CN114333490B - 一种基于姿态跟踪的月面虚拟驾驶体感反馈方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于姿态跟踪的月面虚拟驾驶体感反馈方法。结合月面作业环境，优化经典洗出算法，增加倾斜协调通道模拟纵向与横向线加速度，改进角速度限幅环节使人体难以感知到倾斜协调引起的位姿改变。基于此模型进行洗出运算，计算六自由度平台运动位移，转换得到各杆件的驱动信号，控制运动平台实现姿态跟随。本方法可实现月面环境下的车辆运动模拟，使驾驶员在地面训练环境下对实际驾驶时车辆的运动情况有形象的概念。优化体感反馈技术，提升运动模拟的逼真度，改善驾驶训练效果。
Description
技术领域
本发明属于体感反馈领域，具体涉及一种基于姿态跟踪的月面虚拟驾驶体感反馈方法。
背景技术
为营造逼真的月面作业环境，常见的月面驾驶仿真系统通过控制六自由度运动平台模拟月球车的运动状态，将运动感知传给模拟驾驶舱内的训练人员。
影响运动模拟真实性的主要机构是六自由度运动平台，由于机械结构的限制，平台的平移范围有限。因此在模拟车辆实际运动的过程中，平台难以对车辆的六自由度姿态做出跟踪，需要进行相应处理。
人体的前庭感知系统是由内耳的耳石和半规管组成。经过研究分析，驾驶员主要通过耳石感受线加速度，半规管感受角速度。线加速度和角速度的感知都有一定阈值，只有大于该阈值的运动才会被感知到。其中，纵向和横向的加速度值需大于0.17m/s2，垂向加速度值需大于0.28m/s2，俯仰、横滚、偏航角速度需分别大于3.6°/s、3.0°/s、2.6°/s才可以被人体感知。利用这一特点，采用倾斜协调的方法，通过将平台以低于人体感知阈值的角速度倾斜至一定角度，倾斜后重力的分量模拟出纵向与横向的线加速度效果。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种基于姿态跟踪的月面虚拟驾驶体感反馈方法，通过调整平台位姿实现月面环境下的车辆运动姿态跟随。本方法反馈迅速、执行快，使驾驶员在地面训练环境下对实际驾驶时月球车的运动情况有形象的概念。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于姿态跟踪的月面虚拟驾驶体感反馈方法，包括以下步骤：
步骤1、月面驾驶模拟器控制系统初始化，确定运动平台位于初始位置；
步骤2、设定月球车动力学模型，获得相应运动参数；
步骤3、构建控制算法模型，将步骤2得到的月球车运动参数以及人体耳石感知的线加速度作为控制算法模型的输入，获得位移和姿态角信息；
步骤4、基于步骤3所获得的位移和姿态角信息，通过运动学反解对运动平台进行速度、加速度以及动力学分析，进而得到各液压缸伸长量，驱动运动平台运动。
进一步的，步骤3所述控制算法模型构建过程如下：
步骤(1)：以比力fAA的形式表示人体耳石感知的线加速度：
fAA＝a-g
其中，a为人体绝对线加速度，g为重力加速度。
步骤(2)：将人体坐标系中的线加速度和角加速度转换为惯性坐标系中的线加速度和角加速度。
f2＝Lsf1
其中，f1，f2分别为人体坐标系、惯性坐标系中的比力。ω1，分别为人体坐标系，惯性坐标系中的角速度信号。Ls为人体坐标系变换到惯性坐标系的坐标变换矩阵，Ts为角速度转换为欧拉角变化率的变换矩阵。
步骤(3)：通过三阶线加速度高通滤波器对惯性坐标系中的线加速度进行高通滤波，保证平台在模拟任务完成后尽快回到初始位置。高通滤波器的传递函数如下：
其中，a2为输入线加速度，为滤波后的加速度，s为复参数，ωm、ωh为一阶、二阶环节的自然截止频率，ξh为三阶高通滤波器的阻尼比，取ξh＝1。
步骤(4)：设计倾斜协调环节中二阶低通滤波器，二阶低通滤波器的传递函数如下：
其中，f1为人体坐标系中的比力，作为二阶低通滤波器输入，flow为低通滤波器输出量。ωl为二阶低通滤波器的自然截止频率，ξl为二阶低通滤波器的阻尼比，取1。
步骤(5)：月球车行驶过程中，各方向的姿态角变化差异较大，其中偏航角的变化范围大。对俯仰角、滚转角采用一阶滤波器滤波，偏航角采用二阶滤波器滤波。
