CN104317204A - 基于虚拟现实技术的二次平台半物理仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

基于虚拟现实技术的二次平台半物理仿真系统及方法，属于二次平台半物理仿真领域。为了解决现有的二次平台仿真在调试过程中发生人机交互端指令输入不正确或者是控制算法整定错误使导致超量程或者撞台的问题。本发明是基于上位机和工控机实现的，通过上位机的操作系统实现输出给定位置指令，并实时显示二次平台的仿真模型的状态，利用三维仿真模型生成二次平台的仿真模型，结合输入的电机控制量和平台控制量仿真模拟二次平台的实时运行状态，当所述二次平台发生超量程或者撞台时，进行相应提示；利用工控机实现根据输入的给定位置指令，输出电机控制量和平台控制量。它用于仿真二次平台工作。

Description

基于虚拟现实技术的二次平台半物理仿真系统及方法

技术领域

本发明属于二次平台半物理仿真领域。

背景技术

在现代社会中,经常需要高平面度的平台,比如在空间交汇对接、地面测量、导航、网络通信和编队控制等全物理仿真试验中,需要支撑整个地面仿真器,为地面仿真实验提供基础平台；为编队卫星地面试验验证、控制算法验证分析等物理仿真试验提供平台支撑。由于平台运动或者是静止时都可能由于大面积水平基座的不平整等原因处于倾斜状态,不利于为负载提供尽可能水平的作业平台保证准确对接,因此需要平台在静止和运动状态都能够被快速、精确的调平,以保证平台足够的水平度。

二次平台和六自由度气浮台轨道器及六自由度气浮台上升器共同构成交会对接仿真试验的核心部分。其中，以气浮球轴承和重力平衡伺服运动机构为核心组成的六自由度气浮台轨道器用来模拟轨道器动力学仿真状态；二次平台用来支撑六自由度气浮台轨道器，实现高精度自动调平；与六自由度上升器配合，实现完整的交会对接动力学与控制全物理仿真试验。整个系统运行在大型花岗岩平台上，是地面全物理仿真试验的核心和基础平台；也为未来的编队卫星地面试验验证、控制算法验证分析等物理仿真试验提供平台支撑。

目前,在二次平台运动控制系统研制过程中,工控机直接与实际台体相连,人机交互界面发送指令或者参数直接到工控机,工控机通过指令解祸、控制算法整定后输出控制量送给电机驱动台体运动,但是在调试过程中可能会由于人机交互端指令输入不正确或者是控制算法整定错误等意外因素造成撞台等严重后果，造成不可估量的损失。

虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作和交互的一种全新控制方式,与传统的人机界面相比,更直观逼真更能让用户全身心投入到三维虚拟环境中。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的二次平台仿真在调试过程中发生人机交互端指令输入不正确或者是控制算法整定错误使导致超量程或者撞台的问题，本发明提供一种基于虚拟现实技术的二次平台半物理仿真系统及方法。

本发明的基于虚拟现实技术的二次平台半物理仿真系统，

所述仿真系统是基于上位机和工控机实现的，上位机和工控机均接入以太网，所述系统包括上位机操作系统、三维仿真模型和工控机模块；

上位机中嵌入上位机操作系统和三维仿真模型；工控机模块嵌入在工控机内；

所述上位机操作系统与三维仿真模型通过动态链接库进行数据交互；

所述上位机操作系统，用于输出给定位置指令，并实时显示二次平台的仿真模型的状态；

所述三维仿真模型，用于生成二次平台的仿真模型，结合输入的电机控制量和平台控制量仿真模拟二次平台的实时运行状态，当所述二次平台发生超量程或者撞台时，进行相应提示；

所述工控机模块，用于根据输入的给定位置指令，输出电机控制量和平台控制量。

所述工控机模块包括指令解算模型、控制模型、电机模型和二次平台数学模型，工控机内插有多个运动控制卡，所述指令解算模型、控制模型、电机模型和二次平台数学模型分别嵌入在不同的运动控制卡中；

