CN104835399A - 一种模拟交通工具高低频运动的仿真平台及其实施方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟交通工具高低频运动的仿真平台及其实施方法。其包括输出平台、调姿平台及检测分支；所述输出平台包括动平台、球铰、直线运动执行器和万向铰，模拟交通工具产生的高频小幅振动；所述调姿平台包括滑块、伺服电机、定平台、滚珠丝杠、直线导轨、导轨座、基座和静载平衡装置，模拟多维大幅摇摆；所述静载平衡装置通过配重平衡系统静载荷，以降低电机输出力矩；所述检测分支为六自由度运动链，各单自由度运动副处均安装传感器，实时获得动平台运动参数。本发明采用双驱动控制方式实现了模拟运动向两个驱动平台的分解，并结合检测分支及静载平衡装置，故具有承载力大、运动参数实时自检、适用性广、模拟真实等特点。

Description

一种模拟交通工具高低频运动的仿真平台及其实施方法

技术领域

本发明属于运动仿真设备领域，具体来说，涉及一种模拟交通工具高低频运动的仿真平台及其实施方法。

背景技术

车辆等交通工具工作环境复杂，其上安装的高精度车载光学仪器一直处于颠簸状态，该运动谱由高频率小幅振动和低频率大幅摇摆叠加而成，因此如何真实再现车辆行进间的运动模拟是研发仿真设备亟需解决的问题。并联机构由于具有精度高、动力学性能好、承载能力强、结构紧凑等突出优点，近年来被广泛应用于车辆、舰船、飞机等交通工具的运动模拟领域。传统运动仿真平台对低频大幅摇摆的仿真效果较好，但很难同时对高频小幅振动进行模拟，因此使载体设备在真实环境中的模拟应用受到了很大限制。

随着运动仿真平台应用领域的不断拓展，对其负载能力、运动精度、动态性能等方面提出了更高的要求。并联机构驱动部分大多数由电动缸或液压缸实现，采用电动缸驱动时，具有过载能力强、易实现高精度伺服控制、移动灵活等优点，但其输出力矩有限，不能够对大型载体设备进行运动模拟；当采用液压缸驱动时，平台能够承受重载，但是液压系统体积大、元件易泄漏、维护成本高、对温度敏感、移动性差等缺点限制了其在运动仿真平台中的发展应用。另外，仿真平台运动参数需要精密光学仪器进行测量，不仅增加系统成本，而且测量参数的准确性和实时性无法保证，这也降低了系统的运动精度及动态性能。

综上所述，由于现行仿真平台实施过程中无法真实模拟车辆实际运动、只能进行开环或半闭环反馈控制、负载/驱动器功率比值小等技术问题，其试验得到的车载设备运动特性无法真实反映工程实际。事实上，试验得到的车载设备随车辆运动的特性往往要优于工程实际中的运动特性，采用现行仿真系统得到的车载设备性能参数进行设计时，其安全性能、工作精度与工程实际差别较大，严重影响车载设备作用的发挥。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种可同时模拟交通工具高低频运动、能承受重载并具有运动参数实时检测功能的仿真平台及其实施方法。

