（机械电子工程专业论文）模拟塞车运动控制平台及控制策略研究.pdf

独创性声明 liyllil111llllll8llllll7llltll9llllll6111111211111攀 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学和其它教育机构的学位和证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了感谢。 dj 工1 牙 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留交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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 霄鲰支导师( 签名) 妒俾日期冰埘 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国国民经济的稳步增长，城乡居民消费结构的升级，这将进一步带 动产业结构调整和加快第三产业发展。国家提出构建和谐社会战略对游乐业快 速发展提供了有利条件，面对巨大的市场需求，游乐业将拥有广阔的发展空间。 鉴于国内外赛车游戏模拟平台的发展现状，开发出一款既经济又能逼真模拟赛 车游戏的模拟赛车游戏平台具有很好的市场前景。 本文主要从硬件平台搭建和控制系统设计两方面对系统进行深入研究，设 计出一款国内技术领先的模拟赛车游戏平台。系统根据赛车游戏动画信息和玩 家操作信息实现真实赛车赛况模拟，玩家可以逼真地感觉到因赛况不同以及操 作的区别造成的赛车的振动反馈。系统利用液压驱动平台的实时运动来模拟实 时赛车状况，给予玩家动感刺激的赛车体验。 本文的主要内容包括以下几个方面： 1 ) 完成系统的整体硬件设计工作。主要是系统硬件平台的搭建，包括赛车 驾驶平台机械结构的设计以及液压驱动系统的设计。 2 ) 完成控制系统硬件和软件设计。设计了由基于s t m 3 2 核心芯片的主控 制器和m d 2 控制器构成的控制系统；开发了系统接口的驱动软件。 3 ) 通过对汽车振动系统分析，结合本模拟赛车运动平台，研究开发出一套 模拟赛车控制策略。 4 ) 利用虚拟样机技术实现对系统的运动仿真分析，实现对系统硬件设计以 及控制策略的检验。 最后，论文在总结全文工作的基础上，指出了系统的不足之处和进_ 黼的 工作方向。 关键词：模拟赛车；液压平台；s t m 3 2 ；控制策略 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e s t e a d yg r o w t h o fc h i n e s en a t i o n a l e c o n o m y , u p g r a d i n g t h e c o n s u m p t i o ns t r u c t u r eo fu r b a na n dr u r a lr e s i d e n t s ，w h i c hw i l l f u r t h e rp r o m o t e m d 州a lr e s t r u c t u r i n ga n da c c e l e r a t e dd e v e l o p m e n to ft e r t i a r yi n d u s t r y n a t i o n a l s t r a t e g yf o rb u i l d i n gah a r m o n i o u ss o c i e t yp r o p o s e da m u s e m e n ti n d u s t r yp r o v i d e s f a v o r a b l ec o n d i t i o n sf o rr a p i dd e v e l o p m e n to ft h ef a c eo ft h eh u g em a r k e td e m a n d ， a m u s e m e n ti n d u s t r yw i l lh a v eab r o a ds p a c ef o rd e v e l o p m e n t i nv i e wo fd o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a lr a c i n gg a m es i m u l a t i o np l a t f o r md e v e l o p m e n ts t a t u s ，b u ta l s o d e v e l o p e dar e a l i s t i cs i m u l a t