CN103505876A - 并联型动感游戏运动平台的控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联型动感游戏运动平台的控制装置及其控制方法，包括中心控制单元、A/D转换单元、通讯单元、差分与映射单元、运动学反解单元、PID控制单元、液晶显示屏、专用控制手柄等组成，动感游戏运动平台的控制方式包括手动控制和上位机运动轨迹规划软件控制两种方式。控制装置以一定的频率接收来自专用控制手柄或上位机运动轨迹规划软件的位姿参数、运动学参数，并对其进行位置反解和速度反解运算，求解出各条驱动腿的长度、速度等运行参数，将求得的运行参数送入PID控制单元，PID控制单元对每一条驱动腿进行位置、速度的PID控制，通过并联型动感游戏运动平台的运动合成，实现对动感游戏运动平台位姿和运动状态的有效控制。

Description

并联型动感游戏运动平台的控制装置及其控制方法

技术领域

本发明属于动感游戏装备技术领域，特别是涉及一种并联型动感游戏运动平台的运动控制装置以及基于专用游戏控制手柄或者上位机运动轨迹规划软件的运动控制方法。

背景技术

传统的电脑游戏（如赛车游戏、飞行游戏等），使用者通过键盘、鼠标以及游戏操纵杆来控制电脑游戏的进程，电脑游戏通过虚拟现实技术等在显示屏幕上显示模仿真实场景的画面。随着电脑游戏技术的发展和市场需求的变化，新的带有模拟真实运动感觉功能的电脑游戏成为了电脑游戏今后的发展方向，这种新型的具有真实运动感觉的电脑游戏（简称为动感游戏）需要实现运动仿真功能的游戏运动平台的支持。在动感游戏运动平台技术的支持下，游戏玩家可以进入一个由计算机和动感游戏运动平台生成的交互式虚拟环境中。动感游戏运动平台技术在保持了传统游戏实时性和交互性的同时，大大增强了游戏环境的逼真度，为游戏玩家带来了视觉、听觉、触觉和运动感觉全方位的娱乐体验感受。

现有的计算机游戏控制手柄通常设置有两个轴线相互垂直转动副，在每一个转动副上安装有角度传感器，通过角度传感器向计算机传递手柄前后或左右偏转角度，从而控制动感游戏运动平台前后或左右摆动，但无法实现振动、上升和下降等动作姿态的控制。显然，现有的计算机游戏控制手柄存在着无法实现振动、上升和下降等动作姿态的控制等问题，因此无法对本发明中的并联型动感游戏运动平台所有自由度实施有效的操控。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种并联型动感游戏运动平台的控制装置，以便通过专用游戏控制手柄或运动轨迹规划软件对动感游戏运动平台的位姿和运动状态进行有效操控；

以及本发明还提供一种基于上述控制装置的并联型动感游戏运动平台的运动控制方法。

考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：

一种并联型动感游戏运动平台的控制装置，包括：

通讯单元；

计算机，该计算机用于将规划后的位姿参数、运动学参数通过通讯单元输入给

中心控制单元，该中心控制单元用于接收通讯单元输入的参数，并将接收到的参数传输给

运动学反解单元，该运动学反解单元用于对接收到的参数进行位置反解或速度反解，求解出动感游戏运动平台各条驱动腿的长度、速度运行参数，再将解得的运行参数再送入

PID控制单元，该PID控制单元与动感游戏运动平台连接，通过所述运动学反解单元求解出的参数，对动感游戏运动平台的驱动腿进行位置、速度的PID控制，以实现对动感游戏运动平台位姿和运动状态的控制。

为了更好地实现本发明，进一步的技术方案是：

根据本发明的一个实施方案，所述计算机通过通讯单元传输给中心控制单元的位姿参数、运动学参数包括侧摆角度α₁、侧摆角速度俯仰角度β₁、俯仰角速度升降位移H₁、升降速度

根据本发明的一个实施方案，所述侧摆角度α₁、侧摆角速度

俯仰角度β₁、俯仰角速度

升降位移H₁、升降速度

通过运动学反解单元得到动感游戏运动平台3条驱动腿长度矢量[l₁、l₂、l₃]^T和速度矢量

根据本发明的一个实施方案，包括：

专用控制手柄，该专用控制手柄的位姿参数的模拟量通过传感器传输给

A/D转换单元，该A/D转换单元将接收的模拟量数据进行转换，并将转换后的数据传输给

差分与映射单元，该差分与映射单元将接收到的数据参数进行差分运算和映射变换；

中心控制单元，该中心控制单元用于接收差分与映射单元输入的参数，并将接收到的参数传输给

运动学反解单元，该运动学反解单元用于对接收到的参数进行位置反解或速度反解，求解出动感游戏运动平台各条驱动腿的长度、速度等运行参数，求得的运行参数再送入

PID控制单元，该PID控制单元与动感游戏运动平台连接，通过所述运动学反解单元求解出的参数，对动感游戏运动平台的驱动腿进行位置、速度的PID控制，以实现对动感游戏运动平台位姿和运动状态的控制。

