觉模型为经典洗出算法选择充裕的滤波器截止频率，利用死区原理可以最 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 小化滤波器相位延迟，并且可以消除人体感觉器官感觉不灵敏的多余信号。 2 0 0 3 年起，r o b e r tj t e l b a n 4 h 3 】提出了一种新的洗出算法：非线性控制洗出 算法，根据最优控制建立方程，参数实时更新，结合一种新的视觉一前庭感觉 模型，利用神经网络方法实时求解矩阵r i c c a t i 方程求出算法的最优控制律。 非线性算法垂向模式产生时变，对于大行程可以持续产生小的暗示，并且比 最优洗出算法能更快地洗出大的暗示；同时集成感觉模型也极大地改善了纵 向、侧向的运动响应。2 0 0 4 年，c h u n g - s h ul i a o 等人m 】针对娱乐的六自由度 运动仿真器也提出了一种新的洗出算法，将从仿真器逆运动学，工作范围边 界得到的信息实时检测并作为运动设计参数输入洗出滤波器，这种方法的主 要目的是在有限的运动空间内得到可行的运动暗示，同时确保驾驶系统的鲁 棒性。文中建立不同的参数来规范运动暗示的性能，并与经典洗出算法比较， 证明了新算法的优越性。2 0 0 5 年8 月，a m i r n a s e f i 和p e t e r g r a n t 【4 5 j 在协调自适 应洗出算法的基础上考虑液压缸当前状态，与传统的惯性笛卡尔自适应洗出 算法相反，将基于自适应算法价值函数提出的作动器状态方程直接应用到仿 真器当前状态中，可以间接地解决自由度之间的耦合关系，在价值函数中考 虑作动器状态同时也可以构造出一种更具鲁棒性的洗出算法，并且比白适应 算法需要更少的调节，新算法对于解决飞行操作突然超出运动范围时的情况 是很有潜力的。 国内在此方面的研究相对较晚。最先报道研究体感模拟技术的是1 9 9 3 年，吉林工业大学的杨小波等人【铂j 对当时在国内尚属空白的开发型汽车驾驶 仿真器的体感模拟算法进行了研究。1 9 9 4 年，杨小波等人【4 7 】又针对汽车驾驶 仿真器研究了人一车一环境系统特性，提出协调自适应洗出算法，同时建立人 体感觉评价模型，运用该模型在没有仿真器硬件的前提下可对所开发的体感 模拟算法逼真效果予以评价。1 9 9 5 年，辽宁工学院的陈言忠等人【4 8 】同样针对 汽车驾驶仿真器，详细地探讨了经典洗出算法，并编制f o r t r a n 程序，验 证了该算法的合理性。1 9 9 5 年吉林工业大学的管欣等人【4 9 】运用最优控制理 论，结合人体感觉评价模型，建立汽车动态仿真器的运动控制模型，作为汽 车仿真器设计时参考并最终应用于仿真器运动驱动控制软件，证明可以较好 地模拟人体运动感觉。1 9 9 7 年，吉林工业大学的宗昌富等人【5 0 】利用人体感觉 评价模型分析比较了汽车动态仿真器运动系统的两种驱动算法的模拟逼真 度，证明了自适应洗出驱动算法比经典洗出驱动算法具有更高的模拟逼真度。 2 0 0 1 年，宗昌富等人【5 1 】又对文献【4 6 提出的自适应洗出算法进行了改进，在代 西南交通大学博士研究生学位论文第7 页 价函数中增加了返回到平台驱动杆初值的惩罚项，证明如果不加入此限制， 当时间增加时，平台将返回到不可接受的值。2 0 0 2 年华中科技大学的熊晓华 等人【5 2 1 ，2 0 0 3 年，中国民用航空学院的韩蕾等人【5 3 1 ，把经典洗出算法应用到 飞行驾驶仿真器中，结合人体感觉评价模型，验证了该算法在飞行驾驶仿真 器中的有效性。2 0 0 5 年，哈尔滨工业大学的韩俊伟等人【5 4 】运用最优控制理论 并引入人体感觉评价模型设计出最优控制洗出算法，并证明如果合理选择权 重矩阵，最优控制洗出算法能够使飞行驾驶仿真器提供高逼真度的动感模拟。 