所述指令解算模型，用于对输入的给定位置指令进行解算,并将解算后的指令发送给控制模块；

控制模型，用于对解算模型发出的指令进行整定,生成电机控制量和平台控制量，并分别发送给电机模型和二次平台数学模型；

电机模型，用于根据电机控制量驱动二次平台的仿真模型中的电机工作；

二次平台数学模型，用于根据平台控制量驱动二次平台的仿真模型中的工作台运动。

基于虚拟现实技术的二次平台半物理仿真方法，所述仿真方法是基于上位机和工控机实现的，上位机和工控机均接入以太网，所述系统方法包括如下步骤：

利用上位机操作系统输出给定位置指令，并实时显示二次平台的仿真模型的状态的步骤；

利用三维仿真模型生成二次平台的仿真模型，结合输入的电机控制量和平台控制量仿真模拟二次平台的实时运行状态，当所述二次平台发生超量程或者撞台时，进行相应提示的步骤；

所述上位机操作系统与三维仿真模型通过动态链接库进行数据交互；

利用工控机根据输入的给定位置指令，输出电机控制量和平台控制量的步骤。

所述利用工控机根据输入的给定位置指令，输出电机控制量和平台控制量的步骤包括:

用于对输入的给定位置指令进行解算,并将解算后的指令发送的步骤；

用于对接收的解算后的指令进行整定,生成电机控制量和平台控制量，并发送的步骤；

用于根据接收电机控制量驱动二次平台的仿真模型中的电机工作的步骤；

用于根据接收平台控制量驱动二次平台的仿真模型中的工作台运动的步骤。

所述二次平台的仿真模型为：

所述工作台的台体中央设置有四个全向轮及其控制电机和电机驱动模块,所述台体的底部有三个音圈电机组成的气足；

所述四个全向轮轮轴线互相垂直，四个电机驱动模块分别通过控制相应电机控制相应全向轮转动；

三个音圈电机延所述台体的圆周均匀分布，通过控制所述三个音圈电机来完成整个二次平台倾角和竖直方向进动的控制。

本发明的有益效果在于，本发明根据实际二次平台的工作原理、过程和组成部件,以虚拟环境中创建的三维仿真模型代替实际台体在运动控制指令下运动,是一种的基于虚拟现实技术的半物理仿真系统。它以虚拟三维仿真模型代替具体的二次平台运动,直观逼真的将二次平台的具体运动过程在计算机上显现出来,避免了在调试过程中可能遇到的撞台跑飞等意外状况的发生,大大提高了二次平台的可靠性,减少了开发成本,缩短了开发周期。本发明充分适应了对二次平台半物理仿真的需求。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的基于虚拟现实技术的二次平台半物理仿真系统的原理示意图。

图2为具体实施方式一所述的工控机的原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于虚拟现实技术的二次平台半物理仿真系统，所述仿真系统是基于上位机和工控机实现的，上位机和工控机均接入以太网，所述系统包括上位机操作系统、三维仿真模型和工控机模块；

上位机中嵌入上位机操作系统和三维仿真模型；工控机模块嵌入在工控机内；

所述上位机操作系统与三维仿真模型通过动态链接库进行数据交互；

所述上位机操作系统，用于输出给定位置指令，并实时显示二次平台的仿真模型的状态；

所述三维仿真模型，用于生成二次平台的仿真模型，结合输入的电机控制量和平台控制量仿真模拟二次平台的实时运行状态，当所述二次平台发生超量程或者撞台时，进行相应提示；

所述工控机模块，用于根据输入的给定位置指令，输出电机控制量和平台控制量。

本实施方式中，当所述二次平台发生超量程或者撞台时，对话框形式进行相应提示。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的基于虚拟现实技术的二次平台半物理仿真系统的进一步限定，所述工控机模块包括指令解算模型、控制模型、电机模型和二次平台数学模型，工控机内插有多个运动控制卡，所述指令解算模型、控制模型、电机模型和二次平台数学模型分别嵌入在不同的运动控制卡中；

所述指令解算模型，用于对输入的给定位置指令进行解算,并将解算后的指令发送给控制模块；

控制模型，用于对解算模型发出的指令进行整定,生成电机控制量和平台控制量，并分别发送给电机模型和二次平台数学模型；

电机模型，用于根据电机控制量驱动二次平台的仿真模型中的电机工作；

二次平台数学模型，用于根据平台控制量驱动二次平台的仿真模型中的工作台运动。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的基于虚拟现实技术的二次平台半物理仿真系统的进一步限定，所述二次平台的仿真模型为：