根据本发明的一个实施方案，所述专用控制手柄的位姿参数包括该专用控制手柄的绕X轴的旋转角度α₀，绕Y轴的旋转角度β₀和沿Z轴移动的距离h₀。

根据本发明的一个实施方案，所述差分与映射单元对相应数据处理后得到侧摆角度α₂、侧摆角速度

俯仰角度β₂、俯仰角速度

升降位移H₂、升降速度

根据本发明的一个实施方案，所述侧摆角度α₂、侧摆角速度

俯仰角度β₂、俯仰角速度

升降位移H₂、升降速度

通过运动学反解单元得到动感游戏运动平台3条驱动腿长度矢量[l₁、l₂、l₃]^T和速度矢量

根据本发明的一个实施方案，所述差分与映射单元的差分运算是指某一参数两次采样值之间的差值除以采样周期，从而求出该参数的一阶微分，设第k次采样侧摆角度采样值为α_k，第k+1次采样侧摆角度采样值为α_k+1，采样周期为T，则

映射变换是指将专用控制手柄位移量h₀通过一个固定的映射放大系数η，映射到动感游戏运动平台中间从动腿的位移量H，映射放大系数η定义为：η=L_p/L_s，其中，L_s为专用控制手柄Z轴的行程范围，L_p为动感游戏运动平台中间从动腿的行程范围。

本发明还可以是：

一种实现上述并联型动感游戏运动平台的控制装置的方法，包括：

计算机将规划的位姿参数、运动学参数通过通讯单元输入给中心控制单元；

中心控制单元接收到输入单元输入的参数后，将接收到的参数传输给运动学反解单元；

运动学反解单元对接收到的参数进行位置反解或速度反解运算，求解出动感游戏运动平台各条驱动腿的长度、速度等运行参数，将求得的运行参数送入PID控制单元；

PID控制单元与动感游戏运动平台连接，并通过所述运动学反解单元求解出的参数，对动感游戏运动平台的驱动腿进行位置、速度的PID控制，以实现对动感游戏运动平台位姿和运动状态的控制。

另一种实现上述并联型动感游戏运动平台的控制装置的方法，包括：

将专用控制手柄的位姿参数的模拟量通过传感器传输给A/D转换单元；

A/D转换单元将接收的模拟量数据进行转换，并将转换后的数据传输给差分与映射单元；

差分与映射单元将接收到的数据参数进行差分运算求出其一阶微分，并通过一个用于映射到动感游戏运动平台的放大系数对中间从动腿的位移量进行放大；

中心控制单元接收到差分与映射单元输入的参数后，将接收到的参数传输给运动学反解单元；

运动学反解单元对接收到的参数进行位置反解或速度反解运算，求解出动感游戏运动平台各条驱动腿的长度、速度等运行参数，将求得的运行参数送入PID控制单元；

PID控制单元与动感游戏运动平台连接，并通过所述运动学反解单元求解出的参数，对动感游戏运动平台的驱动腿进行位置、速度的PID控制，以实现对动感游戏运动平台位姿和运动状态的控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：

本发明的并联型动感游戏运动平台的控制装置及其控制方法，控制装置以一定的频率接收来自专用控制手柄或上位机运动轨迹规划软件的位姿参数、运动学参数，并对其进行位置反解和速度反解运算，求解出各条驱动腿的长度、速度等运行参数，将求得的运行参数送入PID控制单元，PID控制单元对每一条驱动腿进行位置、速度的PID控制，通过并联型动感游戏运动平台的运动合成，实现对动感游戏运动平台位姿和运动状态的有效控制。当控制系统接收到专用控制手柄或运动轨迹规划软件传送来的运动平台位姿参数、运动学参数等信息时，通过采用本发明提出的动感游戏运动平台控制装置及其实现方法，就可控制动感游戏运动平台实现指定的位姿和动作。

附图说明

为了更清楚的说明本申请文件实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是对本申请文件中一些实施例的参考，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据这些附图得到其它的附图。