i o no f b o t ht h ee c o n o m i cs i m u l a t i o nr a c i n gg a m er a c i n g g a m ep l a t f o r mh a sg o o dm a r k e tp r o s p e c t s t h i st h e s i si n t r o d u c e st h es y s t e md e v e l o p m e n tp r o c e s sf r o mt h eh a r d w a r e p l a t f o r m sb u i l da n dt h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e m ；d e s i g nal e a d i n gt e c h n o l o g y p l a t f o r mf o rt h es i m u l a t i o no f r a c i n gg a m e t h es y s t e ms i m u l a t et h er e a lr a c i n gs i t u a t i o nb a s e do nt h ei n f o r m a t i o nf r o m a n i m a t i o ns y s t e ma n dp l a y e r so p e r a t i o n ，p l a y e rc a ng e tr e a l i s t i cf e e l i n g sd u et ot h e p l a y e r so p e r a t i o na n dd i f f e r e n c eo fr a c i n gs i t u a t i o nb yv i b r a t i o nf e e d b a c k t h e h y d r a u l i cd r i v es y s t e mi su s e dt or e a l i z er e a l t i m em o t i o no ft h er a c i n gp l a t f o r mt o s i m u l a t et h er a c i n gc o n d i t i o n s ，w h i c hg i v ep l a y e re x c i t i n ga n dd y n a m i cr a c i n g e x p e r i e n c e g e n e r a l l ys p e a k i n g ，f o u rp a r t sa r ei n c l u d e di nt h et h e s i s f i r s t ，c o m p l e t et h es y s t e m so v e r a l lh a r d w a r ed e s i g n r sm a i n l yt h eh a r d w a r e p l a t f o r mb u i l t , i n d u d i n gt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h ec a rd r i v i n gp l a t f o r md e s i g n a n dh y d r a u l i cd r i v es y s t e md e s i g n s e c o n d ，c o m p l e t ec o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n h a r d w a r e d e s i g ni st od e s i g na c o n t r o ls y s t e mw h i c hi sc o n s i s to fam a i nc o n t r o l l e rb a s e do nt h e c h i po fs t m 3 2a n dt h em d 2c o n t r o l l e r ；s o f t w a r ed e s i g ni st od e v e l o ps o m ei n t e r f a c e d r i v e r t h i r d ，a n a l y s i so fa u t o m o b i l e v i b r a t i o ns y s t e m ，d e v e l o pas e to fc o n t r o l s t r a t e g i e sf o rt h i sr a c i n gs i m u l a t i o np l