本发明所述的一种模拟交通工具高低频运动的仿真平台，所述并联式双驱动仿真平台包括输出平台、调姿平台和检测分支；所述输出平台包括动平台1、球铰2、直线运动执行器3和万向铰4；所述调姿平台包括导轨座10、定平台7、滑块5、伺服电机6、直线导轨9、滚珠丝杠8、基座12和静载平衡装置11，该静载平衡装置11包括钢丝绳14、定滑轮A15、压板16、双立柱17、定滑轮B18、吊环19、配重20、立柱座21；所述动平台1的形状为六边形或矩形，其边沿均匀分布有安装孔；所述球铰2共六个，相邻两个设为一组，该球铰2的上铰座通过螺钉与动平台1的安装孔进行连接；所述直线运动执行器3的一端与球铰2连接，另一端与万向铰4连接；所述球铰2由轴线互相垂直且相交于一点的三个转动副构成；所述万向铰4固定连接于滑块5上表面，其由轴线互相垂直且相交于一点的两个转动副构成；所述导轨座10共六个，相邻两个设为一组，均匀固定于定平台7上，每组导轨座10中心线互相平行且垂直于定平台7对应侧面，相邻两组导轨座10中心线夹角为120°；所述导轨座10的外侧设有伺服电机6，上侧设有两条互相平行的直线导轨9；所述滚珠丝杠8安装于导轨座10的两条直线导轨9之间，其一端与伺服电机6的输出轴连接，另一端与导轨座10顶端轴承座连接；所述滑块5的两侧卡在直线导轨9上，其中间通过螺纹安装于滚珠丝杠8上，其前端与钢丝绳14的一端连接，该钢丝绳14的另一端绕过设在导轨座10及压板16上的定滑轮A15、定滑轮B18与设在配重20上的吊环19连接；所述配重20两侧设有双立柱17，以保证配重20沿竖直方向移动，该双立柱17两端分别固定在压板16及立柱座21上；所述压板16及立柱座21分别通过螺栓安装孔与导轨座10及基座12连接；所述配重20共六个，其总质量为输出平台及载体设备重量总和的90％-150％；所述基座12上设有安装孔，其使用螺栓与上方的定平台7进行连接；所述检测分支采13用UPS运动链结构，其顶端的检测分支球铰22安装于动平台1下表面中心，其底端的检测分支万向铰31安装于基座12上表面中心，其移动副由检测分支伸缩杆26及支撑筒27的相对运动实现；所述检测分支球铰22由三个单自由度转动副实现，轴线汇交点与动平台1上六个球铰2的中心点共面；所述检测分支万向铰31由两个单自由度转动副实现，轴线汇交点位于定平台7和基座12之间；所述检测分支的单自由度运动副处均分别安装传感器，其中，检测分支球铰22及检测分支万向铰31处安装编码器，移动副处安装光栅尺28；所述检测分支球铰22及移动副处传感器的精度与动平台1转动及垂直移动所要求的检测精度等级一致；所述检测分支万向铰31处传感器的精度要比动平台1水平移动所要求的检测精度高2～3个等级；所述检测分支球铰22包括编码器A23、编码器B24、编码器C25、球铰上铰座32、球铰预紧螺钉33、球铰端盖34、球铰传感器安装板35、球铰十字轴36、球铰角接触轴承37、球铰密封盖38、球铰下铰座39，其具体装配方式为：将检测分支伸缩杆26上端插入球铰下铰座39轴承孔中，依次将球铰密封盖38和球铰角接触轴承37从上侧装入并与检测分支伸缩杆26过盈配合，使用球铰传感器安装板35和球铰预紧螺钉33对上述零件进行固定和预紧，最后将编码器C25固定于球铰传感器安装板35上；将球铰十字轴36插入球铰下铰座39轴承孔中，依次将球铰密封盖38、球铰角接触轴承37从外侧装入球铰下铰座39轴承孔中并使轴承内圈与球铰十字轴36过盈配合，使用球铰端盖34、球铰传感器安装板35和球铰预紧螺钉33进行固定和预紧，最后将编码器B24固定于球铰传感器安装板35上；将球铰十字轴36插入球铰上铰座32轴承孔中，依次将球铰密封盖38、球铰角接触轴承37从外侧装入球铰上铰座32轴承孔中并使轴承内圈与球铰十字轴36过盈配合，使用球铰端盖34、球铰传感器安装板35和球铰预紧螺钉33进行固定和预紧，最后将编码器A24固定于球铰传感器安装板35上；所述检测分支万向铰31包括编码器D29、编码器E30、万向铰上铰座40、万向铰预紧螺钉41、万向铰端盖42、万向铰传感器安装板43、万向铰角接触轴承44、万向铰密封盖45、万向铰十字轴46、万向铰下铰座47，其具体装配方式为：将万向铰十字轴46插入万向铰上铰座40轴承孔中，依次将万向铰密封盖45、万向铰角接触轴承44从外侧装入万向铰上铰座40轴承孔中并使轴承内圈与万向铰十字轴46过盈配合，使用万向铰端盖42、万向铰传感器安装板43和万向铰预紧螺钉41进行固定和预紧，最后将编码器D29固定于万向铰传感器安装板43上；将万向铰十字轴46插入万向铰下铰座47轴承孔中，依次将万向铰密封盖45、万向铰角接触轴承44从外侧装入万向铰下铰座47轴承孔中并使轴承内圈与万向铰十字轴46过盈配合，使用万向铰端盖42、万向铰传感器安装板43和万向铰预紧螺钉41进行固定和预紧，最后将编码器E29固定于万向铰传感器安装板43上。

本发明所述的一种模拟交通工具高低频运动的仿真平台，所述动平台1采用航空铝合金材料制成，其外接圆直径为1.5～3.0m。

本发明所述的一种模拟交通工具高低频运动的仿真平台，所述定平台7为六边形，其外接圆直径为动平台1外接圆直径的2倍，其短边与长边长度比例为0.5。

本发明所述的一种模拟交通工具高低频运动的仿真平台，所述基座12为圆台形状，其圆台上圆面与下圆面直径比例为0.4～0.8。

本发明所述的一种模拟交通工具高低频运动的仿真平台，所述定平台7和基座12均采用碳钢材料制成。

本发明所述的一种模拟交通工具高低频运动的仿真平台的实施方法，所述实施方法包括以下步骤：a)获取车辆运动数据，并利用线性插值法建立六维位姿与运行时间的变化曲线，进行系统参数设置；b)将所述运动曲线按频率高低向输出平台及调姿平台分解；c)利用机构运动学模型将输出平台及调姿平台运动映射为其直线运动执行器3及伺服电机6的位移变化数据；d)对所述两种位移变化数据进行分析，并通过控制器生成输出信号；e)通过所述输出信号控制所述两种驱动器运动。

本发明所述的一种模拟交通工具高低频运动的仿真平台的实施方法，所述系统参数设置包括伺服周期设置、运行时间设置、曲线间隔设置、运动范围设置，其中直线运动执行器移动范围为-20～20mm、伺服周期为4ms、运动曲线间隔为250帧/秒；伺服电机移动范围为-700～700mm、伺服周期为10ms、运动曲线间隔为100帧/秒；运行时间与车辆运动数据对应的时间一致。

本发明所述的一种模拟交通工具高低频运动的仿真平台的实施方法，所述步骤b)中，将频率为5Hz以上的运动向输出平台分解；将频率为5Hz以下的运动向调姿平台分解。

本发明所述的一种模拟交通工具高低频运动的仿真平台的实施方法，所述步骤c)中，还包括实时获取直线运动执行器3和伺服电机6实际位移以及检测分支各传感器参数，用于对所述驱动器的运动作修正。

本发明所述的一种模拟交通工具高低频运动的仿真平台的实施方法，所述修正具体为对于各驱动器每一个伺服周期内的数据，都重复下列操作：f)检测直线运动执行器3及伺服电机6的当前实际位移；g)在直线运动执行器3每一个伺服周期内读取检测分支各编码器数值，并计算动平台1实时位姿参数；h)将所述当前实际位移与目标位移进行比较，计算运动补偿量；i)将补偿量与下一段运行位移叠加，求出本伺服周期各驱动器位移；j)通过控制器生成输出信号。