图1为一种动感游戏运动平台的结构示意图。

图2为一种专用控制手柄的结构示意图。

图3为动感游戏运动平台控制原理示意图。

图4为动感游戏运动平台机构简图及坐标示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

对于本发明涉及到的动感游戏运动平台可以是现有的，其具体结构也可以为以下所示的动感游戏运动平台：

如图1所示，图1为一种动感游戏运动平台的结构示意图，该动感游戏运动平台为1PT+3TPS型并联机构，由固定平台6，动平台1，驱动腿2、5、8，从动腿7，万向铰2-4，球铰5-1，位移传感器3、4、9，X轴角度传感器10，Y轴角度传感器11等组成。周围三条驱动腿2、5、8与固定平台6之间通过万向铰相联，周围三条驱动腿2、5、8与动平台1之间通过球铰相联；中间从动腿7一端与固定平台6的中心刚性固联，另一端通过万向铰与动平台1相联，为了增加中间从动腿7的刚度，在从动腿7与固定平台6联接处设置了一从动腿增强法兰7-1，从动腿增强法兰7-1与从动腿支座7-2连接，在周围驱动腿2中，采用丝杠-螺母副将电机2-3的旋转运动转化为驱动腿伸缩构件2-1的直线运动，电机2-3与丝杠通过联轴器2-2联接，周围驱动腿5、8的结构组成与周围驱动腿2相同，通过改变周围三条驱动腿2、5、8的伸缩量，可改变动平台的位置和姿态，让用户体验运动感觉的座椅与在动平台固联在一起（座椅在图1中没有表示出来）。

本发明中涉及到的游戏控制手柄为图2所示专用控制手柄：

图2为一种专用控制手柄的结构示意图，在申请号为201320448063.4的专利文献中，公开了一种动感游戏运动平台专用控制手柄，该专用控制手柄可用于本发明中并联型动感游戏运动平台的一种3自由度控制手柄。其组成包括手柄杆、X/Y轴转动件、X/Y轴正反转拨盘、X/Y轴弹簧、X/Y轴角度传感器、滑动导杆、上下弹簧、位移传感器等。该专用控制手柄可以采集到控制手柄绕X轴的旋转角度α₀，绕Y轴的旋转角度β₀和沿Z轴移动的距离h₀三个模拟量，采集到的手柄运动模拟量一方面通过模拟量/数字量转换后传输给游戏手柄微控制芯片，并传送给PC机终端，实现用户与PC机终端游戏软件的互动；另一方面将采集的数据传输给动感游戏运动平台控制器，可实现对动感游戏运动平台所有自由度运动的完全控制。该平台专用控制手柄的具体结构可以是：包括手柄、操纵杆、外壳和操作盒，手柄套装在操纵杆上部，操纵盒为矩形体且安装在锥形外壳中心上部，操纵杆穿过外壳设置在操纵盒中且从上至下依次设置有X向转动组件和Y向转动组件；在操纵盒的底部设置有Z向位移组件。动感游戏运动平台专用控制手柄X向转动组件包括转动机构、X向传动复位机构和X向角度传感器；转动机构包括设置在操纵杆下部的半圆凸球体、设置在操纵盒上盖底部的半圆凹球体、设置在操纵杆底部端头的球头和设置在操纵盒底盖内侧的弧形凹坑板；半圆凸球体和半圆凹球体相匹配且同轴，球头伸入弧形凹坑板的凹坑中；X向传动复位机构包括X向转动框、X销轴、X正转拨盘、X反转拨盘、X复位弹簧和X安装板，X向转动框套装在操纵杆上且通过X销轴相连接，X向转动框外侧设置有转轴，X正转拨盘和X反转拨盘固定在X向转动框外侧转轴上且在两者之间安装有X复位弹簧，X安装板将X向转动框活动安装在操纵盒内，X向角度传感器安装在X向转动框外侧转轴端头。