所述工作台的台体中央设置有四个全向轮及其控制电机和电机驱动模块,所述台体的底部有三个音圈电机组成的气足；

所述四个全向轮轮轴线互相垂直，四个电机驱动模块分别通过控制相应电机控制相应全向轮转动；

三个音圈电机延所述台体的圆周均匀分布，通过控制所述三个音圈电机来完成整个二次平台倾角和竖直方向进动的控制。

本实施方式的上位机和工控机均接入以太网，

本实施方式在具体基于vc6.0+open inventor插件的半物理仿真中，空间立体坐标轴以大平台的台面的中心为零点，二次平台可完成x,y,z,rx(倾角),ry,rz,六个自由度的运动，仿真与控制就是对二次平台在完成这六个自由度运动的仿真和控制。

本发明的半物理仿真系统可以更直观更逼真的模拟二次平台运动过程:

工作原理是依靠大平台的三个音圈电机相互组合实现微动台的X、Y、RZ三个自由度运动,通过二次平台的三个音圈电机相互组合实现二次平台Rx、Ry、Z三个自由度运动,因此控制指令给定以后要进行解祸解算,换算成为每个电机的实际控制量,驱动二次平台实现高精度运动。台体中央的四个控制全向轮的电机实现二次平台在大平台平面上X,Y轴的运动，本发明是基于二次平台及电机工作原理和组成结构设计虚拟环境中的三维仿真模块代替上述的实际电机以及二次平台,工作过程与上述实际台体完全相同。

二次平台实际控制过程为:上位机给定每个自由度的给定位置指令后,在运动控制卡中对给定位置指令解算换算成为每个电机驱动二次平台运动的期望位移量,对期望位移量进行相应控制算法整定后输出控制量,经过数模转换和功率放大器,最后变为电机的输入电流经进一步转化为力矩驱动电机运转,从而实现二次平台完成一系列操作。

本发明在运动控制卡中除完成指令解算、控制算法整定以外,为保证最大可能模拟实际台体的工作过程,需要根据宏动台和微动台的不同分别建立不同的模型,根据电机类型的不同分别建立不同的模型,经过控制算法整定后输出的控制量传给已经建立好的电机以及二次平台模型,最后输出位移量通过网络通信传递给上位机,上位机通过动态链接库将位移量传给三维仿真模型。

本发明以虚拟三维仿真模型代替具体的二次平台运动,直观逼真的将二次平台的具体运动过程在计算机上显现出来,避免了在调试过程中可能遇到的撞台跑飞等意外状况的发生,大大提高了二次平台的可靠性,减少了开发成本,缩短了开发周期。

具体实施方式四：本实施方式所述的基于虚拟现实技术的二次平台半物理仿真方法，所述仿真方法是基于上位机和工控机实现的，上位机和工控机均接入以太网，所述系统方法包括如下步骤：

利用上位机操作系统输出给定位置指令，并实时显示二次平台的仿真模型的状态的步骤；

利用三维仿真模型生成二次平台的仿真模型，结合输入的电机控制量和平台控制量仿真模拟二次平台的实时运行状态，当所述二次平台发生超量程或者撞台时，进行相应提示的步骤；

所述上位机操作系统与三维仿真模型通过动态链接库进行数据交互；

利用工控机根据输入的给定位置指令，输出电机控制量和平台控制量的步骤。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的基于虚拟现实技术的二次平台半物理仿真方法的进一步限定，所述利用工控机根据输入的给定位置指令，输出电机控制量和平台控制量的步骤包括:

用于对输入的给定位置指令进行解算,并将解算后的指令发送的步骤；

用于对接收的解算后的指令进行整定,生成电机控制量和平台控制量，并发送的步骤；

用于根据接收电机控制量驱动二次平台的仿真模型中的电机工作的步骤；

用于根据接收平台控制量驱动二次平台的仿真模型中的工作台运动的步骤。

本实施方式中的步骤通过在工控机内插入多个运动控制卡实现。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的基于虚拟现实技术的二次平台半物理仿真方法的进一步限定，所述二次平台的仿真模型为：