与现有技术相比，本发明所述的交通工具高低频运动的仿真平台及其实施方法采用了输出平台和调姿平台相结合的设计方案，实现了运动谱中高低频部分向上述两个平台驱动器的分解，有效解决了车辆在真实路面中的摇摆及振动模拟，革命性的实现了车载设备在真实复杂环境中的运动特性测试；采用静载平衡装置的方案，通过引入配重大幅降低了电机输出力矩，从而增加了负载/驱动器功率的比值；同时，通过六自由度检测分支创新设计方案，实现了仿真平台位姿参数的实时检测，可为系统大闭环控制提供反馈信号，提高了平台模拟实际路况的工作精度和可视化监测。该仿真平台有效避免了现有产品中模拟测试值与载体设备实际运动特性严重不符的问题，解决了车载设备应用中存在的安全性、工作精度与工程实际差别较大的问题。

附图说明

图1：模拟交通工具高低频运动的仿真平台结构示意图；图2：动平台铰链点布置图；图3：定平台铰链点布置图；图4：调姿平台运动分支结构示意图；图5：检测分支结构示意图；图6：检测分支球铰爆炸图；图7：检测分支万向铰爆炸图；图8为本发明所述仿真平台实施方法的流程图；图9为本发明所述仿真平台实施方法的控制框图；动平台-1、球铰-2、直线运动执行器-3、万向铰-4、滑块-5、伺服电机-6、定平台-7、滚珠丝杠-8、直线导轨-9、导轨座-10、静载平衡装置-11、基座-12、检测分支-13、钢丝绳-14、定滑轮A-15、压板-16、双立柱-17、定滑轮B-18、吊环-19、配重-20、立柱座-21、检测分支球铰-22、编码器A-23、编码器B-24、编码器C-25、检测分支伸缩杆-26、支撑筒-27、光栅尺-28、编码器D-29、编码器E-30、检测分支万向铰-31、球铰上铰座-32、球铰预紧螺钉-33、球铰座端盖-34、球铰传感器安装板-35、球铰十字轴-36、球铰角接触轴承-37、球铰座密封盖-38、球铰下铰座-39、万向铰上铰座-40、万向铰预紧螺钉-41、万向铰座端盖-42、万向铰传感器安装板-43、万向铰角接触轴承-44、万向铰座密封盖-45、万向铰十字轴-46、万向铰下铰座-47。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明所述的模拟交通工具高低频运动的仿真平台及其实施方法做进一步说明，但是本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

一种模拟交通工具高低频运动的仿真平台，所述并联式双驱动仿真平台包括输出平台、调姿平台和检测分支，其结构示意图如图1所示；所述输出平台包括动平台1、球铰2、直线运动执行器3和万向铰4；所述调姿平台包括导轨座10、定平台7、滑块5、伺服电机6、直线导轨9、滚珠丝杠8、基座12和静载平衡装置11，该静载平衡装置11包括钢丝绳14、定滑轮A15、压板16、双立柱17、定滑轮B18、吊环19、配重20、立柱座21；所述动平台1的形状为六边形，其边沿均匀分布有安装孔；所述球铰2共六个，相邻两个设为一组，该球铰2的上铰座通过螺钉与动平台1的安装孔进行连接；所述直线运动执行器3的一端与球铰2连接，另一端与万向铰4连接，通过六个直线运动执行器3的伸缩运动，可驱动载体设备实现空间六自由度高频小幅振动，因此该套驱动系统具有移动范围小、速度加速度大、频繁换向等特点，其具体实现形式为高频伺服电动缸；所述球铰2由轴线互相垂直且相交于一点的三个转动副构成，将该点称为球铰2的铰链点，安装时需保证上述六个铰链点共面且垂直于动平台1的法线，对应铰链点布置如图2所示，图中a1-a6为球铰点、α为每组铰链点之间的夹角；所述万向铰4固定连接于滑块5上表面，其由轴线互相垂直且相交于一点的两个转动副构成，其布置形式与球铰2铰链点类似，即上述六个万向铰2铰链点共面且垂直于定平台7的法线；所述导轨座10共六个，相邻两个设为一组，均匀固定于定平台7上，每组导轨座10中心线互相平行且垂直于定平台7对应侧面，相邻两组导轨座10中心线夹角为120°，如图3所示，图中b1-b6为定平台7轮廓点、k1-k6为导轨座10中心线；所述导轨座10的外侧设有伺服电机6，上侧设有两条互相平行的直线导轨9；所述滚珠丝