a t f o r m t t 武汉理工大学硕士学位论文 f o u r t l ：l ，m a k e 1 s eo fv i r t u a l p r o t o t ：) r p i n gt e c h n o l o g yt o d os o m em o t i o n s i m u l a t i o nt o a n a l y s i st h es y s t e m , t ot e s tt h eh a r d w a r ed e s i g na n dt h ec o n t r o l s t r a t e g i e s f i n a l l y , b a s e do ns u m m a r i z i n gt h ew h o l et h e s i s ，i t sw e a kp o i n t sa n df u f t h o r r e s e a r c hd h e c t i o na r ep o i n t e do u t k e yw o r d s ：r a c i n gs i m u l a t i o n ；h y d r a u l i cp l a t f o r m ；s t m 3 2 ；c o n t r o ls t r a t e g y i i l o 位论文 第l 章绪论1 1 1 课题研究背景l 1 2 国内外技术发展现状与趋势2 1 3 模拟赛车系统发展现状3 1 4 研究内容与论文组织结构6 1 4 1 课题主要研究内容6 1 4 2 论文组织结构6 第2 章模拟赛车运动控制平台概述8 2 1 模拟赛车简介8 2 2 模拟赛车运动控制平台方案提出8 2 3 平台设计要求8 2 4 系统整体设计9 2 5 本章小结1 0 第3 章硬件结构平台构架1 l 3 1 赛车驾驶平台整体设计1 l 3 2 车身设计1 2 3 3 车体与液压系统连接设计1 2 3 3 1 车顶架设计1 2 3 3 2 摆杆设计1 3 3 4 液压系统设计1 4 3 4 1 液压系统整体设计1 4 3 4 2 液压缸选型1 4 3 4 3 电磁阀选型15 3 4 4 其它元件选型l6 3 5 本章小结1 7 第4 章控制系统构建j 18 4 1 控制系统整体架构18 i v 武汉理工大学硕士学位论文 4 2 主控制器模块19 4 2 1c o r t e x m 3 处理芯片选型一1 9 4 2 2 主控制器电路设计2 1 4 3 信息采集模块。2 5 4 4 控制实施模块2 5 4 4 1m d 2 控制器。2 5 4 4 2p a s o 软件2 8 4 5 本章小结3l 第5 章系统驱动软件设计3 2 5 1u s b 固件驱动。3 2 5 1 1u s bh i d 简介3 2 5 1 2 系统u s b 通讯协议3 3 5 i 3u s b 固件驱动程序编写3 4 5 2c a n o p c n 驱动3 6 5 2 1c a n o p e n 协议简介3 6 5 2 2c a n o p e n 简易主站方案3 9 5 2 3 程序具体实现。4 2 5 3 交互软件设计：4 7 5 3 1 交互软件设计目的4 7 5 3 2 软件设计规划4 7 5 3 3 具体实现。4 8 5 4 本章小结5l 第6 章控制策略研究5 2 6 1 控制对象分析5 2 6 2 控制模型建立5 4 6 2 1 汽车振动模型5 4 6 2 2 赛车平台控制模型5 7 6 3 控制方案实现5 9 6 4 本章小结6 5 第7 章仿真及实验6 6 7 1 虚拟样机技术及a d a m s 简介6 6 7 1 1 虚拟样机技术6 6 v 武汉理工大学硕士学位论文 7 1 2a d a m s 简介及a d a m s 仿真分析步骤6 6 7 2 建模仿真6 8 7 2 1 局部对象建模仿真一6 8 7 2 2 整个赛车平台建模仿真。7 0 7 3 实验7 l 7 4 本章小结。7 2 第8 章总结与展望7 3 8 1 工作总结7 3 8 2 工作展望7 4 致 谢7 5 参考文献7 6 攻读硕士期间发表的论文与参加的科研项目。7 9 附录一系统实验环境8 0 附录二电路p c b 图8 1 v i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 随着我国近年来的城镇居民的平均收入的增长，人们的消费需求也发生了 明显的变化，根据( 2 0 0 6 年中国中高收入城市居民时尚指数研究报告表明， 人们的主要娱乐方式向室内外的主题乐园转换，这些休闲活动表现为呈现趣味 化以及多元化的特点，据此预计游客会有每年超过2 5 的支出增长率消费于主题 乐园中。 从国内外市场方面来看，将美国、西欧、日本排除在外，在中东、澳洲、 东欧以及南美的市场以很快的速度增长，基于如此大的市场需求，这将必然会 导致与之相配套的产品和设备的需求呈现倍增的态势。