CN111816023A - 一种新型四轴载人离心机的运动学方法 - Google Patents

一种新型四轴载人离心机的运动学方法 Download PDF

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Abstract

开了一种新型四轴载人离心机的运动学方法，四轴载人离心机由外而内旋转顺序依次是主轴偏航运动、座舱滚转运动、座舱俯仰运动、座舱偏航运动；根据离心机各转轴的运动获取座舱中人体相对于座舱的运动，通过新型四轴载人离心机的运动学D‑H参数；根据飞行中飞行员承受的3个线加速度Gxa、Gya、Gza和3个角加速度arotxc、arotyc、arotzc随时间变化曲线，反求4个转轴的旋转角度q1、q2、q3、q4随时间变化曲线，使座舱中飞行员随体坐标系上的加速度与实际飞行一致。通过本发明，可以实现降低四轴载人离心机的控制难度，提高了其在飞行训练方面的应用前景。

Description

一种新型四轴载人离心机的运动学方法
技术领域
本发明涉及飞行训练领域，具体是一种新型四轴载人离心机的运动学方法。
背景技术
四轴载人离心机是训练飞行员定向认知能力并且克服定向障碍的重要设备，基于离心运动平台的模拟器通过转臂的转动产生持续的过载，可在地面以较低的代价和更安全的方式对飞行员进行训练，提高飞行员在过载环境下的空间定向障碍防御。
典型的四轴载人离心机可实现主轴、偏航、滚转与俯仰四轴360°连续转动，可用于多种空间定向障碍飞行动作等训练。在结构设计上，其由外而内旋转顺序依次是主轴偏航运动、座舱偏航运动(Z)、座舱滚转运动(X)、座舱俯仰运动(Y),即ZXY旋转配置模式。
针对典型四轴载人离心机的运动学逆问题，已分别实现“3个线加速度与实际飞行一致”(Vladimir M.K.，2014)、“3个角运动与实际飞行一致”(茅坪，2019)的2种逆问题求解方法。三轴载人离心机可以在物理量上实现3个线加速度与实际飞行一致(Vladimir M.K.，2014)。典型四轴载人离心机在运动学上仅能实现3个物理量与实际飞行一致。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型四轴载人离心机的运动学方法，四轴载人离心机由外而内旋转顺序依次是主轴偏航运动、座舱滚转运动、座舱俯仰运动、座舱偏航运动，包括如下步骤：
步骤一：四轴载人离心机的主轴用于大臂转动从而产生离心加速度，大臂绕主轴的转动角度为q1，角速度为
Figure BDA0002604440210000019
角加速度为
Figure BDA0002604440210000012
滚转、俯仰、偏航3个旋转轴用于座舱的姿态调整，滚转轴与大臂末端相连，滚转轴的转动角度为q2，角速度为
Figure BDA0002604440210000013
角加速度为
Figure BDA0002604440210000014
俯仰轴在滚转框的内部，俯仰轴的转动角度为q3，角速度为
Figure BDA0002604440210000015
角加速度为
Figure BDA0002604440210000016
偏航轴在俯仰轴的内部，与座舱相连，偏航轴的转动角度为q4，角速度为
Figure BDA0002604440210000017
角加速度为
Figure BDA0002604440210000018
飞行员位于座舱内，飞行员头部位于3个姿态转动轴的中心，即飞行员的加速度与座舱的加速度一致；
步骤二：根据离心机各转轴的运动获取座舱中人体相对于座舱的运动，通过新型四轴载人离心机的运动学D-H参数；座舱相对于全局坐标系的旋转矩阵、线加速度、角加速度；得到座舱中人体相对于座舱的运动。
步骤三：根据飞行中飞行员承受的3个线加速度Gxa、Gya、Gza和3个角加速度arotxc、arotyc、arotzc随时间变化曲线，反求4个转轴的旋转角度q1、q2、q3、q4随时间变化曲线，使座舱中飞行员随体坐标系上的加速度与实际飞行一致。
进一步的，获得座舱相对于全局坐标系的旋转矩阵，末端执行器相对于全局的旋转矩阵为：
Figure BDA0002604440210000021
获得座舱的线加速度为：
Figure BDA0002604440210000022
式中：