杠8安装于导轨座10的两条直线导轨9之间，其一端与伺服电机6的输出轴连接，另一端与导轨座10顶端轴承座连接；所述滑块5的两侧卡在直线导轨9上，其中间通过螺纹安装于滚珠丝杠8上，其前端与钢丝绳14的一端连接，该钢丝绳14的另一端绕过设在导轨座10及压板16上的定滑轮A15、定滑轮B18与设在配重20上的吊环19连接；所述配重20两侧设有双立柱17，以保证配重20沿竖直方向移动，该双立柱17两端分别固定在压板16及立柱座21上；所述压板16及立柱座21分别通过螺栓安装孔与导轨座10及基座12连接；所述配重20共六个，其总质量为输出平台及载体设备重量总和的100％；所述基座12上设有安装孔，其使用螺栓与上方的定平台7进行连接；所述检测分支13不承载任何作用力，只随动平台1共同运动，其主要作用是实时检测动平台1的运动参数，包括位姿、速度、加速度等；所述检测分支采13用UPS运动链结构，其顶端的检测分支球铰22安装于动平台1下表面中心，其底端的检测分支万向铰31安装于基座12上表面中心，其移动副由检测分支伸缩杆26及支撑筒27的相对运动实现；所述检测分支球铰22由三个单自由度转动副实现，轴线汇交点与动平台1上六个球铰2的中心点共面；所述检测分支万向铰31由两个单自由度转动副实现，轴线汇交点位于定平台7和基座12之间；所述检测分支的单自由度运动副处均分别安装传感器，其中，检测分支球铰22及检测分支万向铰31处安装编码器，移动副处安装光栅尺28；所述检测分支球铰22及移动副处传感器的精度与动平台1转动及垂直移动所要求的检测精度等级一致；所述检测分支万向铰31处传感器的精度要比动平台1水平移动所要求的检测精度高2个等级；所述检测分支球铰22包括编码器A23、编码器B24、编码器C25、球铰上铰座32、球铰预紧螺钉33、球铰端盖34、球铰传感器安装板35、球铰十字轴36、球铰角接触轴承37、球铰密封盖38、球铰下铰座39，其具体装配方式为：将检测分支伸缩杆26上端插入球铰下铰座39轴承孔中，依次将球铰密封盖38和球铰角接触轴承37从上侧装入并与检测分支伸缩杆26过盈配合，使用球铰传感器安装板35和球铰预紧螺钉33对上述零件进行固定和预紧，最后将编码器C25固定于球铰传感器安装板35上；将球铰十字轴36插入球铰下铰座39轴承孔中，依次将球铰密封盖38、球铰角接触轴承37从外侧装入球铰下铰座39轴承孔中并使轴承内圈与球铰十字轴36过盈配合，使用球铰端盖34、球铰传感器安装板35和球铰预紧螺钉33进行固定和预紧，最后将编码器B24固定于球铰传感器安装板35上；将球铰十字轴36插入球铰上铰座32轴承孔中，依次将球铰密封盖38、球铰角接触轴承37从外侧装入球铰上铰座32轴承孔中并使轴承内圈与球铰十字轴36过盈配合，使用球铰端盖34、球铰传感器安装板35和球铰预紧螺钉33进行固定和预紧，最后将编码器A24固定于球铰传感器安装板35上；所述检测分支万向铰31包括编码器D29、编码器E30、万向铰上铰座40、万向铰预紧螺钉41、万向铰端盖42、万向铰传感器安装板43、万向铰角接触轴承44、万向铰密封盖45、万向铰十字轴46、万向铰下铰座47，其具体装配方式为：将万向铰十字轴46插入万向铰上铰座40轴承孔中，依次将万向铰密封盖45、万向铰角接触轴承44从外侧装入万向铰上铰座40轴承孔中并使轴承内圈与万向铰十字轴46过盈配合，使用万向铰端盖42、万向铰传感器安装板43和万向铰预紧螺钉41进行固定和预紧，最后将编码器D29固定于万向铰传感器安装板43上；将万向铰十字轴46插入万向铰下铰座47轴承孔中，依次将万向铰密封盖45、万向铰角接触轴承44从外侧装入万向铰下铰座47轴承孔中并使轴承内圈与万向铰十字轴46过盈配合，使用万向铰端盖42、万向铰传感器安装板43和万向铰预紧螺钉41进行固定和预紧，最后将编码器E29固定于万向铰传感器安装板43上；所述动平台1采用航空铝合金材料制成，其外接圆直径为1.6m；所述定平台7为六边形，其外接圆直径为动平台1外接圆直径的2倍，其短边与长边长度比例为0.5；所述基座12为圆台形状，其圆台上圆面与下圆面直径比例为0.4；所述定平台7和基座12均采用碳钢材料制成。