一阶高通滤波器与低通滤波器的传递函数分别为：
其中，为惯性坐标系的角速度信号，作为滤波器输入，/>为一阶高通滤波器与低通滤波器的输出量，ωhβ与ωlβ分别为高通滤波器与低通滤波器的自然截止频率，取1(rad/s)。
二阶高通滤波器与低通滤波器的传递函数分别为：
其中，为二阶滤波器输入量，/>分别为二阶高通、低通滤波器输出量，ωhθ与ωlθ为高通滤波器与低通滤波器的自然截止频率，ξhθ与ξlθ分别为二阶高通滤波器与低通滤波器的阻尼比，取1。
步骤(6)：通过滤波器得到各分量后，倾斜协调环节将低频线加速度分量转化为倾斜角度，公式如下：
其中，为纵向和横向的比例输入的低频分量，/>为倾斜协调的俯仰角和滚转角。
步骤(7)：将各分量通过限幅和积分环节并叠加，得到三自由度的线位移量与三自由度的角位移量用于控制六自由度平台运动。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本方案研究月球车驾驶模拟器体感反馈方法，考虑到月面驾驶时，月球车的速度较低，位姿改变较小，六自由度运动平台对其线加速度的高频分量与角速度容易跟踪。从算法整体结构出发，优化体感反馈技术。体感反馈方法采用跟踪高频线加速度，利用倾斜协调模拟纵向与横向线加速度，并通过角速度限幅环节确保人体难以感知到倾斜协调引起的位姿改变。而对于角速度，对低频角速度造成的平台角位移做出限制，保证六自由度平台机械结构能够完成低频角速度、高频角速度、倾斜协调三个分量影响下的角位移任务。有效提高月球车驾驶模拟的运动逼真度，提升驾驶训练效果。
附图说明
图1为本发明实施例所述体感反馈方法原理框图；
图2为本发明实施例中所述控制算法原理框图；
图3为加速度经过控制算法滤波后的曲线图；
图4为角速度经过控制算法滤波后的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
一种基于姿态跟踪的月面虚拟驾驶体感反馈方法，主要应用于月球车驾驶模拟器中，如图1所示，为其原理示意图，主要包括：
步骤1、月面驾驶模拟器控制系统初始化，确定运动平台位于初始位置。
步骤2、设定月球车动力学模型，获得相应运动参数。
进一步的，所述月球车运动参数包括机体坐标系下的滚转角速度、俯仰角速度、偏航角速度。
步骤3、以六自由度模拟器为例，构建控制算法模型。算法由平移通道(纵向、横向、垂向)和旋转通道(横滚、俯仰、偏航)组成。将步骤2得到的月球车运动参数以及耳石感知的线加速度作为控制算法模型的输入，获得位移和姿态角信息。具体的，控制算法实现流程如图2所示：
(1)将耳石感知的线加速度以比力fAA的形式表示：
fAA＝a-g
其中，a为人体绝对线加速度，g为重力加速度。
(2)：将人体坐标系中的线加速度和角速度转换为惯性坐标系中的线加速度和角速度。
f2＝Lsf1
其中，f1，f2分别为人体坐标系、惯性坐标系中的比力。ω1，分别为人体坐标系，惯性坐标系中的角速度信号。Ls为人体坐标系变换到惯性坐标系的坐标变换矩阵，Ts为角速度转换为欧拉角变化率的变换矩阵。
(3)增加低截止频率的一阶环节，通过三阶线加速度高通滤波器对惯性坐标系中的线加速度进行高通滤波，保证平台在模拟任务完成后尽快回到初始位置。传递函数如下：
其中，a2为输入线加速度，为滤波后的加速度，s为复参数，ωm、ωh为一阶、二阶环节的自然截止频率，ξh为三阶高通滤波器的阻尼比，取ξh＝1。
(4)设计倾斜协调环节中二阶低通滤波器，二阶低通滤波器的传递函数如下：
其中，f1为人体坐标系中的比力，作为二阶低通滤波器输入，flow为低通滤波器输出量。ωl为二阶低通滤波器的自然截止频率，ξl为二阶低通滤波器的阻尼比，取1。
(5)对于角度变化，月球车驾驶模拟器在运行的过程中三个方向的旋转角度的模式不同。其中，俯仰和滚转角变化范围小、角速度相对较小，采用一阶滤波器。一阶高通滤波器与低通滤波器传递函数分别为：
其中，为惯性坐标系中的角速度信号，作为滤波器输入，/>为一阶高通滤波器与低通滤波器的输出量，ωhβ与ωlβ分别为高通滤波器与低通滤波器的自然截止频率，取1(rad/s)；