相对于体感模拟技术在汽车、飞行驾驶仿真器中的发展和应用，在列车驾驶 仿真器方面开展较晚，2 0 0 5 年西南交通大学的胡长割5 5 】以及2 0 0 6 年西南交 通大学的陈志雄【2 6 j 在他们的硕士论文中首次对列车驾驶仿真器体感模拟技 术进行了探讨，但是仅仅局限于经典洗出算法，而且所使用的算法参数均是 来自于其它类型仿真器的体感模拟算法，因此，运动感觉的模拟效果非常有 限 5 6 】。 1 3 2 运动平台系统研究现状 运动平台系统作为体感模拟信号的接收和执行机构，其设计性能必定与 体感模拟算法有关，进而会对最终的模拟效果产生直接的影响 5 7 - 5 8 ，其设计 内容主要包括构型设计和结构参数优化。 1 3 2 1 六自由度运动平台构型综合 1 9 6 5 年，h u n t 提出了目前广为应用的s t e w a r t 六自由度并联机构。1 9 8 8 年，b e h i 5 9 提出了3 里i 逻s 六自由度并联机构。1 9 9 2 年，m o u l y 和m e r l e t 【6 0 】 提出了一种6 - p s s 六自由度并联机构。1 9 9 4 年，a l i z a d e 等 6 1j 提出了一种三 支链带环形轨道的3 - 一p r p s 六自由度并联机构；1 9 9 4 年9 月，r p p o d h o r o d e s k i 和k h p i t t e n s 6 2 j 列举了所有 - i n k 的非冗余六自由度并联操作器结构的支链数 和每个支链可能存在的主动副数，分析了并联机构的首要特征因素，并针对 其中一类特殊的三支链( 3 ( 2 ，2 ，2 ) ) 六自由度并联机构进行分析，以丛r s 构型为例，对每个运动简单支链( k i n e m a t i c a l l ys i m p l eb r a n c h ) 的运动副轴 线布置进行探讨，排除在设计中出现重复结构的情况。1 9 9 7 年，p r i t s c h o w 6 3 等人归纳出因支链运动副配置、驱动器配置、基础平台和动平台布局的不同 所可能产生的各种外副驱动六自由度并联机构，并提出一种查表构造此类并 联机构的设计方法；2 0 0 3 年7 月，a n j a nk u m a rd a s h 等【删给出了六自由度模 块化并联操作器最优设计方法，其中在型综合中，给出了使用查询表选择结 第8 页西南交通大学博士研究生学位论文 构类型的一般方法，该表是基于经验和认识数据库构造，对于不同类型的任 务给出合适的并联结构。2 0 0 4 年4 月，y a nj i n 等【6 5 j 提出了一种新的三支链 六自由度并联操作器( p m ) ，称为选择性驱动并联操作器( s a p m ) 。操作 器的末端感应器可产生三自由度球面运动，三自由度平移和三自由度混合运 动，或者六自由度空间运动，取决于为驱动器选择的驱动类型。2 0 0 4 年l o 月，g u i l i ny a n g 等断】提出了一种新型六自由度并联机构，使用三条相同的 r p r s 支腿支撑运动平台，因为除支腿末端的三个球铰之外，所有运动副的 轴线相互平行并与底面垂直，因此该机构是一种有潜力的弱耦合运动结构。 2 0 0 8 年7 月，y a nj i n 等【67 j 研究了一类具有3 对称机构支链的部分解耦六自 由度并联操作器的设计，并引入群解耦( g r o u pd e c o u p l i n g ，g d ) 的概念到解 耦运动并联操作器的综合和分类中，基于g d 和力偶系统分析，系统地执行 该操作器家族的型综合。2 0 0 8 年1 1 月，j o s em r i c o 等【6 驯给出了当动平台的 位移产生欧几里德群的一个子群时全并联平台型综合的三种可能性，以及当 动平台的位移产生欧几里德群的一个子集时全并联平台型综合的两种可能 性，并针对其中一种可能性进行举例证明，一旦这些型综合的可能性被阐明 清楚，全并联平台的型综合问题将退化成产生需要的欧几里德群子群或子集 的支链综合。 