CN113674582A - 一种六自由度运动平台加速度模拟方法 - Google Patents

一种六自由度运动平台加速度模拟方法 Download PDF

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CN113674582A CN202110905172.3A CN202110905172A CN113674582A CN 113674582 A CN113674582 A CN 113674582A CN 202110905172 A CN202110905172 A CN 202110905172A CN 113674582 A CN113674582 A CN 113674582A
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范彦铭
马青原
王世鹏
王业光
钱鹏
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Abstract

本申请提供了一种六自由度运动平台加速度模拟方法，包括：步骤1，对飞机的三向过载信号和角加速度运动信号均乘以缩比系数进行缩比；步骤2，将六自由度运动平台坐标系与地面参考坐标系进行转换；步骤3，在三向过载通道中采用第一高频滤波器滤除缩比后过载的低频分量得到运动平台的位移信号；在角速度通道中采用第二高频滤波器得到运动平台的滚转角信号和俯仰角信号和偏航角信号；步骤4，采用第三高频滤波器分离三向过载信号值的前向过载低频分量和侧向过载低频分量得到与低频过载分量相对应的运动平台俯仰角分量信号和滚转角分量信号，利用座舱倾斜模拟侧向与法向过载，与步骤3得到的角信号叠加得到运动平台的总滚转角信号和总俯仰角信号。