月球车偏航角与驾驶时的转向有关，运动范围及不确定性较大，采用二阶高通滤波器滤波，侧向和纵向的协调倾斜通道采用二阶低通滤波器。二阶高通滤波器和低通滤波器的传递函数如下：
其中，为滤波器输入量，/>分别为二阶高通、低通滤波器输出量，ωhθ与ωlθ为高通滤波器与低通滤波器的自然截止频率，ξhθ与ξlθ分别为二阶高通滤波器和低通滤波器的阻尼比，取1。
(6)通过滤波器得到各分量后，将低频线加速度分量转化为倾斜角度，在协调通道中增加协调变换环节，公式如下：
其中，为纵向和横向的比例输入的低频分量，/>为倾斜协调的俯仰角和滚转角。
(7)将各分量通过限幅和积分环节并叠加，得到三自由度的线位移量与三自由度的角位移量用于控制六自由度平台运动。
步骤4、基于步骤3所获得的位移和姿态角信息，通过运动学反解对运动平台进行速度、加速度以及动力学分析，进而得到各液压缸伸长量，驱动运动平台运动。
图3，图4分别为加速度和角速度经过控制算法处理后的曲线图。可以看出，改进的六自由度平台控制算法能将平台的运动限制在安全范围内，并还原加速度、角速度变化趋势，实现了车体的六自由度姿态跟踪。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
Claims (1)
1.一种基于姿态跟踪的月面虚拟驾驶体感反馈方法，其特征在于，所述的基于姿态跟踪的月面虚拟驾驶体感反馈方法包括以下几个步骤：
步骤1、月面驾驶模拟器控制系统初始化，确定运动平台位于初始位置；
步骤2、设定月球车动力学模型，获得相应的月球车运动参数；所述月球车运动参数包括机体坐标系下的滚转角速度、俯仰角速度、偏航角速度；
步骤3、构建控制算法模型，将步骤2得到的月球车运动参数以及人体耳石感知的线加速度作为控制算法模型的输入，获得位移和姿态角信息；
步骤4、基于步骤3所获得的位移和姿态角信息，通过运动学反解对运动平台进行速度、加速度以及动力学分析，进而得到各液压缸伸长量，驱动运动平台运动；
控制算法模型构建过程如下：
步骤(1)：以比力fAA的形式表示人体耳石感知的线加速度：
fAA＝a-g
其中，a为人体绝对线加速度，g为重力加速度；
步骤(2)：将人体坐标系中的线加速度和角速度转换为惯性坐标系中的线加速度和角速度；
步骤(3)：通过三阶线加速度高通滤波器对惯性坐标系中的线加速度进行高通滤波，保证平台在模拟任务完成后尽快回到初始位置，高通滤波的传递函数如下：
其中，a2为输入线加速度，为滤波后的加速度，s为复参数，ωm、ωh分别为一阶、二阶环节的自然截止频率，ξh为三阶高通滤波器的阻尼比，取ξh＝1；
步骤(4)：设计倾斜协调环节中二阶低通滤波器，二阶低通滤波器的传递函数如下：
其中，f1为人体坐标系中的比力，作为二阶低通滤波器输入，flow为低通滤波器输出量，ωl为二阶低通滤波器的自然截止频率，ξl为二阶低通滤波器的阻尼比，取1；
步骤(5)：设计月球车行驶过程中，各方向的姿态角滤波器；
步骤(6)：通过月球车行驶过程中，各方向的姿态角滤波器得到各分量后，倾斜协调环节将低频线加速度分量转化为倾斜角度，公式如下：
其中，分别为纵向和横向的比例输入的低频分量，/>分别为倾斜协调的俯仰角和滚转角；
步骤(7)：将步骤(6)得到的各分量通过限幅和积分环节并叠加，得到三自由度的线位移量与三自由度的角位移量用于控制六自由度平台运动；
所述步骤(5)中，各方向的姿态角滤波器设计过程如下：
俯仰和滚转角采用一阶滤波器滤波，一阶高通滤波器与低通滤波器的传递函数分别为：
其中，为惯性坐标系中的角速度信号，作为滤波器输入，/>分别为一阶高通滤波器与低通滤波器的输出量，ωhβ与ωlβ分别为一阶高通滤波器与低通滤波器的自然截止频率，取1(rad/s)；
月球车偏航角采用二阶高通滤波器滤波，侧向和纵向的协调倾斜通道采用二阶低通滤波器滤波，二阶低通滤波器的传递函数如下：
其中，为滤波器输入量，/>分别为二阶高通、低通滤波器输出量，ωhθ与ωlθ分别为一阶高通滤波器与二阶低通滤波器的自然截止频率，ξhθ与ξhθ分别为一阶高通滤波器与二阶低通滤波器的阻尼比，取1。
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