图3为动感游戏运动平台控制原理示意图。

如图3所示的一种并联型动感游戏运动平台的控制装置的一个实施例，包括控制手柄4、A/D转换单元25、差分与映射单元26、中心控制单元22、运动学反解单元23和PID控制单元24；控制手柄4的位姿参数的模拟量通过传感器传输给A/D转换单元25，该A/D转换单元25将接收的模拟量数据进行转换，并将转换后的数据传输给差分与映射单元26，该差分与映射单元26将接收到的数据参数进行差分运算求出其一阶微分，并通过一个用于映射到动感游戏运动平台3的放大系数对中间从动腿的位移量进行放大。中心控制单元22用于接收差分与映射单元26输入的参数，并将接收到的参数传输给运动学反解单元23，该运动学反解单元23用于对接收到的参数进行位置反解或速度反解运算，求解出动感游戏运动平台3各条驱动腿的长度、速度等运行参数，将求得的运行参数送入PID控制单元24；PID控制单元24与动感游戏运动平台3连接，并通过所述运动学反解单元23求解出的参数，对动感游戏运动平台3的驱动腿进行位置、速度的PID控制，以实现对动感游戏运动平台3的位姿和运动状态的控制。

所述专用控制手柄4的位姿参数包括该专用控制手柄的绕X轴的旋转角度α₀，绕Y轴的旋转角度β₀和沿Z轴移动的距离h₀。

所述差分与映射单元26对相应数据处理后得到侧摆角度α₂、侧摆角速度

俯仰角度β₂、俯仰角速度

升降位移H₂、升降速度

所述侧摆角度α₂、侧摆角速度

俯仰角度β₂、俯仰角速度升降位移H₂、升降速度

通过运动学反解单元23得到动感游戏运动平台3的3条驱动腿长度矢量[l₁、l₂、l₃]^T和速度矢量

具体而言，本实施例中的运动平台运动控制器2可采用型号为TMS320LF2407的数字信号处理器，电机可采用型号为APM-SA01ACN的交流伺服电机，功率驱动可采用型号为APD-VN01N的交流伺服驱动器，角度传感器型号可以为XYK-BMJ-38Z-V，位移传感器型号可以为DA-75，液晶显示屏5型号可以为FYD12864。

动感游戏运动平台3参数可以如下：

固定平台及动平台上直径分别可以为R=500mm，r=150mm，初始状态下，中心从动腿初始长度H₀=480mm，周边三条腿等长，采样周期为T=10ms。

首先专用控制手柄4中的传感器检测出三个模拟量，它们分别为绕X轴的旋转角度α₀，绕Y轴的旋转角度β₀和沿Z轴移动的距离h₀；检测值经过A/D转换后传输给运动平台运动控制器2。运动平台运动控制器2中的运动学反解单元23对参数信号进行位置反解运算后得到通用运动平台3各条驱动腿长度运行参数，并将这些参数送入PID控制单元24，完成对动感游戏运动平台3位置和姿态的控制。

位置反解算法如下：

如图4所示，图4为动感游戏运动平台机构简图及坐标示意图，在固定平台平面A₁A₂A₃的中心处建立固定坐标系O-X₀Y₀Z₀，动平台平面B₁B₂B₃的中心处建立动坐标系O₁-X₁Y₁Z₁。动坐标系相对固定坐标系的旋转矩阵为R＝Rot(Y,β₀)Rot(X,α₀)，动坐标系相对于固定坐标系的位移向量为P=[0,0,H₀]^T。

固定平台铰链点在固定坐标系中的坐标为：A_i＝[a_ix,a_iy,0]^T(i＝1,2,3)。

动平台铰链点在动坐标系中的坐标为：B_i＝[b_ix,b_iy,0]^T(i＝1,2,3)。

动平台铰链点在固定坐标系中的坐标为：

$\begin{array}{c}{C}_i=\left[\begin{array}{c}{C}_{\mathrm{ix}}\\ C_{\mathrm{iy}}\\ C_{\mathrm{iz}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ H_0+\mathrm{\η}\·h_0\end{array}\right]+\mathrm{Rot}(Y,{\mathrm{\β}}_0)\mathrm{Rot}(X,{\mathrm{\α}}_0)\left[\begin{array}{c}{b}_{\mathrm{ix}}\\ b_{\mathrm{iy}}\\ 0\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ H_0+\mathrm{\η}\·h_0\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\β}}_0& \sin {\mathrm{\α}}_0\sin {\mathrm{\β}}_0& \cos {\mathrm{\α}}_0\sin {\mathrm{\β}}_0\\ 0& \cos {\mathrm{\α}}_0& -\sin {\mathrm{\α}}_0\\ -\sin {\mathrm{\β}}_0& \sin {\mathrm{\α}}_0\cos {\mathrm{\β}}_0& \cos {\mathrm{\α}}_0\cos {\mathrm{\β}}_0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{b}_{\mathrm{ix}}\\ b_{\mathrm{iy}}\\ 0\end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{c}{b}_{\mathrm{ix}}\cos {\mathrm{\β}}_0+b_{\mathrm{iy}}\sin {\mathrm{\α}}_0\sin {\mathrm{\β}}_0\\ {b_{\mathrm{iy}}\cos {\mathrm{\α}}_0}_{{}_{}}\\ H_0+\mathrm{\η}\·h_0-b_{\mathrm{ix}}\sin {\mathrm{\β}}_0+b{\mathrm{iy}}_{}\sin {\mathrm{\α}}_0\cos {\mathrm{\β}}_0\end{array}\right]i=(i,\mathrm{2,3})\end{array}---\left(1\right)$