游乐设备产业迎来了前 所未有的机遇【l 】。然而，我国目前游乐设备产品科技含量普遍不高，主要集中在 中低端产品开发和制造阶段，与科技产业的发展形成巨大的反差。因此，游乐 设备产业正面临着严峻的挑战。 由于国际游戏游乐业正向纵深领域发展，这给游戏游乐业也将迎来个新的 发展机遇： 1 ) 游戏游乐业的市场空间越来越大 随着国民经济的稳步增长，我国将继续保持经济平稳快速发展的势头，城 乡居民消费结构的升级，将进一步带动产业结构调整和加快第三产业发展。国 家提出构建和谐社会战略对游乐业快速发展提供了有利条件，面对巨大的市场 需求，游乐业将拥有更为广阔的发展空间。 2 ) 游戏游乐产业国际化的趋势将进一步明显 中国游乐设施产品的出口量不断增多，出口的国家和地区将更加广泛，游 乐制造业的国际合作将更加普遍。随着迪斯尼即将进入中国大陆，游乐服务业 的其他国际品牌在中国寻求国际合作的可能性将进一步加大；国际先进新兴游 乐经营理念也将继续冲击和带动我国游乐业的发展。 3 ) 游乐业的规模将得到进一步发展 经过近几年的滚动发展和壮大，一些企业已经积聚一定的能力和能量，在 主题乐园或游乐园连锁经营、游乐与房地产及现代商业中心组合发展、围绕游 武汉理工大学硕士学位论文 乐同心发展相关联产业、生产制造企业专业化规模化等方面具有加速发展的趋 势。 4 ) 游乐产品的技术含量和文化内涵将得到广泛提高 随着自动化程度、声光机电影视一体化程度的提高，采用虚拟现实等现代 信息技术的科技娱乐产品的比例将大大提高，游乐产品的原创性和主题化将更 加鲜明，产品将溶入更多民族文化元素和人性化及互动的元素，并随着人们消 费模式不断时尚化，与旅游休闲、文化产业、动漫产业更加紧密的结合。 然而，我国目前在动画游戏方面的技术水平与发达国家差距很大，数字内 容产品的科技含量不高，原创力量不足，缺少个性鲜明、文化底蕴深厚的原创 形象，自主创新和开发能力较弱，导致数字内容产品传播的深度和广度不够。 模拟赛车作为新一代游乐设备，由于其给人一种视觉与身心双重的冲击和 享受而越来越受到人们的喜爱。应用科技发展的新成果，研究开发新型模拟赛 车运动控制技术装备，满足国内外对高科技含量、安全舒适、具有真实沉浸感 的新型游乐设备的迫切需求，有着重要的理论意义和巨大的经济价值与社会效 益。 1 2 国内外技术发展现状与趋势 游乐设备产业作为装备制造业的一个分支，同时具有其他装备制造业所没 有的意识形态属性和文化产业属性。由于它具有以人为本、科技创新、环境 友好和面向未来的特性，所以又称之为新型制造业。 在国际上，游戏游乐产业已成为各国重要的文化产业，2 0 0 6 年全球与之相关 的产品和衍生产品的产值达6 0 0 0 亿美元以上。 我国游乐业起步较晚，2 0 世纪8 0 年代以前，现代大型游乐设施在我国几乎 是一片空白。2 0 世纪8 0 年代初，随着改革开放的深入，国民经济迅速发展，人 们生活水平不断提高，人们对游乐活动的需求也越来越旺盛。在这种形势下， 山东、江苏、浙江温州等地开创出各种户外游乐设施，其中在国家政策鼓励下， 各个企业迅猛发展。随着游乐业的发展，我国的游乐设施无论从设计到制造水 平都不断提高，品种也越来越多，从旋转类到滑行类，从有动力到无动力，从 固定式到移动式，从地面到空中，从室内到室外，从以前的单一型向综合型都 在转变【2 1 。 游乐设备属科技密集型和劳动力密集型综合产业，我国的劳动力成本相比 2 武汉理工大学硕士学位论文 欧美国家具有很大竞争力，加上国内企业的不断创新、研发新产品，国内生产 的游乐设备己远销欧美、东南亚等发达国家，成为国家创汇的一大支柱产业。 随着国内生活水平的提高，对游乐设备的需求也在逐步增长，越来越多的投资 者投资游乐设备行业。到目前为止，全国有各类游乐设备制造企业2 0 0 余家。 据第十七届中国游乐设施、景区( 景点) 博览会上的统计，随着我国旅游事业 的蓬勃发展和国民消费能力的快速提高，各地纷纷投资建设游乐场所，举办各 种游乐活动，据不完全统计，2 0 0 7 年全国游乐行业投资额达8 0 亿元人民币，预 计到2 0 1 3 年中国游乐业将以每年2 5 以上的速度增长，游乐行业步入了一个 高速发展时期。 近年来，随着汽车产业的蓬勃发展，汽车已进入普通百姓家庭，以汽车为 载体的游乐设备应运而生，受到越来越多人的青睐。但国内模拟赛车技术的发 展还处于起步阶段，还不能满足人们体验真实赛车过程的娱乐需求。 从国内来看，模拟赛车产品主要停留在视觉体验的程度，即利用计算机三 维动画技术，通过视觉和听觉的感受来体验赛车过程。对于模拟赛车运动控制 技术装备的研究开发的报道并不多见。国内的研究工作主要集中在汽车模拟驾 驶和控制系统的开发上，因而主要考虑常规驾驶操作动作的模拟及其评价。 