实施例2

一种模拟交通工具高低频运动的仿真平台，所述并联式双驱动仿真平台包括输出平台、调姿平台和检测分支，其结构示意图如图1所示；所述输出平台包括动平台1、球铰2、直线运动执行器3和万向铰4；所述调姿平台包括导轨座10、定平台7、滑块5、伺服电机6、直线导轨9、滚珠丝杠8、基座12和静载平衡装置11，该静载平衡装置11包括钢丝绳14、定滑轮A15、压板16、双立柱17、定滑轮B18、吊环19、配重20、立柱座21；所述动平台1的形状为矩形，其边沿均匀分布有安装孔；所述球铰2共六个，相邻两个设为一组，该球铰2的上铰座通过螺钉与动平台1的安装孔进行连接；所述直线运动执行器3的一端与球铰2连接，另一端与万向铰4连接，通过六个直线运动执行器3的伸缩运动，可驱动载体设备实现空间六自由度高频小幅振动，因此该套驱动系统具有移动范围小、速度加速度大、频繁换向等特点，其具体实现形式为高频伺服电动缸；所述球铰2由轴线互相垂直且相交于一点的三个转动副构成，将该点称为球铰2的铰链点，安装时需保证上述六个铰链点共面且垂直于动平台1的法线，对应铰链点布置如图2所示，图中a1-a6为球铰点、α为每组铰链点之间的夹角；所述万向铰4固定连接于滑块5上表面，其由轴线互相垂直且相交于一点的两个转动副构成，其布置形式与球铰2铰链点类似，即上述六个万向铰2铰链点共面且垂直于定平台7的法线；所述导轨座10共六个，相邻两个设为一组，均匀固定于定平台7上，每组导轨座10中心线互相平行且垂直于定平台7对应侧面，相邻两组导轨座10中心线夹角为120°，如图3所示，图中b1-b6为定平台7轮廓点、k1-k6为导轨座10中心线；所述导轨座10的外侧设有伺服电机6，上侧设有两条互相平行的直线导轨9；所述滚珠丝杠8安装于导轨座10的两条直线导轨9之间，其一端与伺服电机6的输出轴连接，另一端与导轨座10顶端轴承座连接；所述滑块5的两侧卡在直线导轨9上，其中间通过螺纹安装于滚珠丝杠8上，其前端与钢丝绳14的一端连接，该钢丝绳14的另一端绕过设在导轨座10及压板16上的定滑轮A15、定滑轮B18与设在配重20上的吊环19连接；所述配重20两侧设有双立柱17，以保证配重20沿竖直方向移动，该双立柱17两端分别固定在压板16及立柱座21上；所述压板16及立柱座21分别通过螺栓安装孔与导轨座10及基座12连接；所述配重20共六个，其总质量为输出平台及载体设备重量总和的140％；所述基座12上设有安装孔，其使用螺栓与上方的定平台7进行连接；所述检测分支13不承载任何作用力，只随动平台1共同运动，其主要作用是实时检测动平台1的运动参数，包括位姿、速度、加速度等。所述检测分支采13用UPS运动链结构，其顶端的检测分支球铰22安装于动平台1下表面中心，其底端的检测分支万向铰31安装于基座12上表面中心，其移动副由检测分支伸缩杆26及支撑筒27的相对运动实现；所述检测分支球铰22由三个单自由度转动副实现，轴线汇交点与动平台1上六个球铰2的中心点共面；所述检测分支万向铰31由两个单自由度转动副实现，轴线汇交点位于定平台7和基座12之间；所述检测分支的单自由度运动副处均分别安装传感器，其中，检测分支球铰22及检测分支万向铰31处安装编码器，移动副处安装光栅尺28；所述检测分支球铰22及移动副处传感器的精度与动平台1转动及垂直移动所要求的检测精度等级一致；所述检测分支万向铰31处传感器的精度要比动平台1水平移动所要求的检测精度高2个等级；所述检测分支球铰22包括编码器A23、编码器B24、编码器C25、球铰上铰座32、球铰预紧螺钉33、球铰端盖34、球铰传感器安装板35、球铰十字轴36、球铰角接触轴承37、球铰密封盖38、球铰下铰座39，其具体装配方式为：将检测分支伸缩杆26上端插入球铰下铰座39轴承孔中，依次将球铰密封盖38和球铰角接触轴承37从上侧装入并与检测分支伸缩杆26过盈配合，使用球铰传感器安装板35和球铰预紧螺钉33对上述零件进行固定和预紧，最后将编码器C25固定于球铰传感器安装板35上；将球铰十字轴36插入球铰下铰座39轴承孔中，依次将球铰密封盖38、球铰角接触轴承37从外侧装入球铰下铰座39轴承孔中并使轴承内圈与球铰十字轴36过盈配合，使用球铰端盖34、球铰传感器安装板35和球铰预紧螺钉33进行固定和预紧，最后将编码器B24固定于球铰传感器安装板35上；将球铰十字轴36插入球铰上铰座32轴承孔中，依次将球铰密封盖38、球铰角接触轴承37从外侧装入球铰上铰座32轴承孔中并使轴承内圈与球铰十字轴36过盈配合，使用球铰端盖34、球铰传感器安装板35和球铰预紧螺钉33进行固定和预紧，最后将编码器A24固定于球铰传感器安装板35上；所述检测分支万向铰31包括编码器D29、编码器E30、万向铰上铰座40、万向铰预紧螺钉41、万向铰端盖42、万向铰传感器安装板43、万向铰角接触轴承44、万向铰密封盖45、万向铰十字轴46、万向铰下铰座47，其具体装配方式为：将万向铰十字轴46插入万向铰上铰座40轴承孔中，依次将万向铰密封盖45、万向铰角接触轴承44从外侧装入万向铰上铰座40轴承孔中并使轴承内圈与万向铰十字轴46过盈配合，使用万向铰端盖42、万向铰传感器安装板43和万向铰预紧螺钉41进行固定和预紧，最后将编码器D29固定于万向铰传感器安装板43上；将万向铰十字轴46插入万向铰下铰座47轴承孔中，依次将万向铰密封盖45、万向铰角接触轴承44从外侧装入万向铰下铰座47轴承孔中并使轴承内圈与万向铰十字轴46过盈配合，使用万向铰端盖42、万向铰传感器安装板43和万向铰预紧螺钉41进行固定和预紧，最后将编码器E29固定于万向铰传感器安装板43上；所述动平台1采用航空铝合金材料制成，其外接圆直径为3.0m；所述定平台7为六边形，其外接圆直径为动平台1外接圆直径的2倍，其短边与长边长度比例为0.5；所述基座12为圆台形状，其圆台上圆面与下圆面直径比例为0.8；所述定平台7和基座12均采用碳钢材料制成。