设专用控制手柄Z轴的行程范围为L_s，动感游戏运动平台中间从动腿的行程范围为L_p，则式（1）中的映射系数η为：η=L_p/L_s。

于是，周边三条驱动腿的长度可由下式求出

$l_i^2={|C_i-A_i|}^2,i=\left(\mathrm{1,2,3}\right)---\left(2\right)$

由(1)(2)两式得到机构的位置反解方程

$\begin{array}{c}{l}_i^2={(b_{\mathrm{ix}}\cos {\mathrm{\β}}_0+b_{\mathrm{iy}}\sin {\mathrm{\α}}_0\sin {\mathrm{\β}}_0-a_{\mathrm{ix}})}^2+{(b_{\mathrm{iy}}\cos {\mathrm{\α}}_0-a_{\mathrm{iy}})}^2+\\ {(H_0+\mathrm{\η}\·h_0-b_{\mathrm{ix}}\sin {\mathrm{\β}}_0+b_{\mathrm{iy}}\sin {\mathrm{\α}}_0\cos {\mathrm{\β}}_0)}^2,i=\left(\mathrm{1,2,3}\right)\end{array}---\left(3\right)$

把 $a_{1x}=\frac{\sqrt{3}}{2}R,$ $a_{1y}=-\frac{1}{2}R,$ $a_{2x}=-\frac{\sqrt{3}}{2}R,$ $a_{2y}=-\frac{1}{2}R,$ a_3x＝0，a_3y＝R， $b_{1x}=\frac{\sqrt{3}}{2}r,$

b_3x＝0，b_3y＝r代入(3)式得到各条驱动腿的长度

$\begin{array}{c}{l}_1^2={(\frac{\sqrt{3}}{2}r\cos {\mathrm{\β}}_0-\frac{1}{2}r\sin {\mathrm{\α}}_0\sin {\mathrm{\β}}_0-\frac{\sqrt{3}}{2}R)}^2+{(\frac{1}{2}R-\frac{1}{2}r\cos {\mathrm{\α}}_0)}^2+\\ {(H_0+\mathrm{\η}\·h_0-\frac{\sqrt{3}}{2}r\sin {\mathrm{\β}}_0-\frac{1}{2}r\sin {\mathrm{\α}}_0\cos {\mathrm{\β}}_0)}^2\end{array}---\left(\text{4}\right)$

$\begin{array}{c}{l}_2^2={(\frac{\sqrt{3}}{2}r\cos {\mathrm{\β}}_0+\frac{1}{2}r\sin {\mathrm{\α}}_0\sin {\mathrm{\β}}_0-\frac{\sqrt{3}}{2}R)}^2+{(\frac{1}{2}R-\frac{1}{2}r\cos {\mathrm{\α}}_0)}^2+\\ {(H_0+\mathrm{\η}\·h_0+\frac{\sqrt{3}}{2}r\sin {\mathrm{\β}}_0-\frac{1}{2}r\sin {\mathrm{\α}}_0\cos {\mathrm{\β}}_0)}^2\end{array}---\left(5\right)$

$l_3^2={\left(r\sin {\mathrm{\α}}_0\sin {\mathrm{\β}}_0\right)}^2+{(R-r\cos {\mathrm{\α}}_0)}^2+{(H_0+\mathrm{\η}\·h_0-r\sin {\mathrm{\α}}_0\cos {\mathrm{\β}}_0)}^2---\left(6\right)$

在每个采样周期内，将专用控制手柄的三个模拟输入量α₀、β₀和h₀代入(4)(5)(6)中，得到三条驱动腿的长度，再将各条驱动腿的长度送入PID控制单元，实现专用控制手柄对运动平台的控制。

设η=10，根据上述的位置反解算法，对应于专用控制手柄的输入参数，运动平台各驱动腿输出长度如下表。从表中可以看出，专用控制手柄可以实现对运动平台所有运动自由度完全控制。