国外在模拟赛车研究方面相对较好，从产品开发看，广泛应用光机电液一 体化技术，增强了模拟赛车的可操控性和玩家的真实驾车感受，在视觉上，应 用虚拟现实技术，增强玩家的沉浸感。在理论研究方面，多数集中与视频场景 的建模与仿真，赛车路径的规划或多车交互的实现等方面，对于运动控制技术 装备的研究报道较少。 模拟赛车技术的发展表现出朝智能化、网络化趋势发展的态势。 1 3 模拟赛车系统发展现状 模拟赛车运动控制器要达到的效果是给与玩家操作时真实的物理反馈，以 达到逼真刺激的游戏体验。它与一般的赛车游戏和驾驶模拟器是不一样的。常 见的赛车游戏注重视觉感受、闯关，超车等给游戏者带来的刺激感受，模拟赛 车运动控制器则是拥有最尖端最真实物理及操控体验的赛车游戏，使赛车游戏 充满动感和活力，犹如身临其境赛车现场竞技。驾驶模拟器主要是针对汽车驾 驶员的，其目的决定了设计时以驾驶规则及技巧为中心，而非操作者的真实的 刺激与乐趣感受为中心。 3 武汉理工大学硕士学位论文 目前，国内赛车游戏模拟器主要有以下几个类型： 1 ) 主要停留在视觉体验的程度，即利用计算机三维动画技术，通过视觉和 听觉的感受来体验赛车过程。这样的赛车体验并不会有赛车过程中实时 的物理反馈，比如车的震动、车的摇晃、加速减速等方面的体会。 2 ) 模拟器方面的研究集中方向盘和脚部控制的刹车、油门等部件，这些部 件的相关研究使得玩家操控赛车有了接近真实操作体会，但是仍然缺乏 模拟赛车的物理反馈。 3 ) 基于模拟赛车物理反馈的强烈要求，国内也有利用伺服电机设备进行驱 动以实现模拟赛车的真实体验的研究，但是由于电机设备的特性，无法 达到液压设备的平稳缓冲的特性，而这却恰恰是赛车真实反馈【3 】。 国内在汽车驾驶模拟器研究方面取得了一些进展，其主要应用于汽车驾驶 培训方面【4 j 。 如图1 1 是v d i 驾驶模拟器，它用来帮助人们在上路之前掌握基本的驾驶技 巧。v d i 可以仿真驾驶情况，以确保司机在道路上遇到情况会作出相应的反应。 图1 1v d i 驾驶模拟器 汽车驾驶模拟器和赛车游戏模拟器有较大区别，首先，两者针对人群不同， 汽车驾驶模拟器是针对汽车驾驶员，而赛车游戏模拟器是针对大众玩家。其次， 两者要达到的目标不同，汽车驾驶模拟器是用于训练驾驶员，使之熟悉驾驶技 巧，遵守交通规制，而赛车模拟器是为玩家虚拟赛车游戏设计，使玩家体会赛 车游戏的乐趣和激情【5 】。另外，对开发研究赛车模拟驾驶器的投入不足也是造成 我国相关产业相对落后的一个重要原因。 与国内相比，国外对赛车游戏模拟器的研究投入更多，他们取得的成果也 多。 4 图1 2a p e xs c 8 3 0 赛车游戏模拟器 图1 3c r u d e nh e x a t e c h 的终极赛车游戏模拟器 如上两种方案均运用了电液一体化技术和虚拟现实技术【8 】，采用液压系统作 为动力系统，通过三个大的液晶屏幕提供玩家游戏视野，这些技术的采用都是 为了使得玩家有真实的赛车体验。 如上图所示，两种方案的控制方法是不同的，a p e xs c 8 3 0 赛车游戏模拟器 采用了三个液压缸来实现三向旋转能力，即横向旋转4 0 游、纵向旋转2 5 向和偏 角4 0 角，能实现空间三个自由度的运动。c r u d e i lh e x a t e c h 的终极赛车游戏模拟器 5 武汉理工大学硕士学位论文 采用的是一套液压三脚支架系统，每个脚上安装两个液压缸，六个液压缸能实 现空间6 个自由度的运动。 将两者的运动进行分析，不难看出，a p e xs c 8 3 0 赛车游戏模拟器的运动可 以抽象成一个点的运动，而它的控制可以通过对系统质心进行控制实现。c r u d e n h e x a t e c h 的终极赛车游戏模拟器运动可以抽象成一个面的运动，即通过三个脚上 的液压缸构成的平面在空间的运动。 真实的汽车的运动来源于4 个轮胎，上述系统对汽车模型做了不同的简化， 使得最终的控制是将汽车抽象成一个点或者一个平面，根据相应的抽象程度反 映汽车的运动特性，但是所能反映的运动特性会因抽象程度的简化而减少。 另外上述两款赛车模拟器的价格都不菲，a p e xs c 8 3 0 的价格约为2 7 0 0 0 美 元，c r u d e nh e x a t e c h 的终极赛车游戏模拟器价格更高达1 9 1 ，0 0 0 美元【9 】，这么昂 贵的价格甚至超过了一辆真实的汽车。 综上所述，基于国内的模拟赛车平台的不成熟和国外的一些比较成熟产品 的比较，开发出一款既经济又能逼真模拟赛车游戏的模拟赛车游戏平台具有很 好的市场前景，同时也能为国内游乐产业的发展做出贡献。 1 4 研究内容与论文组织结构 1 4 1 课题主要研究内容 本课题研究的主要目的是根据我国游乐产业的发展需求，以及国内外游乐 产业的发展现状及趋势，开发出一个能满足国内大众日益增长的娱乐需求的赛 车游戏平台。