实施例3

用于实施例1或2所述仿真平台的实施方法，其流程如图8所示，具体步骤如下：a)获取车辆运动数据，并利用线性插值法建立动平台1六维位姿与运行时间的变化曲线；进行系统参数设置，选取直线运动执行器3移动范围为-20～20mm、伺服周期为4ms、运动曲线间隔为250帧/秒；伺服电机6移动范围为-700～700mm、伺服周期为10ms、运动曲线间隔为100帧/秒；运行时间与车辆运动数据对应的时间一致；b)将频率为5Hz以上的运动向输出平台分解；将频率为5Hz以下的运动向调姿平台分解；c)利用并联机构运动学模型将输出平台及调姿平台运动映射为其直线运动执行器3及伺服电机6的位移变化数据；d)对所述两种位移变化数据进行分析，并通过控制器生成输出信号；e)通过所述输出信号控制所述两种驱动器运动。在上述步骤c)中，将动平台1运动曲线转换为直线运动执行器3及伺服电机6的位移变化数据的算法为：已知动平台1位姿参数为S(t)＝[α β γ x y z]T，其中α、β、γ、x、y、z表征动平台位姿的六个相互独立的广义坐标。依据曲线频率将上述运动分解到输出平台及调姿平台上，其值分别为：S1(t)＝[α1 β1 γ1x1 y1 z1]T、S2(t)＝[α2 β2 γ2 x2 y2 z2]T。根据检测分支结构形式，本实施例中需采用ZYX欧拉角描述刚体姿态，上述两种运动对应的位姿变换矩阵为：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_1\left(t\right)=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{c\γ}}_1{\mathrm{c\β}}_1& {\mathrm{c\γ}}_1{\mathrm{s\β}}_1{\mathrm{s\α}}_1-{\mathrm{s\γ}}_1{\mathrm{c\α}}_1& {\mathrm{c\γ}}_1{\mathrm{s\β}}_1{\mathrm{c\α}}_1& x_1\\ {\mathrm{s\γ}}_1{\mathrm{c\β}}_1& {\mathrm{s\γ}}_{1}s{\mathrm{\β}}_1{\mathrm{s\α}}_1{\mathrm{c\γ}}_1{\mathrm{c\α}}_1& {\mathrm{s\γ}}_1{\mathrm{s\β}}_1{\mathrm{c\α}}_1-{\mathrm{c\γ}}_1{\mathrm{s\α}}_1& y_1\\ -s{\mathrm{\β}}_1& {\mathrm{c\β}}_1{\mathrm{s\α}}_1& {\mathrm{c\β}}_1{\mathrm{c\α}}_1& z_1\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\\ T_2\left(t\right)=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{c\γ}}_2{\mathrm{c\β}}_2& {\mathrm{c\γ}}_2{\mathrm{s\β}}_2{\mathrm{s\α}}_2-{\mathrm{s\γ}}_2{\mathrm{c\α}}_2& {\mathrm{c\γ}}_2{\mathrm{s\β}}_2{\mathrm{c\α}}_2+{\mathrm{s\γ}}_2{\mathrm{s\α}}_2& x_2\\ {\mathrm{s\γ}}_2{\mathrm{c\β}}_2& {\mathrm{s\γ}}_2{\mathrm{s\β}}_2{\mathrm{s\α}}_2+{\mathrm{c\γ}}_2{\mathrm{c\α}}_2& {\mathrm{s\γ}}_2{\mathrm{s\β}}_2{\mathrm{c\α}}_2-{\mathrm{c\γ}}_2{\mathrm{s\α}}_2& y_2\\ -{\mathrm{s\β}}_2& {\mathrm{c\β}}_2{\mathrm{s\α}}_2& {\mathrm{c\β}}_2{\mathrm{c\α}}_2& z_2\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，sα1＝sinα1；cα1＝cosα1；sβ1、cβ1、sγ1、cγ1、sα2、cα2、sβ2、cβ2、sγ2、cγ2、依次类推。根据动、定平台铰链点分布及仿真平台外形尺寸，系统已知的结构参数主要有：输出平台球铰点在动平台坐标系的描述a10～a60、调姿平台滑块5的初始位置坐标p10～p60、直线运动执行器3的初始长度l1～l6。同时假设直线运动执行器3及伺服电机6的移动量分别为m1～m6、n1～n6，则动平台运动后，滑块5相对于惯性坐标系的坐标为：

$\left\{\begin{array}{ccc}{P}_1=P_1^0+n_1[-\sin (\mathrm{\π}/3-\mathrm{\δ}/2)& -\cos (\mathrm{\π}/3-\mathrm{\δ}/2)& {0]}^T\\ P_2=P_2^0+n_2[\sin (\mathrm{\π}/3-\mathrm{\δ}/2)& -\cos (\mathrm{\π}/3-\mathrm{\δ}/2)& {0]}^T\\ P_3=P_3^0+n_3\left[\cos \right(\mathrm{\π}/6-\mathrm{\δ}/2)& \sin (\mathrm{\π}/6-\mathrm{\δ}/2)& {0]}^T\\ P_4=P_4^0+n_4[\cos (\mathrm{\π}/2-\mathrm{\δ}/2)& \sin (\mathrm{\π}/2-\mathrm{\δ}/2)& {0]}^T\\ P_5=P_5^0+n_5[-\cos (\mathrm{\π}/2-\mathrm{\δ}/2)& \sin (\mathrm{\π}/2-\mathrm{\δ}/2)& {0]}^T\\ P_6=P_6^0+n_6[-\cos (\mathrm{\π}/6-\mathrm{\δ}/2)& \sin (\mathrm{\π}/6-\mathrm{\δ}/2)& {0]}^T\end{array}\right.---\left(2\right)$

由输出平台及调姿运动引起的球铰2中心点在惯性坐标系中的坐标为：

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{a}_1^1=T_1\left(t\right){\stackrel{\‾}{a}}_1^o\\ .\\ .\\ .\\ a_6^1=T_1\left(t\right){\stackrel{\‾}{a}}_6^o\end{array}\right.,& \left\{\begin{array}{c}{a}_1^2=T_2\left(t\right){\stackrel{\‾}{a}}_1^o\\ .\\ .\\ .\\ a_6^2=T_2\left(t\right){\stackrel{\‾}{a}}_6^o\end{array}\right.\end{array}$ (3)式中， ${\stackrel{\‾}{a}}_i^o=\left.\begin{array}{c}a_i^o{}_{-}\\ 1_{\_}\end{array}\right]$

根据向量计算方法依次可建立如下映射关系：

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{l}_1=\left|\right|a_1^1-P_1\left|\right|\\ .\\ .\\ .\\ l_6=\left|\right|a_6^1-P_6\left|\right|\end{array}\right.& ,\left\{\begin{array}{c}{m}_1=\left|\right|a_1^2-P_1\left|\right|\\ .\\ .\\ .\\ m_6=\left|\right|a_6^2-P_6\left|\right|\end{array}\right.---\left(4\right)\end{array}$