所述差分与映射单元26的差分运算是指某一参数两次采样值之间的差值除以采样周期，从而求出该参数的一阶微分，设第k次采样侧摆角度采样值为α_k，第k+1次采样侧摆角度采样值为α_k+1，采样周期为T，则

映射变换是指将专用控制手柄位移量h₀通过一个固定的映射放大系数η，映射到动感游戏运动平台中间从动腿的位移量H，映射放大系数η定义为：η=L_p/L_s，其中，L_s为专用控制手柄Z轴的行程范围，L_p为动感游戏运动平台中间从动腿的行程范围。

如图3所示的一种并联型动感游戏运动平台的控制装置的另一实施例，包括通讯单元21、计算机1、中心控制单元22、运动学反解单元23和PID控制单元24；计算机1用于将通过规划后的位姿参数、运动学参数通过所述通讯单元21输入给中心控制单元22，中心控制单元22用于接收通讯单元21输入的参数，并将接收到的参数传输给运动学反解单元23，该运动学反解单元23用于对接收到的参数进行位置反解或速度反解运算，求解出动感游戏运动平台3各条驱动腿的长度、速度等运行参数，将求得的运行参数送入PID控制单元24；PID控制单元24与动感游戏运动平台3连接，并通过所述运动学反解单元23求解出的参数，对动感游戏运动平台3的驱动腿进行位置、速度的PID控制，以实现对动感游戏运动平台3的位姿和运动状态的控制。

计算机1通过通讯单元21传输给中心控制单元22的位姿参数、运动学参数包括侧摆角度α₁、侧摆角速度

俯仰角度β₁、俯仰角速度

升降位移H₁、升降速度

所述侧摆角度α₁、侧摆角速度

俯仰角度β₁、俯仰角速度

升降位移H₁、升降速度

通过运动学反解单元23得到动感游戏运动平台3的3条驱动腿长度矢量[l₁、l₂、l₃]^T和速度矢量

通讯单元21可以是CAN总线接口，也可以是RS232/RS485串行通讯接口，还可以是USB通讯接口。PID控制中的位置、速度反馈采用型号可以为DA-75的位移传感器。

具体而言，首先运动平台侧摆角度α₁、侧摆角速度

俯仰角度β₁、俯仰角速度

升降位移H₁、升降速度

的6个参数信号可通过运动轨迹规划软件传输给运动平台运动控制器2。该运动平台运动控制器2中的运动学反解单元23对这些参数信号进行位置反解运算和速度反解运算，得到动感游戏运动平台3各条驱动腿长度和速度等运动参数，将得到的驱动腿长度、速度参数输入PID控制单元，实现对运动平台位姿和运动状态的控制。可求得各条驱动腿长度l₁、l₂、l₃与运动轨迹控制软件输出信号α₁、β₁、H₁的关系如下：

$\begin{array}{c}{l}_1^2={(\frac{\sqrt{3}}{2}r\cos {\mathrm{\β}}_1+\frac{1}{2}r\sin {\mathrm{\α}}_1\sin {\mathrm{\β}}_1-\frac{\sqrt{3}}{2}R)}^2+{(\frac{1}{2}R-\frac{1}{2}r\cos {\mathrm{\α}}_1)}^2+\\ {(H_0+H_1-\frac{\sqrt{3}}{2}r\sin {\mathrm{\β}}_1-\frac{1}{2}r\sin {\mathrm{\α}}_1\cos {\mathrm{\β}}_1)}^2\end{array}---\left(7\right)$

$\begin{array}{c}{l}_2^2={(\frac{\sqrt{3}}{2}r\cos {\mathrm{\β}}_1+\frac{1}{2}r\sin {\mathrm{\α}}_1\sin {\mathrm{\β}}_1-\frac{\sqrt{3}}{2}R)}^2+{(\frac{1}{2}R-\frac{1}{2}r\cos {\mathrm{\α}}_1)}^2+\\ {(H_0+H_1+\frac{\sqrt{3}}{2}r\sin {\mathrm{\β}}_1-\frac{1}{2}r\sin {\mathrm{\α}}_1\cos {\mathrm{\β}}_1)}^2\end{array}---\left(8\right)$

$l_3^2={\left(r\sin {\mathrm{\α}}_1\sin {\mathrm{\β}}_1\right)}^2+{(R-r\cos {\mathrm{\α}}_1)}^2+{(H_0+H_{1}r\sin {\mathrm{\α}}_1\cos {\mathrm{\β}}_1)}^2---\left(9\right)$