针对国内的游戏模拟的落后现状和国外游戏模拟器的高昂价格， 利用电液一体化系统，构建一个技术先进价格实在的适合大众玩家的赛车游戏 平台。该平台设计成空间吊篮形式，利用液压系统驱动，结合实时的赛车动画 场景，以专门设计的运动控制器为控制枢纽，实现赛车平台的空间运动模拟， 给与玩家以身临其境的刺激的赛车体验。 1 4 2 论文组织结构 在论文后面的章节中，主要研究内容安排如下： 第2 章：介绍模拟赛车运动控制平台。主要包括系统的规划和总体设计。 第3 章：介绍模拟赛车平台的硬件结构平台。主要介绍赛车平台车架的机械 6 武汉理工大学硕士学位论文 统，按照主控模块、信息采集模块、控制实施模块 件驱动软件的开发。包括u s b 和c a n o p e n 的驱动程 序开发以及交互软件的设计。 第6 章：介绍模拟赛车运动控制平台的控制策略。针对设计的模拟赛车平台， 建立了控制模型，并提出了一种控制策略。 第7 章：针对模拟赛车运动控制平台进行仿真和实验。包括运用虚拟样机技 术对平台进行仿真；根据仿真对实际平台进行针对性实验测试。 第8 章：工作总结和展望。对全文做了总结，回顾了自己所作工作的成果和 创新点，以及在今后的工作中需要进一步改进的地方。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章模拟赛车运动控制平台概述 2 1 模拟赛车简介 对模拟赛车比较笼统的定义，赛车游戏就是模拟赛车，但又不完全是。并 不是所有赛车游戏都称为模拟赛车，只有拥有最尖端最真实物理及操控体验的 游戏才能称之为模拟赛车1 0 1 。 2 2 模拟赛车运动控制平台方案提出 模拟赛车运动控制平台主要由四个部分组成：3 d 赛车动画、赛车驾驶平台、 物理反馈设备、模拟赛车运动控制器。 1 ) 3 d 赛车动画是根据需求所提供的赛车游戏动画，它需要抽象相关赛车环 境信息，比如路况、障碍、天气等等，并将其按照协议发送给模拟赛车 运动控制器。 2 ) 赛车驾驶平台主要是作赛车车身结构设计和赛车驾驶控制器，即车身机 械架构、赛车方向盘、刹车、油门等驾驶必须部件设计。 3 ) 物理反馈平台作用是根据玩家的操作信息和3 d 赛车动画的环境信息给 车身提供运动反馈，该反馈平台的由动力系统和运动控制部件组成，该 系统中选用液压平台实现运动反馈，其目的是使得玩家有真实驾驶时的 前倾、后仰、颠簸等物理体验。 模拟赛车运动控制器是模拟赛车运动控制平台的核心，它既要对赛车驾驶 平台进行信息采样，又要实时接收动画信息，并且根据两者结合相应控制策略 对物理反馈设备发出运动指令，在本平台的设计中，运动控制器是设计的核心。 2 3 平台设计要求 平台设计的目的是为了使得玩家有接近真实赛车的体验，因此在结合动画 的基础上，运动控制器的信息采样和指令发送要要求实时牲好，运动控制策略 要在以人的真实感觉为前提。同时平台的稳定性和安全性要得到保障，不能对 8 武汉理工大学硕士学位论文 动控制平台的设计提出如下要求： 性能优良的处理器对信息进行实时采集、处理，根据玩 信息给出物理反馈平台运动执行信号； 2 ) 根据汽车运动相关理论，设计出合理的物理反馈平台； 3 ) 根据运动反馈相关原理和人体感觉，设计出逼真的控制策略。 4 ) 根据动画信息和驾驶需求，平台应综合考虑玩家的舒适度和安全性； 5 ) 系统抗电磁干扰能力强，可靠性高，抗振性能好，温度稳定性好。 2 4 系统整体设计 系统在对赛车游戏动画给出的路况和周边环境特征、玩家实时操作信息和 赛车运动机构实时状态的综合采样分析的基础上，采用智能控制策略实现对赛 车运动实现实时控制，为玩家提供接近真实赛车的逼真体验。 根据模拟赛车运动控制平台设计要求，按照功能模块划分，系统包括以下 几个部分： 信息采集部分，主要负责动画信息跟踪和玩家操作信息采样。其中动画信 息跟踪采用u s b 接口传送至模拟赛车运动控制器，玩家操作信息采样由相关的传 感器接入模拟赛车运动控制器。 信息处理部分，主要是负责信号分析和处理，结合控制策略，给出运动控 制指令。主要由模拟赛车运动控制器完成，该控制器相当于整个系统的大脑， 由它接收信号，也由它发出指令。核心处理器选用意法半导体的s t m 3 2 系列的 3 2 位处理器，对液压站的控制选用w a n d f l u h 公司的m d 2 控制器，两者通过 c a n 总线进行通讯。 运动执行部分，主要负责响应运动控制指令做出实时的机械运动。这一部 分主要是物理反馈平台所构成，该执行部分采用的是液压系统，主要运动执行 机构是4 个液压缸。 以下是系统的功能模块框图： 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 本章小结 图2 1 系统的功能模块框图 本章对模拟赛车进行了简单的介绍，提出了模拟赛车运动控制平台的设计 方案，在设计方案中对平台的主要组成部分作了简单介绍，同时提出了平台设 计的一些基本要求，最后，本章对系统的整体结构进行了介绍，系统的具体实 现将在后面的章节进行讨论。