所述工作台的台体中央设置有四个全向轮及其控制电机和电机驱动模块,所述台体的底部有三个音圈电机组成的气足；

所述四个全向轮轮轴线互相垂直，四个电机驱动模块分别通过控制相应电机控制相应全向轮转动；

三个音圈电机延所述台体的圆周均匀分布，通过控制所述三个音圈电机来完成整个二次平台倾角和竖直方向进动的控制。

Claims (6)

1.基于虚拟现实技术的二次平台半物理仿真系统，其特征在于，所述仿真系统是基于上位机和工控机实现的，上位机和工控机均接入以太网，所述系统包括上位机操作系统、三维仿真模型和工控机模块；

上位机中嵌入上位机操作系统和三维仿真模型；工控机模块嵌入在工控机内；

所述上位机操作系统与三维仿真模型通过动态链接库进行数据交互；

所述上位机操作系统，用于输出给定位置指令，并实时显示二次平台的仿真模型的状态；

所述三维仿真模型，用于生成二次平台的仿真模型，结合输入的电机控制量和平台控制量仿真模拟二次平台的实时运行状态，当所述二次平台发生超量程或者撞台时，进行相应提示；

所述工控机模块，用于根据输入的给定位置指令，输出电机控制量和平台控制量。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实技术的二次平台半物理仿真系统，其特征在于，所述工控机模块包括指令解算模型、控制模型、电机模型和二次平台数学模型，工控机内插有多个运动控制卡，所述指令解算模型、控制模型、电机模型和二次平台数学模型分别嵌入在不同的运动控制卡中；

所述指令解算模型，用于对输入的给定位置指令进行解算,并将解算后的指令发送给控制模块；

控制模型，用于对解算模型发出的指令进行整定,生成电机控制量和平台控制量，并分别发送给电机模型和二次平台数学模型；

电机模型，用于根据电机控制量驱动二次平台的仿真模型中的电机工作；

二次平台数学模型，用于根据平台控制量驱动二次平台的仿真模型中的工作台运动。

3.根据权利要求2所述的基于虚拟现实技术的二次平台半物理仿真系统，其特征在于，所述二次平台的仿真模型为：

所述工作台的台体中央设置有四个全向轮及其控制电机和电机驱动模块,所述台体的底部有三个音圈电机组成的气足；

所述四个全向轮轮轴线互相垂直，四个电机驱动模块分别通过控制相应电机控制相应全向轮转动；

三个音圈电机延所述台体的圆周均匀分布，通过控制所述三个音圈电机来完成整个二次平台倾角和竖直方向进动的控制。

4.基于虚拟现实技术的二次平台半物理仿真方法，其特征在于，所述仿真方法是基于上位机和工控机实现的，上位机和工控机均接入以太网，上位机中嵌入上位机操作系统和三维仿真模型，所述系统方法包括如下步骤：

利用上位机操作系统输出给定位置指令，并实时显示二次平台的仿真模型的状态的步骤；

利用三维仿真模型生成二次平台的仿真模型，结合输入的电机控制量和平台控制量仿真模拟二次平台的实时运行状态，当所述二次平台发生超量程或者撞台时，进行相应提示的步骤；

所述上位机操作系统与三维仿真模型通过动态链接库进行数据交互；

利用工控机根据输入的给定位置指令，输出电机控制量和平台控制量的步骤。

5.根据权利要求4所述的基于虚拟现实技术的二次平台半物理仿真方法，其特征在于，所述利用工控机根据输入的给定位置指令，输出电机控制量和平台控制量的步骤包括:

用于对输入的给定位置指令进行解算,并将解算后的指令发送的步骤；

用于对接收的解算后的指令进行整定,生成电机控制量和平台控制量，并发送的步骤；

用于根据接收电机控制量驱动二次平台的仿真模型中的电机工作的步骤；

用于根据接收平台控制量驱动二次平台的仿真模型中的工作台运动的步骤。

6.根据权利要求5所述的基于虚拟现实技术的二次平台半物理仿真方法，其特征在于，所述二次平台的仿真模型为：

所述工作台的台体中央设置有四个全向轮及其控制电机和电机驱动模块,所述台体的底部有三个音圈电机组成的气足；

所述四个全向轮轮轴线互相垂直，四个电机驱动模块分别通过控制相应电机控制相应全向轮转动；

三个音圈电机延所述台体的圆周均匀分布，通过控制所述三个音圈电机来完成整个二次平台倾角和竖直方向进动的控制。