CN1932701A - 四自由度液压平台的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四自由度液压平台的控制方法，用于使平台产生与三维模型相一致的运动姿态，包括如下步骤：获取三维模型的运动曲线数据；将所述运动曲线数据转换为液压杆的位移变化数据；对所述液压杆的位移变化数据进行分析，求出相应的输出电压；通过所述输出电压控制所述液压杆运动。本发明由于是将三维模型的运动曲线数据转换为液压杆的位移变化数据，通过对液压杆的位移变化数据进行分析，而输出相应的电压来控制液压杆的运动。能简化硬件平台的设计限制与要求，降低产品的监护难度。

Description

四自由度液压平台的控制方法

技术领域

本发明涉及一种能够实现四自由度运动的液压平台的控制方法。

背景技术

高科技主题公园常采用自由度平台与影视图像结合一起来制作动感项目，目的是为能够使项目的参与者有身临其境的体验，随着独立自由度的增加，设计的难度就会加大，因为必须有合理的结构才能设计出完全独立的自由度变化，通常采用的简单方法是直接将一个动立杆控制一个自由度，这种方法一定程度上可以简化控制难度，但对硬件平台的设计却非常复杂，且有诸多限制，产品的监护也比较困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种四自由度液压平台的控制方法，由液压杆的复合运动实现一个自由度的变化，能简化硬件平台的设计限制与要求，降低产品的监护难度。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：提供一种四自由度液压平台的控制方法，用于使平台产生与三维模型相一致的运动姿态，包括如下步骤：

获取三维模型的运动曲线数据；

将所述运动曲线数据转换为液压杆的位移变化数据；

对所述液压杆的位移变化数据进行分析，求出相应的输出电压；

通过所述输出电压控制所述液压杆运动。

优选地，在对所述液压杆的位移变化数据进行分析，求出相应的输出电压的步骤中，还包括实时获取液压杆的实际位移，用于对液压杆的运动作修正。

优选地，在对所述液压杆的位移变化数据进行分析，求出相应的输出电压的步骤中，对于三维模型中的每一帧数据，都重复下列操作：

检测液压杆的当前实际位移；

将所述当前实际位移与目标位移进行比较，求出位移差；

将位移差转换为速度差，将速度差与前一段运行速度相加，求出下一段运行速度；

线性插值求出本帧输出电压。

优选地，该控制方法还包括设置系统参数的步骤，包括曲线间隔的设置、曲线总点数的设置、液压杆范围的设置以及传感器参数范围的设置。

优选地，所述曲线间隔可取10、20、25、40帧/秒。

优选地，所述曲线间隔为25帧/秒。

优选地，传感器参数范围是0～2048或0～4095。

本发明与现有技术相比，由于是将三维模型的运动曲线数据转换为液压杆的位移变化数据，通过对液压杆的位移变化数据进行分析，而输出相应的电压来控制液压杆的运动。能简化硬件平台的设计限制与要求，降低产品的监护难度。

附图说明

图1是本发明一个优选实施例中四自由度液压平台的结构示意图；

图2是图1中四自由度液压平台的简化图；

图3是本发明一个优选实施例中四自由度液压平台的控制方框图；

图4是本发明一个优选实施例中四自由度液压平台的示意图；

图5是本发明一个优选实施例中四自由度液压平台的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图1示出了本发明一个优选实施例中的四自由度液压平台的结构示意图，它主要包括底座1、座舱平台2、前叉架3、后叉架4、四伺服油缸5以及液压系统6。底座1是基础，与地面牢固连接。前叉架3和后叉架4用球铰和底座1连接，用万向节与台面2连接，并且限制Y向移动。如图2所示，在四伺服油缸5中，有两个并排设置在前部，中部和后部各一个，前部和后部伺服油缸的下端均用球链和底座1连接，上端均用万向节与台面2连接。中部伺服油缸向前端倾斜，且下端用球链与底座1连接，上端与前叉架3连接。如表1所示，在输入信号的控制下，四支伺服油缸5的伸缩带动座舱平台2可做纯伸举、纯下降、纯平移、纯转动或它们的复合运动，从而使座舱平台2与屏幕上的影像作逼真的同步运动。

            表1  本发明可实现的运动模式列表(V-油缸的伸缩速度)

序号	可实现运动	条件	伸缩油缸	备注
					1	纯平移	VDsina＝VA	D伸A伸
2	纯平移	VDsina＝VA	D缩A缩
					3	纯举升	VA＝VB＝VC	A伸B伸C伸D伸
4	纯下降	VA＝VB＝VC	A缩B缩C缩D缩
					5	绕X轴纯转动	VA＝VB	B伸C缩
6	绕X轴纯转动	VA＝VB	B缩C伸
					7	绕Y轴纯转动	VB＝VC＝VDsina	A伸B缩C缩D缩
8	绕Y轴纯转动	VB＝VC＝VDsina	A缩B伸C伸D伸
					9	复合运动	除绕Z轴转动和Y轴平移以外的运动		各件不发生运动干涉