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章硬件结构平台构架 3 1 赛车驾驶平台整体设计 赛车驾驶平台既是玩家操作平台，又是运动执行机构反馈对象，因此，它 既是各种系统信息的来源处，也是信息的反馈处。图3 1 是赛车驾驶平台的设计 平面图： 图3 1 赛车驾驶平台的设计平面图 图中a 、b 、c 、d 表示的是补液压缸( 液压缸分布图参考图3 2 ) ，e 处为 液压站，f 处为玩家游戏操作处( 以下简称车体) 。整个系统的运动由4 个液压缸 的伸缩和摇摆完成。 和第一章第三节中所述的国外已有的两个方案对比，该方案在结构上和控 制上都有不同。a 、b 、c 三个液压缸的伸缩运动，其运动端可以抽象成一个平 面，这个平面的运动类似于c r u d e nh e x a t e e h 的终极赛车游戏模拟器，即将汽车 抽象成一个平面进行控制，a p e xs c 8 3 0 赛车游戏模拟器实现的是点的控制。但 与c m d e nh e x a t e c h 的终极赛车游戏模拟器又有不同，c r u d e nh e x a t e e h 的终极赛车 游戏模拟器的平面运动是通过三点实现，而该方案中的平面运动除了a 、b 、c 三 个液压缸作为三点实现外，还有d 处的液压缸通过控制整个车架摇摆运动，因此 的。 3 2 车身设计 如图3 2 是动感车架的3 d 效果图，赛车车身设计成吊篮形式。车身内部主要 组成为：赛车驾驶操作器( 包括方向盘、油门、刹车、档位等) 、液晶显示器、 可调座椅，这三个部分是驾驶模拟的必要部分。 图3 2 动感车架的3 d 效果图 车身既是赛车平台的运动控制对象，又是玩家游戏操作处，因此在车身的 设计时要考虑到车身运动时可能出现的一些极限状况，比如车身与整个平台架 之间的空间相对位置，避免机械死锁现象的出现。同时还要考虑到玩家游戏时 的舒适度，因此对操作平台的设计要符合人体工程学的设计要求，在此将座椅 设计成可调节式就是基于此考虑的。 3 3 车体与液压系统连接设计 3 3 1 车顶架设计 如图3 3 是车顶架的设计，车顶架用于连接液压缸和车体，图中a 、b 、c - - - 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 处连接三个液压缸，a 、b 、c 三点构成的平面能较准确的描述赛车的车顶( 或 者车底座) 。 通过三个液压缸将车顶架和车身顶部连接到一起，这样通过控制车顶架的 运动就能直接反馈到车身。 5 0 1 5 0 方蕾 3 3 2 摆杆设计 图3 3 车顶架设计图 在上图中还有一个针对车身的空间位置运动控制的设计，即摆杆与轴的设 计，图3 4 是其主视图： 图3 - 4 摆杆与轴的设计 通过d 处的液压缸将摆杆和车架连接起来，d 处液压缸的伸缩运动推动摆杆 绕着轴转动，由于将摆杆和车顶架设计成一体，因此摆杆的转动就能带动车顶 架绕着轴实现某个角度的转动。 从而4 个液压缸的运动既包含了车体平面( a b c 所构成的平面即车顶平面) 的运动，又包含了因摆杆的俯仰而造成的整个吊篮在有限空间中的整体移动， 这个设计在一定程度上丰富了车身的运动形式。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 3 4 液压系统设计 3 4 1 液压系统整体设计 液压系统构成了整个物理反馈平台，通过液压系统完成物理反馈平台的所 有运动的执行。整个液压系统设计成一个液压站的形式，其主要组成部分为液 压油箱、液压泵、液压缸、控制液压缸的电磁阀以及测量液压缸伸缩量的位移 传感器。 如图3 5 是液压系统装配图： 3 4 2 液压缸选型 图3 5 液压系统装配图 系统中通过液压缸来推动车体完成各种运动，对位于车项的液压缸和位于 车体后的液压缸进行分别处理： 1 ) 车顶的液压缸 车顶布置有三个液压缸，用于悬挂和驱动模拟赛车车体( 包括驾驶员) 。由于 控制的随机性，三个液压缸活塞杆并不一定同时伸出( 液压缸无杆腔进高压油， 产生向下推力) 或缩回( 液压缸有杆腔进高压油，产生向上拉力) ；在不同的工况 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 时，有的液压缸活塞杆处于伸出行程，而有的液压缸活塞杆处于缩回行程。因 此，在实际工作中，三个液压缸的工况比较复杂。 在选择液压缸时，考虑这样一种极限工况，即：只有一个油缸输出向上拉 力，实现内框架的悬挂。此时，油缸向上拉力如舾似按下式计算： w 式中：晾示模拟赛车内框架( 包括驾驶员) 的重量，这里w = 4 0 0 k g = 4 0 0 0 n 。 