速度反解运算如下：

已知固定平台铰链点在固定坐标系中的坐标A_i，动平台铰链点在动坐标系中的坐标为B_i，动坐标系相对固定坐标系的旋转矩阵为R＝Rot(Y,β)Rot(X,α)，动坐标系相对于固定坐标系的位移向量为P=[0,0,H]^T。通过坐标变化可以得到动平台铰链点在固定坐标系中的坐标C_i＝RB_i+P。运动平台的速度定义为：

$\stackrel{\·}{q}=\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{P}\\ \mathrm{\ω}\end{array}\right]---\left(10\right)$

式中，

为动平台平移速度，

为动平台在固定坐标系中的角速度。

根据空间矢量关系，3条驱动腿长度矢量l_i可表示为：

l_i＝RB_i+P-A_i   (11)

$l_i^2={({\mathrm{RB}}_i+P-A_i)}^T({\mathrm{RB}}_i+P-A_i)---\left(12\right)$

对上式求导得:

${2l}_i{\stackrel{\·}{l}}_i=2{({\mathrm{RB}}_i+P-A_i)}^T(\stackrel{\·}{R}{B}_i+\stackrel{\·}{P})---\left(13\right)$

其中： $\stackrel{\·}{R}{B}_i=\mathrm{\ω}\×{\mathrm{RB}}_i---\left(14\right)$

将式(14)代入式(13)化简得：

${\stackrel{\·}{l}}_i=L_{n,i}^T(\stackrel{\·}{P}+\mathrm{\ω}\×{\mathrm{RB}}_i)=L_{n,i}^T\stackrel{\·}{P}+{({\mathrm{RB}}_i\×L_{n,i}^T)}^T\×\mathrm{\ω}---\left(15\right)$

将式(15)写成矩阵形式如下：

${\stackrel{\·}{l}}_i=\left[L_n^T({\mathrm{RB}}_i\×L_n)\right]\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{P}\\ \mathrm{\ω}\end{array}\right]=J\stackrel{\·}{q}(i=\mathrm{1,2,3})---\left(16\right)$

式中，

为各驱动腿伸长速度所构成的矢量矩阵，L_n为驱动腿单位方向矢量组成的矩阵，J为动感游戏运动平台广义速度到各驱动腿伸长速度的雅可比矩阵。

$J=L_n^T({\mathrm{RB}}_i\×L_n)---\left(17\right)$

根据式(16)(17)，只要给定运动平台侧摆角度α、角速度

俯仰角度β、角速度升沉位移H、速度六个参数信号，就可以得到运动平台3条驱动腿长度矢量[l₁、l₂、l₃]^T和速度矢量

从而可实现对动感游戏运动平台的运动控制。

综上所述，（1）动感游戏运动平台的控制方式包括手动控制和上位机运动轨迹规划软件控制两种方式。只需要给定运动平台期望达到的位姿参数、运动学参数，控制系统就可以分析计算出运动平台各驱动腿长度、速度等运行参数。

（2）动感游戏运动平台在手动控制和上位机运动轨迹规划软件控制两种工作模式切换过程中，其控制系统组成结构和控制方法均不发生变化。

（3）将动感游戏运动平台、运动控制系统和游戏软件进行封装集成，可以打造出结构简单紧凑、功能强大、造价低廉的通用动感游戏装备。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (10)

1.一种并联型动感游戏运动平台的控制装置，其特征在于，包括：

通讯单元；

计算机，该计算机用于将规划后的位姿参数、运动学参数通过通讯单元输入给

中心控制单元，该中心控制单元用于接收通讯单元输入的参数，并将接收到的参数传输给

运动学反解单元，该运动学反解单元用于对接收到的参数进行位置反解或速度反解，求解出动感游戏运动平台各条驱动腿的长度、速度运行参数，再将解得的运行参数再送入

PID控制单元，该PID控制单元与动感游戏运动平台连接，通过所述运动学反解单元求解出的参数，对动感游戏运动平台的驱动腿进行位置、速度的PID控制，以实现对动感游戏运动平台位姿和运动状态的控制。