如图3所示，为使平台2产生与三维模型相一致的运动姿态，本发明通过控制程序从三维软件导出的运动曲线数据按照一定算法转换为液压平台的各液压杆的位移变化数据，并且通过对位移变化数据的分析，算出预定速度值，得出相应的输出电压，通过D/A卡输出，控制液压杆运动。在液压杆运动的同时，通过传感器实时返回杆的实际位移，通过A/D卡传给控制程序，供控制程序作下次运动修正用。

运动曲线数据转换为液压平台的各液压杆的位移变化数据的算法如图4所示，可以选取以下这四个互相独立的广义坐标来唯一表征系统的姿态：α，l₄，θ，ψ，根据向量计算方法依次求出杆L₀-L₃的长度：(L₀---L₃：为可变长液压杆，

为单位方向矢量，P₀～P₈为各点坐标，P_C为P₀’P₈’的中点，P₈为系统坐标原点)

$l_0=\left|\right|\stackrel{\→}{P_0{P_0}^{\′}}\left|\right|=\left|\right|{\stackrel{\→}{P}}_8-{\stackrel{\→}{P}}_0-(l_4*\cos \left(\mathrm{\α}\right)+l_8*\cos \left(\mathrm{\θ}\right))*j+(l_4*\sin \left(\mathrm{\α}\right)+l_8*\sin \left(\mathrm{\θ}\right))*k\left|\right|$

设：a＝‖P₈P₈′‖＝l₄， $b=\left|\right|\stackrel{\→}{P_0{P}_8}\left|\right|=l_8,c=\left|\right|\stackrel{\→}{{P_8}^{\′}{P_0}^{\′}}\left|\right|=l_8$

l₀ ²＝a²+b²+c²+2*a*c*cos(α-θ)-2*a*b*cos(α)-2*b*c*cos(θ)  ...(1)

$\stackrel{\→}{P_1{P_1}^{\′}}=m(-1+\cos \left(\mathrm{\ψ}\right))*i-(l_4*\cos \left(\mathrm{\α}\right)+m*\sin \left(\mathrm{\ψ}\right)*\sin \left(\mathrm{\θ}\right))*j+(l_4*\sin \left(\mathrm{\α}\right)-m*\sin \left(\mathrm{\ψ}\right)*\cos \left(\mathrm{\θ}\right))*k$

设：p＝m(-1+cos(ψ))，q＝-(l₄*cos(α)+m*sin(ψ)*sin(θ))

r＝(l₄*sin(α)-m*sin(ψ)*cos(θ))

l₁ ²＝p²+q²+r²                             .....................(2)

$\stackrel{\→}{P_2{P_2}^{\′}}=m(1-\cos \left(\mathrm{\ψ}\right))*i-(l_4*\cos \left(\mathrm{\α}\right)-m*\sin \left(\mathrm{\ψ}\right)*\sin \left(\mathrm{\θ}\right))*j+(l_4*\sin (\mathrm{\α})+m*\sin \left(\mathrm{\ψ}\right)*\cos \left(\mathrm{\θ}\right))*k$

设：d＝m(1-cos(ψ))，e＝-(l₄*cos(α)-m*sin(ψ)*sin(θ))

f＝(l₄*sin(α)+m*sin(ψ)*cos(θ))

l₂ ²＝d²+e²+f²                                ..................(3)

设：η＝α-β，a₂＝l₅，b₂＝l₉

$\mathrm{\β}=a\cos \left(\frac{{a_1}^2+{b_1}^2-{c_1}^2}{2*a_1*b_1}\right),$ a₁＝l₄，b₁＝l₅，c₁＝l₇

l₃ ²＝a₂ ²+b₂ ²-2*a₂*b₂*cos(η)                    ...............(4)

以上各式中的θ，ψ因为有实际的对应物，所以可以直接使用，而α，l₄则必须转化为能直接测量的其他表达形式。比如，可以取平台的中轴线上的中点Pc的y轴和z轴上的平移值作为输入的参数。

P_8 x′＝0，P_8 y′＝l₄*cos(α)，P_8 z′＝l₄*sin(α)

设Pc为平台中轴线上的中点，由图可知：

${\mathrm{Pc}}_y=P_{8y}^{\′}-\frac{l_8}{2}*\cos \left(\mathrm{\θ}\right)=-l_4*\cos \left(\mathrm{\α}\right)-\frac{l_8}{2}*\cos \left(\mathrm{\θ}\right)...\left(I\right)$