Description

一种六自由度运动平台加速度模拟方法
技术领域
本申请属于模拟器技术领域，特别涉及一种六自由度运动平台加速度模拟方法。
背景技术
加速度是物体运动的关键信息，是人体感知运动必不可少的因素。就飞机而言，需要使用加速度信号作为反馈信号和感知信号，来解决飞机的许多控制性问题和模拟飞行，不能正确模拟加速度的运动平台会导致飞行员对加速度的感知出现偏差，导致其在飞机驾驶中出现不正确的操纵，从而造成地面模拟结果的偏差。
随着飞机机动性能要求越来越高，通常能够飞到8～9G的加速度，而现有技术中的运动试验平台受移动范围的受限，无法提供上述那么大的过载，想要精准地复制飞机实际飞行过程中的载荷和角加速度都是不可能做到的(极特殊情况除外)。
因此，需要一种适用于飞机座舱六自由度运动平台的加速度模拟方法，使其能够在给定的座舱移动范围内保证所模拟条件与实际的飞行条件最大化的近似，最小程度的影响驾驶员的操纵。
发明内容
本申请的目的是提供了一种六自由度运动平台加速度模拟方法，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。
首先，本申请提供了一种六自由度运动平台加速度模拟方法，包括：
步骤1，对飞机的三向过载信号和角加速度运动信号均乘以缩比系数进行缩比；
步骤2，将六自由度运动平台坐标系与地面参考坐标系进行转换；
步骤3，在三向过载通道中采用第一高频滤波器滤除缩比后过载的低频分量，得到运动平台的位移信号；在角速度通道中采用第二高频滤波器得到运动平台的滚转角信号和俯仰角信号和偏航角信号；
步骤4，采用第三高频滤波器分离三向过载信号值的前向过载低频分量和侧向过载低频分量，得到与所述低频过载分量相对应的运动平台俯仰角分量信号和滚转角分量信号，利用座舱的倾斜来模拟侧向与法向过载，与步骤3得到的角信号叠加得到运动平台的总滚转角信号和总俯仰角信号。
进一步的，三向过载信号包括前向过载信号nx、法向过载信号nz和侧向过载信号ny。
进一步的，所述角加速度运动信号包括滚转角加速度信号
Figure BDA0003201404970000021
偏航角加速度信号
Figure BDA0003201404970000023
和俯仰角加速度信号
Figure BDA0003201404970000022
进一步的，前向过载信号nx和侧向过载信号ny通过总值进行缩比，法向过载信号nz通过相对单位过载增量进行缩比。
进一步的，所述运动平台的位移信号包括前向位移信号、法向位移信号和侧向位移信号。
进一步的，第一高频滤波器为3阶滤波器。
进一步的，第二高频滤波器为2阶滤波器；第三高频滤波器为2阶滤波器。
进一步的，还包括：
步骤5，根据六自由度运动平台的行程限制，对解算得到的运动平台的三向位移信号和总滚转角信号、总俯仰角信号及偏航角信号进行限幅，以防止超出物理边界。
另外，本申请还提供了一种六自由度运动平台，该六自由度运动平台包括：
数据处理模块；和
位移执行机构；
当所述数据处理模块接收到飞机的三向过载信号和角加速度运动信号后，按照如上任一所述的六自由度运动平台加速度模拟方法对信号进行处理；
位移执行机构根据处理完毕后和位移信号和角度信号输出相应的位移值和角度值。
本申请所提供的加速度模拟方法在三向过载中通过高通滤波器进行滤波得到运动平台的三向位移，通过将前向过载和侧向过载进行低频滤波后，与相应的角加速度信号进行叠加而得到总滚转角信号和总俯仰角信号，最终可以实现六自由度运动平台在不超过运动限制范围的情况下模拟物体的载荷和角加速度，算法实现简单、可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为本申请的六自由度运动平台加速度模拟方法流程图。
图2为本申请实施例中的飞机座舱六自由度运动平台加速度模拟方法结构图。
图3为本申请的六自由度运动平台组成示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
为了将被飞机座舱的加速度信号转换为运动平台(或训练模拟器)的位移信号，从而实现飞机的运动特征模拟，本申请中提出了一种六自由度运动平台的加速度模拟方法，通过对六自由度运动平台的位移运动和旋转角位移运动的处理，实现飞机的过载和角加速度模拟。
如图1所示，本申请提供的六自由度运动平台加速度模拟方法包括如下步骤：
步骤1，对飞机的三向过载信号和角加速度运动信号进行缩比，即所有过载信号和角加速度信号均乘以缩比系数，从而得到缩比后的三向过载信号和角加速度运动信号。
如图2所示(图中limitation表示限幅，scale表示缩放，High-pass filter表示高通滤波)，三向过载信号包括前向(或称航向)过载nx、法向过载nz和侧向(或称展向)过载ny，而角加速度信号包括滚转角加速度
Figure BDA0003201404970000043
偏航角加速度
Figure BDA0003201404970000041
俯仰角加速度
Figure BDA0003201404970000042
由此构成飞机的六自由度。
在本申请中，对于前向过载和侧向过载来说，通过对总值进行缩比即可得到缩比后的前向过载和侧向过载，但对于法向过载来说，其不是通过总值进行缩比，而是对法向过载的相对单位过载增量进行缩比得到缩比后的法向过载。
步骤2，六自由度运动平台坐标系与地面坐标系之间的坐标系转换。
需指出的是，该转换是从运动平台坐标系转到地面坐标系，而非从机体坐标系进行转换。由于六自由度运动平台的输入信号是在大地坐标系中，因此在缩比后，飞机过载和角加速度信号要从运动平台坐标系向地面坐标系转换。