国内的相关研究主要有：1 9 8 4 年，黄真【6 9 】分析了6 r s s 六自由度并联机 构；高峰等1 7 0 j 在1 9 9 9 年提出了一种正交式的六自由度并联机构，并将其用 作虚拟轴机床。2 0 0 4 年3 月，杨廷力 l j 通过构造单开链支路结构和混合单开 链支路结构，利用拓扑结构综合法建立了2 4 种3 t - 3 r 并联机构拓扑结构构 型，并按照并联机构设计的不同要求，基于基本回路过约束性、机构耦合度、 控制解耦性、主动副位置、消极运动副自由度存在性以及结构对称性等对得 到的六自由度并联机构进行了分类。2 0 0 4 年7 月，沈惠平等【7 2 】提出了基于混 合单开链的六自由度弱耦合并联机器人机构机型设计的一种程式化方法，该 方法的特点是将混合单开链( 含单开链) 作为并联机构的“腿”结构( 或称 支链、分支) 设计出输出构件可实现3 平移及3 转动的7 个新的实用混合单 开链。 在上述文献中，构造六自由度并联机构的常见做法是在s t e w a r t 六自由 度并联机构的基础上，在改变支链运动副的种类、排列顺序以及方向等的同 时保持支链的六个独立自由度，即得到新的六自由度并联机构，此法虽然过 程简单，但构型种类范围有限 7 3 。7 6 1 。而目前较成熟的构型方法，即约束螺旋 西南交通大学博士研究生学位论文第9 页 综合法、位移子群综合法及拓扑结构综合法，理论实质相同，认为动平台的 运动为各支链运动的集合【7 4 。9 i ，其差别体现在支链设计上：约束螺旋综合法 是通过各支链运动螺旋系的线性组合生成支链运动链；位移子群综合法是将 机构位移流形根据群算法得到支链位移流形，进而构建支链运动链；拓扑结 构综合法通过合理分配给各基本回路的秩来设计各支链，防止出现非期望运 动输出。以上三种方法着重描述对约束自由度的限制以及对其它自由度的影 响，当构造六自由度并联机构时，使用前两种构型理论则由于支链运动螺旋 系和支链位移流形的任意选定而使构型过程毫无优势，且两构型理论除自身 缺陷外，还存在构型结果较多，不易分析等困难；对于拓扑结构综合法，杨 廷力【7 1 1 、沈惠平等p 2 j 分别提出了基于单开链和混合单开链的六自由度并联机 器人机构机型设计方法，但该方法缺乏支链设计过程，且支链设计形式复杂， 构型结果分析困难。除此之外，还有种并联机构构型方法一型数综合法 【6 2 击7 7 9 8 2 】，即通过数综合与型综合，确定并联机构杆副配置、驱动方式和总 体布局，产生满足要求的构型。但是，迄今应用时多是根据设计经验给出一 种或几种支链结构形式后构造出可能的并联机构，而缺乏支链详细设计过程， 使得应用有限。 1 3 2 2 运动平台结构参数优化 根据指定的工作空间经常作为并联机构结构参数优化的标准【8 3 。8 6 】， 1 9 9 7 年，m e r l e t t 8 7 1 设计了一种数值方法用于搜索给出所有能够包含给定工作 空间的g o u g h 型六自由度并联操作器。2 0 0 0 年，m e r l e t 8 8 根据并联机构的动 力学性能与末端执行器受力向连杆负载之间的映射关系即雅可比矩阵，提出 了并联机构优化设计的刚度准则、动力学准则、灵巧性和各向同性准则、工 作空间准则。2 0 0 1 年，s u n g g a u nk i m 和j e h ar y u 8 9 为了避免雅可比矩阵出 现单位不匹配，使用三点集成坐标系产生一种新的雅可比矩阵，生成一种9 x 9 维的对称雅可比矩阵，新雅可比矩阵的条件数作为并联操作起的结构或姿态 最优设计，产生了较好的灵巧度。2 0 0 3 年，s t o c k 和m i l l e r t 9 0 j 在目标函数中 应用了操作灵活度和工作空间指标的线性结合，优化出的并联机构结构参数 同时满足此两条件。2 0 0