${\mathrm{Pc}}_Z=P_{8Z}^{\′}+\frac{l_8}{2}*\sin \left(\mathrm{\θ}\right)=l_4*\sin \left(\mathrm{\α}\right)+\frac{l_8}{2}*\sin \left(\mathrm{\θ}\right)...\left(\mathrm{II}\right)$

从I，II可得到

$l_4=\sqrt{{({\mathrm{Pc}}_y+\frac{l_8}{2}*\cos \left(\mathrm{\θ}\right))}^2+{({\mathrm{Pc}}_Z-\frac{l_8}{2}*\sin \left(\mathrm{\θ}\right))}^2}...\left(\mathrm{III}\right)$

$\mathrm{\α}=\arccos \left(\frac{{-\mathrm{Pc}}_y-\frac{l_8}{2}*\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}{\sqrt{{({\mathrm{Pc}}_y+\frac{l_8}{2}*\cos \left(\mathrm{\θ}\right))}^2+{({\mathrm{Pc}}_Z-\frac{l_8}{2}*\sin \left(\mathrm{\θ}\right))}^2}}\right)...\left(\mathrm{IV}\right)$

θ＝θ              ...............................(V)

ψ＝ψ              ....................................(VI)

到此，只要输入以下四个广义坐标：Pc_y，Pc_Z，θ，ψ，那么根据公式：(1)，(2)，(3)，(4)，(III)，(IV)，(V)，(VI)就可以求出L₀-L₃的长度来了。

显然只要从三维软件中物体的运动轨迹模型以上述值的方式导出，我们就知道四自由度液压平台各液压杆对应的运动点，例如，在三维软件MAYA中输出的行(一帧图像)数据格式为：

X坐标值，Y坐标值，X轴旋转角度，Y轴旋转角度、Z轴旋转角度。

如图4所示：Y坐标值对应于Pc_y，Z坐标值对应于Pc_Z，X轴旋转角度对应于θ，Z轴旋转角度对应于ψ。这样三维软件的模型运动参数已经转化为平台的液压杆的姿态运动参数。

图5所示为本发明的控制程序的流程图，其中：

第1步，装入三维软件输出的曲线数据；

第2步，设置系统参数，包括：

曲线间隔(帧)：可取10、20、25、40帧/秒，一般取25帧比较好

曲线总点(帧)数：N

液压杆的范围：杆的最低点、杆的最高点

传感器的参数范围：0～2048或者0～4095

第3步，系统初始化：

726D/A卡、813A/D卡

开精确ms级定时器(用于定时查询传感器位置)

将曲线运行数据转换为液压杆的运动曲线；

第4步，控制液压杆运动：

对于三维软件中的每一行(帧)数据，都要重复下列操作：

找下一段速度值V；

检测当前实际位置；

比较当前实际位置与目标位置，求位置差ΔS，转换为ΔV，得到下一段运行速度为V+ΔV，线性插值求本帧输出电压；

输出合法本帧电压。

Claims (7)

1.一种四自由度液压平台的控制方法，用于使平台产生与三维模型相一致的运动姿态，其特征在于，包括如下步骤：

获取三维模型的运动曲线数据；

将所述运动曲线数据转换为液压杆的位移变化数据；

对所述液压杆的位移变化数据进行分析，求出相应的输出电压；

通过所述输出电压控制所述液压杆运动。

2.根据权利要求1所述的四自由度液压平台的控制方法，其特征在于，在对所述液压杆的位移变化数据进行分析，求出相应的输出电压的步骤中，还包括实时获取液压杆的实际位移，用于对液压杆的运动作修正。

3.根据权利要求2所述的四自由度液压平台的控制方法，其特征在于，在对所述液压杆的位移变化数据进行分析，求出相应的输出电压的步骤中，对于三维模型中的每一帧数据，都重复下列操作：

检测液压杆的当前实际位移；

将所述当前实际位移与目标位移进行比较，求出位移差；

将位移差转换为速度差，将速度差与前一段运行速度相加，求出下一段运行速度；

通过线性插值法求出本帧输出电压。

4.根据权利要求2所述的四自由度液压平台的控制方法，其特征在于，该控制方法还包括设置系统参数的步骤，包括曲线间隔的设置、曲线总点数的设置、液压杆范围的设置以及传感器参数范围的设置。

5.根据权利要求3所述的四自由度液压平台的控制方法，其特征在于，所述曲线间隔可取10、20、25或40帧/秒。

6.根据权利要求4所述的四自由度液压平台的控制方法，其特征在于，所述曲线间隔为25帧/秒。

7.根据权利要求3所述的四自由度液压平台的控制方法，其特征在于，传感器参数范围是0～2048或0～4095。

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