步骤3，使用高频滤波器消除三向过载与角加速度的低频分量。
具体的，在三轴过载通道中用第一高频滤波器滤除缩比后过载的低频分量，得到运动平台的位移信号，该位移信号即运动平台的前向位移信号surge、法向位移信号heave和侧向位移信号sway。
在本申请中，该第一高频滤波器为2～4阶高频滤波器，优选的，该高频滤波器为3阶。通过第一高频滤波器不仅能滤除三轴过载信号的低频分量，还能使飞机座舱进入中立位置。
在包括滚转角加速度信号、俯仰角角速度信号和偏航角加速度的角加速度通道采用第二高频滤波器进行滤波，分别得到运动平台的滚转角信号Φ、俯仰角信号θ和旋转角信号ψ。
在本申请中，第二高频滤波器也为2～4阶的高频滤波器，优选的，该处的高频滤波器为2阶。
步骤4，使用低通滤波器分离前向过载分量和侧向过载分量。
具体的，利用第三高频滤波器分离三向过载信号中的前向过载低频分量和侧向过载低频分量，从而得到与这些低频过载分量相对应的运动平台俯仰角分量信号θ和滚转角分量信号Φ，利用座舱的倾斜来模拟侧向与纵向过载，与步骤3得到的角信号相加得到运动平台的总滚转角信号Φ和总俯仰角信号θ。
此外，本申请中还包括：
步骤5，根据运动平台的行程限制，对解算得到的三个方向的位移信号和总滚转角信号、总俯仰角信号及旋转角度信号进行数字限制，防止超出物理边界。
本申请所提供的六自由度运动平台加速度模拟方法首先通过缩比实现较小比例模拟加速度，之后采用高频滤波去除其低频分量，最后利用座舱的倾斜来模拟侧向与纵向过载，最终使运动平台在不超过运动限制范围的情况下模拟飞机座舱的载荷和角加速度。
如图3所示，本申请还提供了一种六自由度运动平台，该运动平台10包括数据处理模块11和位移执行机构12，数据处理模块11可以是具有数据处理能力的CPU、DSP、FPGA等单个芯片，也可以是机箱、服务器或机组等较大规模的专用输出处理装置，位移执行机构12通常为电机、液压作动筒等位移或角度输出装置，位移执行机构12的位移或角度输出依靠于数据处理模块11的控制与输出。过载及角加速度信号20可以是从飞机上引出的传感器测量信号，也可以是模拟器模拟飞机飞行而产生的相应的过载及角度信号。数据处理模块11接收到飞机的三向过载及角加速度运动信号20后，按照上述加速度模拟方法对三向过载及角加速度信号进行处理，之后位移执行机构12根据处理完毕后的位移信号和角度信号输出相应的位移值和角度值。
本申请所提供的六自由度运动平台加速度模拟方法通过将所有的驾驶任务分为稳定任务和机动任务，在稳定任务中，没有大的低频加速度，使用高频滤波实质上只会导致加速度的相位失真，这些相位失真驾驶员是不会直接感受到的，然而对于机动任务，典型特征是有很大的低频加速度，可以使用运动平台的倾斜实现其模拟，最终可以实现六自由度运动平台在不超过运动限制范围的情况下模拟物体的载荷和角加速度，且算法实现简单、可靠。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种六自由度运动平台加速度模拟方法，其特征在于，包括：
步骤1，对飞机的三向过载信号和角加速度运动信号均乘以缩比系数进行缩比；
步骤2，将六自由度运动平台坐标系与地面参考坐标系进行转换；
步骤3，在三向过载通道中采用第一高频滤波器滤除缩比后过载的低频分量，得到运动平台的位移信号；在角速度通道中采用第二高频滤波器得到运动平台的滚转角信号和俯仰角信号和偏航角信号；
步骤4，采用第三高频滤波器分离三向过载信号值的前向过载低频分量和侧向过载低频分量，得到与所述低频过载分量相对应的运动平台俯仰角分量信号和滚转角分量信号，利用座舱的倾斜来模拟侧向与法向过载，与步骤3得到的角信号叠加得到运动平台的总滚转角信号和总俯仰角信号。
2.如权利要求1所述的六自由度运动平台加速度模拟方法，其特征在于，三向过载信号包括前向过载信号nx、法向过载信号nz和侧向过载信号ny。
3.如权利要求2所述的六自由度运动平台加速度模拟方法，其特征在于，所述角加速度运动信号包括滚转角加速度信号
Figure FDA0003201404960000011
偏航角加速度信号
Figure FDA0003201404960000012
和俯仰角加速度信号
Figure FDA0003201404960000013
4.如权利要求2或3所述的六自由度运动平台加速度模拟方法，其特征在于，前向过载信号nx和侧向过载信号ny通过总值进行缩比，法向过载信号nz通过相对单位过载增量进行缩比。
5.如权利要求4所述的六自由度运动平台加速度模拟方法，其特征在于，所述运动平台的位移信号包括前向位移信号、法向位移信号和侧向位移信号。
6.如权利要求5所述的六自由度运动平台加速度模拟方法，其特征在于，第一高频滤波器为3阶滤波器。
7.如权利要求6所述的六自由度运动平台加速度模拟方法，其特征在于，第二高频滤波器为2阶滤波器；第三高频滤波器为2阶滤波器。
8.如权利要求7所述的六自由度运动平台加速度模拟方法，其特征在于，还包括：
步骤5，根据六自由度运动平台的行程限制，对解算得到的运动平台的三向位移信号和总滚转角信号、总俯仰角信号及偏航角信号进行限幅，以防止超出物理边界。
9.一种六自由度运动平台，其特征在于，包括：
数据处理模块；和
位移执行机构；
当所述数据处理模块接收到飞机的三向过载信号和角加速度运动信号后，按照如权利要求1至8任一所述的六自由度运动平台加速度模拟方法对信号进行处理；
位移执行机构根据处理完毕后和位移信号和角度信号输出相应的位移值和/或角度值。
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