Gxc、Gyc、Gzc分别为沿X、Y、Z向的线加速度；r为主旋臂距旋转轴心的距离；g为重力加速度；
进一步的，获得座舱的角加速度，座舱的角加速度为：
Figure BDA0002604440210000023
在座舱坐标下的角加速度公式为：
Figure BDA0002604440210000024
式中：
4arotxc、4arotyc、4arotzc分别为在座舱坐标系下绕X、Y、Z轴的角加速度；
其中偏航角加速度公式为：
Figure BDA0002604440210000025
进一步的，所述的根据飞行中飞行员承受的3个线加速度Gxa、Gya、Gza和3个角加速度arotxc、arotyc、arotzc随时间变化曲线，反求4个转轴的旋转角度q1、q2、q3、q4随时间变化曲线，使座舱中飞行员随体坐标系上的加速度与实际飞行一致，包括如下过程：
获得主轴角运动，已知座舱随体坐标系上的线加速度Gx、Gy、Gz，可计算得到座舱线加速度矢量的大小为：
Figure BDA0002604440210000031
在大臂末端产生的加速度矢量大小为：
Figure BDA0002604440210000032
获得姿态平台偏航运动，大臂末端的线加速度矢量：
Figure BDA0002604440210000033
偏航轴的角加速度：
Figure BDA0002604440210000034
将
Figure BDA0002604440210000035
两次积分得到q4；
偏航轴q4求出后，对飞行数据进行坐标转换：
Figure BDA0002604440210000036
获得姿态平台滚运动，通过下式得到滚转轴的转动角度：
Figure BDA0002604440210000037
式中：
Grv为线加速度矢量之和：
Figure BDA0002604440210000038
获得姿态平台俯仰运动；通过下式得到俯仰轴转动角度：
Figure BDA0002604440210000039
式中：3Gxza为线加速度矢量之和：
Figure BDA00026044402100000310
本发明的有益效果是：本发明充分利用了四轴载人离心机多了偏航轴的优势，可以在运动学逆问题求解上实现4个物理量与实际飞行一致，从而降低了四轴载人离心机的控制难度，提高了其在飞行训练方面的应用前景。
附图说明
图1为一种新型四轴载人离心机的运动学方法的流程图；
图2为空间定向障碍模拟器Gz数据修正示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，本发明，所提供的一种新型四轴载人离心机的运动学方法包括，步骤一，新型四轴载人离心机的主轴用于大臂转动从而产生离心加速度，定义大臂绕主轴的转动角度为q1，角速度为
Figure BDA0002604440210000041
角加速度为
Figure BDA0002604440210000042
滚转、俯仰、偏航3个旋转轴用于座舱的姿态调整，滚转轴与大臂末端相连，定义滚转轴的转动角度为q2，角速度为
Figure BDA0002604440210000043
角加速度为
Figure BDA0002604440210000044
俯仰轴在滚转框的内部，定义俯仰轴轴的转动角度为q3，角速度为
Figure BDA0002604440210000045
角加速度为
Figure BDA00026044402100000410
偏航轴在俯仰轴的内部，与座舱相连，定义偏航轴的转动角度为q4，角速度为
Figure BDA0002604440210000047
角加速度为
Figure BDA00026044402100000411
飞行员位于座舱内，飞行员头部位于3个姿态转动轴的中心，即飞行员的加速度与座舱的加速度一致。
步骤二：运动学正问题计算。即根据离心机各转轴的运动获取座舱中人体相对于座舱的运动。
(2.1)获取新型四轴载人离心机的运动学D-H法参数。新型四轴载人离心机的运动学D-H法参数如表1所示。
表1四轴载人离心机的D-H参数表
Figure BDA0002604440210000049
Figure BDA0002604440210000051
(2.2)获得座舱相对于全局坐标系的旋转矩阵。末端执行器(座舱)相对于全局的旋转矩阵为：
Figure BDA0002604440210000052
