文档介绍：大型数字式六自由度运动平台的开发
杨世祥杨涛徐悦桐
概述
六自由度运动平台,由于有极为广阔的应用前景,近几年,引起了国内外科研、院校广泛的研究兴趣。六自由度运动平台是由六支油缸,上、下各六只万向铰链和上、下两个平台组成,下平台固定在基础上,借助六只油缸的伸缩运动,完成上平台在空间六个自由度(X,Y,Z,α,β,γ)的运动,从而可以模拟出各种空间运动姿态,可广泛应用到各种训练模拟器如飞行模拟器、舰艇模拟器、海军直升机起降模拟平台、坦克模拟器、汽车驾驶模拟器、火车驾驶模拟器、地震模拟器以及动感电影、娱乐设备等领域,甚至可用到空间宇宙飞船的对接,空中加油机的加油对接中。在加工业可制成六轴联动机床、灵巧机器人等。由于六自由度运动平台的研制,涉及机械、液压、电气、控制、计算机、传感器,空间运动数学模型、实时信号传输处理、图形显示、动态仿真等等一系列高科技领域,因而六自由度运动平台的研制变成了高等院校、研究院所在液压和控制领域水平的标志性象征。国外某大型液压公司的总部大厅里,向客人展示水平的第一个标志就是六自由度运动平台,笔者认为,六自由度运动平台是液压及控制技术领域的皇冠级产品,掌握了它,在液压和控制领域基本上就没有了难题。以下介绍它的开发过程
传统的伺服液压控制六自由度运动平台
到目前为止,世界上所有台都无一例外的采用了液压伺服控制系统较高,其控制原理基本相同,六自由度平台单缸控制框图如下:

伺服液压平台单缸控制方框图
从图中可看出,主控计算机是完成空间状态的实时解算,然后将解算结果送到六个单缸控制器,经数/模转换后送给伺服放大器、伺服阀、伺服缸推动平台运动。伺服缸的位移和压力通过两只传感器并经模/数转换后送给计算机,完成闭环控制。该框图表示的是主动编程控制,如果是实时模拟控制,还需要在主控计算机前增加姿态信号输入装置,即用各种信号发生器模拟人的操作,输出表示空间状态的XYZ和αβγ信号。该伺服系统最大的难点是传递环节多、控制过于复杂、调试困难、可靠性差、伺服阀抗干扰抗污染能力弱、故障率高,因而国内尽管许多单位进行了研制,但大面积推广的却始终不多。
六自由度平台控制的空间状态解算
顺向解):即已知六根液压缸的长度,求解平台姿态,到目前为止,还没有直接中的的正解方程式,只能采用叠代方法,利用计算机快速运算的特点和上铰链的结构条件约束来逼近求解平台姿态。此为顺解,
(逆向解):描述一个刚体在空间旋转的姿势,最常使用的方法是定义三个欧拉角来表达,当刚体旋转至某一姿势下,此三个欧拉角即组成唯一的旋转矩阵,并借由旋转矩阵作坐标转换,便可求得刚体的绝对位置。
六自由度的速度协联控制
当给定空间状态后,可以分别算出六只缸的不同长度,为了让平台上的油缸在同一时间运动到新的位置,六只缸的运动速度是不相同的,这个问题的解决有两种方法,一是采用标准的协联控制器,该控制器需将油缸的运动长度数值送入,控制器能按所要求的时间,自动分配六只缸的运动速度,同时到达终点。第二种方法是自己编制运动速度方程,采用长度的最小公倍数方法分配速度,也可达到同样目的。
六自由度平台的全数字控制
为了攻克六自由度运动平台的应用难关,北京亿美博科技有限公司采用了自己开发的性能先进、操作可靠的新型数字(液压)缸(已