式(4)是一个含有12个未知数的方程组，将式(1)-(3)带入上式，解方程组便可得到直线运动执行器3及伺服电机6的位移变化数据m1～m6、n1～n6。

如图9所示，为使动平台1产生与车辆运动相一致的位姿，本发明实施方法中对于两种驱动器各自伺服周期内的数据，都重复下列操作：f)检测直线运动执行器3及电机6的当前实际位移，作为系统半闭环控制反馈信号；g)在直线运动执行器3每一个伺服周期内读取检测分支各传感器数值，并计算动平台1实时位姿参数，作为系统大闭环控制的反馈信号，其中动平台实时位姿(ZYX欧拉角)参数为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\α}={\mathrm{\θ}}_2\\ \mathrm{\β}={\mathrm{\θ}}_1\\ \mathrm{\γ}={\mathrm{\θ}}_3\\ x=d\sin {\mathrm{\θ}}_5\cos {\mathrm{\θ}}_6\\ y=d\sin {\mathrm{\θ}}_6\\ z=d\cos {\mathrm{\θ}}_5\cos {\mathrm{\θ}}_6\end{array}\right.$

式中：θ1、θ2、θ3、θ4、d、θ5、θ6分别为检测分支各传感器测量值；h)将所述当前实际位移与目标位移进行比较，计算运动补偿量；i)将补偿量与下一段运行位移叠加，求出本伺服周期各驱动器位移；j)通过控制器生产输出信号。

与现有技术相比，本发明所述的交通工具高低频运动的仿真平台及其实施方法采用了输出平台和调姿平台相结合的设计方案，实现了运动谱中高低频部分向上述两个平台驱动器的分解，有效解决了车辆在真实路面中的摇摆及振动模拟，革命性的实现了车载设备在真实复杂环境中的运动特性测试；采用静载平衡装置的方案，通过引入配重大幅降低了电机输出力矩，从而增加了负载/驱动器功率的比值；同时，通过六自由度检测分支创新设计方案，实现了仿真平台位姿参数的实时检测，可为系统大闭环控制提供反馈信号，提高了平台模拟实际路况的工作精度和可视化监测。该仿真平台有效避免了现有产品中模拟测试值与载体设备实际运动特性严重不符的问题，解决了车载设备应用中存在的安全性、工作精度与工程实际差别较大的问题。

Claims (10)

1.一种模拟交通工具高低频运动的仿真平台，其特征在于，所述并联式双驱动仿真平台包括输出平台、调姿平台和检测分支；所述输出平台包括动平台(1)、球铰(2)、直线运动执行器(3)和万向铰(4)；所述调姿平台包括导轨座(10)、定平台(7)、滑块(5)、伺服电机(6)、直线导轨(9)、滚珠丝杠(8)、基座(12)和静载平衡装置(11)，该静载平衡装置(11)包括钢丝绳(14)、定滑轮A(15)、压板(16)、双立柱(17)、定滑轮B(18)、吊环(19)、配重(20)、立柱座(21)；所述动平台(1)的形状为六边形或矩形，其边沿均匀分布有安装孔；所述球铰(2)共六个，相邻两个设为一组，该球铰(2)的上铰座通过螺钉与动平台(1)的安装孔进行连接；所述直线运动执行器(3)的一端与球铰(2)连接，另一端与万向铰(4)连接；所述球铰(2)由轴线互相垂直且相交于一点的三个转动副构成；所述万向铰(4)固定连接于滑块(5)上表面，其由轴线互相垂直且相交于一点的两个转动副构成；所述导轨座(10)共六个，相邻两个设为一组，均匀固定于定平台(7)上，每组导轨座(10)中心线互相平行且垂直于定平台(7)对应侧面，相邻两组导轨座(10)中心线夹角为120°；所述导轨座(10)的外侧设有伺服电机(6)，上侧设有两条互相平行的直线导轨(9)；所述滚珠丝杠(8)安装于导轨座(10)的两条直线导轨(9)之间，其一端与伺服电机(6)的输出轴连接，另一端与导轨座(10)顶端轴承座连接；所述滑块(5)的两侧卡在直线导轨(9)上，其中间通过螺纹安装于滚珠丝杠(8)上，其前端与钢丝绳(14)的一端连接，该钢丝绳(14)的另一端绕过设在导轨座(10)及压板(16)上的定滑轮A(15)、定滑轮B(18)与设在配重(20)上的吊环(19)连接；所述配重(20)两侧设有双立柱(17)，以保证配重(20)沿竖直方向移动，该双立柱(17)两端分别固定在压板(16)及立柱座(21)上；所述压板(16)及立柱座(21)分别通过螺栓安装孔与导轨座(10)及基座(12)连接；所述配重(20)共六个，其总质量为输出平台及载体设备重量总和的90％-150％；所述基座(12)上设有安装孔，其使用螺栓与上方的定平台(7)进行连接；所述检测分支采(13)用UPS运动链结构，其顶端的检测分支球铰(22)安装于动平台(1)下表面中心，其底端的检测分支万向铰(31)安装于基座(12)上表面中心，其移动副由检测分支伸缩杆(26)及支撑筒(27)的相对运动实现；所述检测分支球铰(22)由三个单自由度转动副实现，轴线汇交点与动平台(1)上六个球铰(2)的中心点共面；所述检测分支万向铰(31)由两个单自由度转动副实现，轴线汇交点位于定平台(7)和基座(12)之间；所述检测分支的单自由度运动副处均分别安装传感器，其中，检测分支球铰(22)及检测分支万向铰(31)处安装编码器，移动副处安装光栅尺(28)；所述检测分支球铰(22)及移动副处传感器的精度与动平台(1)转动及垂直移动所要求的检测精度等级一致；所述检测分支万向铰(31)处传感器的精度要比动平台(1)水平移动所要求的检测精度高2～3个等级；所述检测分支球铰(22)包括编码器A(23)、编码器B(24)、编码器C(25)、球铰上铰座(32)、球铰预紧螺钉(33)、球铰端盖(34)、球铰传感器安装板(35)、球铰十字轴(36)、球铰角接触轴承(37)、球铰密封盖(38)、球铰下铰座(39)，其具体装配方式为：将检测分支伸缩杆(26)上端插入球铰下铰座(39)轴承孔中，依次将球铰密封盖(38)和球铰角接触轴承(37)从上侧装入并与检测分支伸缩杆(26)过盈配合，使用球铰传感器安装板(35)和球铰预紧螺钉(33)对上述零件进行固定和预紧，最后将编码器C(25)固定于球铰传感器安装板(35)上；将球铰十字轴(36)插入球铰下铰座(39)轴承孔中，依次将球铰密封盖(38)、球铰角接触轴承(37)从外侧装入球铰下铰座(39)轴承孔中并使轴承内圈与球铰十字轴(36)过盈配合，使用球铰端盖(34)、球铰传感器安装板(35)和球铰预紧螺钉(33)进行固定和预紧，最后将编码器B(24)固定于球铰传感器安装板(35)上；将球铰十字轴(36)插入球铰上铰座(32)轴承孔中，依次将球铰密封盖(38)、球铰角接触轴承(37)从外侧装入球铰上铰座(32)轴承孔中并使轴承内圈与球铰十字轴(36)过盈配合，使用球铰端盖(34)、球铰传感器安装板(35)和球铰预紧螺钉(33)进行固定和预紧，最后将编码器A(24)固定于球铰传感器安装板(35)上；所述检测分支万向铰(31)包括编码器D(29)、编码器E(30)、万向铰上铰座(40)、万向铰预紧螺钉(41)、万向铰端盖(42)、万向铰传感器安装板(43)、万向铰角接触轴承(44)、万向铰密封盖(45)、万向铰十字轴(46)、万向铰下铰座(47)，其具体装配方式为：将万向铰十字轴(46)插入万向铰上铰座(40)轴承孔中，依次将万向铰密封盖(45)、万向铰角接触轴承(44)从外侧装入万向铰上铰座(40)轴承孔中并使轴承内圈与万向铰十字轴(46)过盈配合，使用万向铰端盖(42)、万向铰传感器安装板(43)和万向铰预紧螺钉(41)进行固定和预紧，最后将编码器D(29)固定于万向铰传感器安装板(43)上；将万向铰十字轴(46)插入万向铰下铰座(47)轴承孔中，依次将万向铰密封盖(45)、万向铰角接触轴承(44)从外侧装入万向铰下铰座(47)轴承孔中并使轴承内圈与万向铰十字轴(46)过盈配合，使用万向铰端盖(42)、万向铰传感器安装板(43)和万向铰预紧螺钉(41)进行固定和预紧，最后将编码器E(29)固定于万向铰传感器安装板(43)上。