(2.3)获得座舱的线加速度。可计算得到座舱的线加速度(座舱坐标系)为：
Figure BDA0002604440210000053
式中：
Gxc、Gyc、Gzc—沿X、Y、Z向的线加速度；
r—主旋臂距旋转轴心的距离；
g—重力加速度。
(2.4)获得座舱的角加速度。座舱的角加速度(全局坐标系)为：
Figure BDA0002604440210000054
在座舱坐标下的角加速度公式为：
Figure BDA0002604440210000055
式中：
4arotxc、4arotyc、4arotzc—分别为在座舱坐标系下绕X、Y、Z轴的角加速度；
其中偏航角加速度公式为：
Figure BDA0002604440210000061
步骤三：运动学逆问题计算。四轴载人离心机的运动学逆问题求解，即已知实际飞行中飞行员承受的3个线加速度Gxa、Gya、Gza和3个角加速度arotxc、arotyc、arotzc随时间变化曲线，希望座舱中飞行员随体坐标系上的加速度与实际飞行一致，反求4个转轴的旋转角度q1、q2、q3、q4随时间变化曲线。座舱中飞行员要满足的加速度包括3个线加速度和3个角加速度共6个自由度，而可控制的转轴自由度只有q1、q2、q3、q4共4个自由度，因此无法同时满足离心机座舱中飞行员6个自由度的加速度与实际飞行一致，通常根据飞行模拟需要，使得部分自由度加速度与实际飞行一致。
新型四轴载人离心机可以实现4个物理量与实际飞行一致，即要求3个线加速度、以及偏航角加速度与实际飞行一致。比原来的四轴载人机多实现了偏航角加速度与实际飞行一致。
四轴载人离心机4个转轴，只有主轴的角运动
Figure BDA0002604440210000062
才影响线加速度矢量的大小，因此可根据实际飞行线加速度矢量的大小，首先确定主轴的角运动。
(3.1)初步获得主轴角运动。已知座舱随体坐标系上的线加速度Gx、Gy、Gz，可计算得到座舱线加速度矢量的大小为：
Figure BDA0002604440210000063
在实际飞行中存在失重(|Ga|值小于1g，1g即1个重力加速度)现象，而在地面上由于重力的作用，空间定向障碍模拟器产生的G值必定大于1g，因此需要对|Ga|值进行处理，通常采用如图2所示的1.4g基础G水平的方式修正Gz数据。
由于主轴转动，在大臂末端产生的加速度矢量大小为：
Figure BDA0002604440210000064
让主悬臂转动，末端加速度矢量大小与座舱线加速度矢量大小一致，通过常微分方程求解，可获得主轴的转动角速度
Figure BDA0002604440210000065
和转动角加速度
Figure BDA0002604440210000066
(3.2)获得姿态平台偏航运动。主轴的角运动求解完成后，即可得到大臂末端的线加速度矢量：
Figure BDA0002604440210000067
主轴的角运动求解完成之后，首先在偏航角加速度物理量上实现与实际飞行一致，再调整滚转轴和俯仰轴实现3个线加速度物理量的一致性。
根据公式(5)，可以得到偏航轴的角加速度：
Figure BDA0002604440210000071
将
Figure BDA0002604440210000072
两次积分得到q4。
偏航轴q4求出后，不能直接求解滚转轴q2和俯仰轴q3的角度，需要对飞行数据进行坐标转换：
Figure BDA0002604440210000073
(3.3)获得姿态平台滚运动。通过下式可计算得到滚转轴的转动角度：
Figure BDA0002604440210000074
式中：
Grv—线加速度矢量之和：
Figure BDA0002604440210000075
(3.4)获得姿态平台俯仰运动。通过下式可计算得到俯仰轴转动角度：
Figure BDA0002604440210000076
式中：
3Gxza—线加速度矢量之和：
Figure BDA0002604440210000077
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种新型四轴载人离心机的运动学方法，四轴载人离心机由外而内旋转顺序依次是主轴偏航运动、座舱滚转运动、座舱俯仰运动、座舱偏航运动，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：四轴载人离心机的主轴用于大臂转动从而产生离心加速度，大臂绕主轴的转动角度为q1，角速度为