2.根据权利要求1所述的并联型动感游戏运动平台的控制装置，其特征在于，所述计算机通过通讯单元传输给中心控制单元的位姿参数、运动学参数包括侧摆角度α₁、侧摆角速度

俯仰角度β₁、俯仰角速度

升降位移H₁、升降速度

3.根据权利要求2所述的并联型动感游戏运动平台的控制装置，其特征在于，所述侧摆角度α₁、侧摆角速度俯仰角度β₁、俯仰角速度升降位移H₁、升降速度

通过运动学反解单元得到动感游戏运动平台3条驱动腿长度矢量[l₁、l₂、l₃]^T和速度矢量

4.一种并联型动感游戏运动平台的控制装置，其特征在于，包括：

专用控制手柄，该专用控制手柄的位姿参数的模拟量通过传感器传输给

A/D转换单元，该A/D转换单元将接收的模拟量数据进行转换，并将转换后的数据传输给

差分与映射单元，该差分与映射单元将接收到的数据参数进行差分运算和映射变换；

中心控制单元，该中心控制单元用于接收差分与映射单元输入的参数，并将接收到的参数传输给

运动学反解单元，该运动学反解单元用于对接收到的参数进行位置反解或速度反解，求解出动感游戏运动平台各条驱动腿的长度、速度等运行参数，求得的运行参数再送入

PID控制单元，该PID控制单元与动感游戏运动平台连接，通过所述运动学反解单元求解出的参数，对动感游戏运动平台的驱动腿进行位置、速度的PID控制，以实现对动感游戏运动平台位姿和运动状态的控制。

5.根据权利要求4所述的并联型动感游戏运动平台的控制装置，其特征在于，所述专用控制手柄的位姿参数包括该专用控制手柄的绕X轴的旋转角度α₀，绕Y轴的旋转角度β₀和沿Z轴移动的距离h₀。

6.根据权利要求5所述的并联型动感游戏运动平台的控制装置，其特征在于，所述差分与映射单元对相应数据处理后得到侧摆角度α₂、侧摆角速度

俯仰角度β₂、俯仰角速度

升降位移H₂、升降速度

7.根据权利要求6所述的并联型动感游戏运动平台的控制装置，其特征在于，所述侧摆角度α₂、侧摆角速度

俯仰角度β₂、俯仰角速度

升降位移H₂、升降速度通过运动学反解单元得到动感游戏运动平台3条驱动腿长度矢量[l₁、l₂、l₃]^T和速度矢量

8.根据权利要求4至7任意一项所述的并联型动感游戏运动平台的控制装置，其特征在于，所述差分与映射单元的差分运算是指某一参数两次采样值之间的差值除以采样周期，从而求出该参数的一阶微分，设第k次采样侧摆角度采样值为α_k，第k+1次采样侧摆角度采样值为α_k+1，采样周期为T，则

映射变换是指将专用控制手柄位移量h₀通过一个固定的映射放大系数η，映射到动感游戏运动平台中间从动腿的位移量H，映射放大系数η定义为：η=L_p/L_s，其中，L_s为专用控制手柄Z轴的行程范围，L_p为动感游戏运动平台中间从动腿的行程范围。

9.一种基于如权利要求1所述并联型动感游戏运动平台控制装置的运动控制方法，其特征在于，包括：

计算机将规划的位姿参数、运动学参数通过所述通讯单元输入给中心控制单元；

中心控制单元接收到输入单元输入的参数后，将接收到的参数传输给运动学反解单元；

运动学反解单元对接收到的参数进行位置反解或速度反解运算，求解出动感游戏运动平台各条驱动腿的长度、速度等运行参数，将求得的运行参数送入PID控制单元；

PID控制单元与动感游戏运动平台连接，并通过所述运动学反解单元求解出的参数，对动感游戏运动平台的驱动腿进行位置、速度的PID控制，以实现对动感游戏运动平台位姿和运动状态的控制。

10.一种基于如权利要求4所述并联型动感游戏运动平台控制装置的运动控制方法，其特征在于，包括：

将专用控制手柄的位姿参数的模拟量通过传感器传输给A/D转换单元；

A/D转换单元将接收的模拟量数据进行转换，并将转换后的数据传输给差分与映射单元；

差分与映射单元将接收到的数据参数进行差分运算求出其一阶微分，并通过一个用于映射到动感游戏运动平台的放大系数对中间从动腿的位移量进行放大；

中心控制单元接收到差分与映射单元输入的参数后，将接收到的参数传输给运动学反解单元；

运动学反解单元对接收到的参数进行位置反解或速度反解运算，求解出动感游戏运动平台各条驱动腿的长度、速度等运行参数，将求得的运行参数送入PID控制单元；

PID控制单元与动感游戏运动平台连接，并通过所述运动学反解单元求解出的参数，对动感游戏运动平台的驱动腿进行位置、速度的PID控制，以实现对动感游戏运动平台位姿和运动状态的控制。

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