考虑液压系统的工作压力为6 3 m p a ，按油缸输出拉力来悬挂，可以选择顶 部三个油缸的规格( 美国p a r k e r 产品h m i 系列) 如下： 型号：5 0 c t b h m i r b l 4 m c 油缸内径：d = 5 0 m m 活塞杆径：d - - 2 2 m m 油缸行程：l = 1 0 0 m m 安装方式：一缸筒和活塞杆端均采用球铰连接副，容许摆动角度装方。 2 ) 车后驱动油缸 考虑液压系统的工作压力为6 3 m p a ，按油缸输出拉力来悬挂，可以选择车 体后油缸的规格( 美国p a r k e r 产品h m i 系列) 如下： 型号：5 0 c s b h m i r b l 4 m c 油缸内径：d = 5 0 m m 活塞杆径：d = 2 2 m m 油缸行程：l = 2 0 0 m m 安装方式：缸筒和活塞杆端均采用球铰连接副，容许摆动角度装方。 3 4 3 电磁阀选型 液压缸伸缩运动控制通过电磁阀进行控制，系统选用的是w a n d f l u h 公司 的w d p f a 0 6 a c b s 3 2 ( 3 2 4 1 ：1 , 例换向阀。 该比例换向阀最高工作压力可达至u 3 5 0 b a r ，最大流量可达至l j 2 2 0 i m i n 。适用 于要求分辨率高、流量大和滞环小的场合，在工业和工程机械液压系统中完成 液压执行器的平稳控制。其阀芯行程、节流开度和通过流量与施加给电装置的 指令信号的大小成比例。 通过此型号的比例换向阀，可以实现对称控制液压缸的伸出和缩回。同时 该比例换向阀可以使用w a n d f l u h 公司的比例放大器进行控制，即前文中提到 1 5 3 4 4 其它元件选型 除了上述的液压缸和电磁阀外，液压站的组成部分还包括油箱、电机、液 压泵等部件，在此就不一一阐述。图3 6 给出了整个液压系统的原理图，表3 1 对 应给出了各个组成部分的器件的选型和规格参数。 图3 6 液压系统原理图 图3 6 中元件名称与规格如下表3 1 ： 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 表3 1 液压系统元件表 编号名称 型号规格 1油箱1 0 0 0 x 6 0 0 4 5 02 5 0 l 2 液位开关 y jk d 2 4 - 3 0 0 3空气滤清器e f 3 4 0 4吸油滤油器z u - h1 0 0 x 1 0 p s 回油过滤器 r f a - 2 5 0 1 0 y 6 风冷却器 a w 0 6 0 7 - c a 2 0 0 7 电机 y 1 3 2 m 一牛b 3 5 n = 7 5 k w n = 1 4 4 0 r p m 8弹性联轴器 m l 3 徽1 2 0 9轴向柱塞泵 p v b q a l 5 r s - 3 2 - c c 1 0 管式单向阀 d if l 2 0 h 一1 1 电磁溢流阀r g x y - i o i o i a 1 2 测压接头s mk 2 0 一g1 4 - p c 1 3测压软线s m $ 2 0 - m14 1 0 0 0 a 1 4耐震压力表 y t n 一6 0 z t 2 5 mp a 1 5 电磁比例阀 w d p f a 0 6 一a c b s 2 3 g 2 4 1 6 液压缸带位移0 5 0 c b 2 8 x 2 0 0 传感器 3 5 本章小结 本章对模拟赛车运动控制平台的硬件结构进行了介绍，主要是指平台的整 个机械架构。首先，对比已有设计方案，对硬件结构平台给出了整体设计，然 后按照机械机构分为车体、车体与液压系统连接件、液压系统三部分进行了设 计介绍，并给出了相应的设计图。最后，对于系统的运动执行机构即液压系统 的设计，对它的一些主要元件( 液压缸、电磁阀等) 进行了选型分析。通过上 述设计完成整个模拟赛车运动控制平台硬件框架的搭建。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章控制系统构建 4 1 控制系统整体架构 控制系统连接着动画信息和物理反馈平台的运动执行设备，它是整个模拟 赛车运动控制平台协调运行的控制核心。图4 1 为系统运行的逻辑框图。 i 。： i 控制系统 ； 图4 1 系统运行逻辑框图 从逻辑框图可以看出，控制系统作为系统枢纽，首先在接口上要实现和上 位机3 d 动画信息的接口以及和运作执行设备的接口，即要实现3 d 动画软件玩家 赛车运动机构之间的信息交互；其次从信息的输入和输出可以看出，有玩家操 作的采样信息和动画信息的输入，有控制指令信息的输出；最后从控制系统内 部来看，可以将控制决策集成到控制系统中，这样可以针对实时的输入信息量 通过控制策略给出控制指令输出。 按照功能划分，可以将控制系统分为以下三个部分： 1 ) 主控制器模块。该模