2.根据权利要求1所述的一种模拟交通工具高低频运动的仿真平台，其特征在于，所述动平台(1)采用航空铝合金材料制成，其外接圆直径为1.5～3.0m。

3.根据权利要求1所述的一种模拟交通工具高低频运动的仿真平台，其特征在于，所述定平台(7)为六边形，其外接圆直径为动平台(1)外接圆直径的2倍，其短边与长边长度比例为0.5。

4.根据权利要求1所述的一种模拟交通工具高低频运动的仿真平台，其特征在于，所述基座(12)为圆台形状，其圆台上圆面与下圆面直径比例为0.4～0.8。

5.根据权利要求1所述的一种模拟交通工具高低频运动的仿真平台，其特征在于，所述定平台(7)和基座(12)均采用碳钢材料制成。

6.根据权利要求1所述的一种模拟交通工具高低频运动的仿真平台的实施方法，其特征在于，所述实施方法包括以下步骤：a)获取车辆运动数据，并利用线性插值法建立六维位姿与运行时间的变化曲线，进行系统参数设置；b)将所述运动曲线按频率高低向输出平台及调姿平台分解；c)利用机构运动学模型将输出平台及调姿平台运动映射为其直线运动执行器(3)及伺服电机(6)的位移变化数据；d)对所述两种位移变化数据进行分析，并通过控制器生成输出信号；e)通过所述输出信号控制所述两种驱动器运动。

7.根据权利要求6所述的一种模拟交通工具高低频运动的仿真平台的实施方法，其特征在于，所述系统参数设置包括伺服周期设置、运行时间设置、曲线间隔设置、运动范围设置，其中直线运动执行器(3)移动范围为-20～20mm、伺服周期为4ms、运动曲线间隔为250帧/秒；伺服电机(6)移动范围为-700～700mm、伺服周期为10ms、运动曲线间隔为100帧/秒；运行时间与车辆运动数据对应的时间一致。

8.根据权利要求6所述的一种模拟交通工具高低频运动的仿真平台的实施方法，其特征在于，所述步骤b)中，将频率为5Hz以上的运动向输出平台分解；将频率为5Hz以下的运动向调姿平台分解。

9.根据权利要求6所述的一种模拟交通工具高低频运动的仿真平台的实施方法，其特征在于，所述步骤c)中，还包括实时获取直线运动执行器(3)和伺服电机(6)实际位移以及检测分支各传感器参数，用于对所述驱动器的运动作修正。

10.根据权利要求9所述的一种模拟交通工具高低频运动的仿真平台的实施方法，其特征在于，所述修正具体为对各驱动器每一个伺服周期内的数据，都重复下列操作：f)检测直线运动执行器(3)及伺服电机(6)的当前实际位移；g)在直线运动执行器(3)每一个伺服周期内读取检测分支各编码器数值，并计算动平台(1)实时位姿参数；h)将所述当前实际位移与目标位移进行比较，计算运动补偿量；i)将补偿量与下一段运行位移叠加，求出本伺服周期各驱动器位移；j)通过控制器生成输出信号。