Figure FDA00026044402000000111
角加速度为
Figure FDA0002604440200000012
滚转、俯仰、偏航3个旋转轴用于座舱的姿态调整，滚转轴与大臂末端相连，滚转轴的转动角度为q2，角速度为
Figure FDA0002604440200000013
角加速度为
Figure FDA0002604440200000014
俯仰轴在滚转框的内部，俯仰轴的转动角度为q3，角速度为
Figure FDA0002604440200000015
角加速度为
Figure FDA0002604440200000016
偏航轴在俯仰轴的内部，与座舱相连，偏航轴的转动角度为q4，角速度为
Figure FDA0002604440200000017
角加速度为
Figure FDA00026044402000000112
飞行员位于座舱内，飞行员头部位于3个姿态转动轴的中心，即飞行员的加速度与座舱的加速度一致；
步骤二：根据离心机各转轴的运动获取座舱中人体相对于座舱的运动，通过新型四轴载人离心机的运动学D-H参数；座舱相对于全局坐标系的旋转矩阵、线加速度、角加速度；得到座舱中人体相对于座舱的运动。
步骤三：根据飞行中飞行员承受的3个线加速度Gxa、Gya、Gza和3个角加速度arotxc、arotyc、arotzc随时间变化曲线，反求4个转轴的旋转角度q1、q2、q3、q4随时间变化曲线，使座舱中飞行员随体坐标系上的加速度与实际飞行一致。
2.根据权利要求1所述的一种新型四轴载人离心机的运动学方法，其特征在于，获得座舱相对于全局坐标系的旋转矩阵，末端执行器相对于全局的旋转矩阵为：
Figure FDA0002604440200000019
获得座舱的线加速度为：
Figure FDA00026044402000000110
式中：
Gxc、Gyc、Gzc分别为沿X、Y、Z向的线加速度；r为主旋臂距旋转轴心的距离；g为重力加速度。
3.根据权利要求1所述的一种新型四轴载人离心机的运动学方法，其特征在于，获得座舱的角加速度，座舱的角加速度为：
Figure FDA0002604440200000021
在座舱坐标下的角加速度公式为：
Figure FDA0002604440200000022
式中：
4arotxc、4arotyc、4arotzc分别为在座舱坐标系下绕X、Y、Z轴的角加速度；
其中偏航角加速度公式为：
Figure FDA0002604440200000023
4.根据权利要求1所述的一种新型四轴载人离心机的运动学方法，其特征在于，所述的根据飞行中飞行员承受的3个线加速度Gxa、Gya、Gza和3个角加速度arotxc、arotyc、arotzc随时间变化曲线，反求4个转轴的旋转角度q1、q2、q3、q4随时间变化曲线，使座舱中飞行员随体坐标系上的加速度与实际飞行一致，包括如下过程：
获得主轴角运动，已知座舱随体坐标系上的线加速度Gx、Gy、Gz，可计算得到座舱线加速度矢量的大小为：
Figure FDA0002604440200000024
在大臂末端产生的加速度矢量大小为：
Figure FDA0002604440200000025
获得姿态平台偏航运动，大臂末端的线加速度矢量：
Figure FDA0002604440200000026
偏航轴的角加速度：
Figure FDA0002604440200000031
将
Figure FDA0002604440200000032
两次积分得到q4；
偏航轴q4求出后，对飞行数据进行坐标转换：
Figure FDA0002604440200000033
获得姿态平台滚运动，通过下式得到滚转轴的转动角度：
Figure FDA0002604440200000034
式中：
Grv为线加速度矢量之和：
Figure FDA0002604440200000035
获得姿态平台俯仰运动；通过下式得到俯仰轴转动角度：
Figure FDA0002604440200000036
式中：3Gxza为线加速度矢量之和：
Figure FDA0002604440200000037
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