多自由度运动模拟器动力学建模及控制研究

论文摘要

随着自动化技术和机械加工技术的进一步发展,许多国家都很重视多自由度运动模拟器的研究,多自由度运动模拟器应用于模拟飞行器及船舶等的摇摆运动,它的动力学以及控制方法的研究,一方面有利于运动模拟器的设计和制造,另一方面可以直接应用于实际运动模拟实验。它的发展水平标志着一个国家航空、航天、航海、路面运输及战车性能等方面的发达程度。本文研究的是多自由度运动模拟器,该运动模拟器由三轴转台和六自由度并联运动模拟器组成。六自由度并联运动模拟器可以实现空间的六自由度运动,三轴转台的外框、中框和内框可以实现无限制转动,利用三轴转台可以达到六自由度并联运动模拟器不能达到的空间,这样的组合可以延伸到空间的任何位置,从而弥补了以上两种运动模拟器单一运动时的范围限制,使得此项研究更具有理论意义和实际价值。本文首先对运动模拟器在国内外的发展进行了介绍,然后对六自由度并联转台和三轴转台进行运动学分析,求得其速度、加速度、角速度和角加速度,之后利用KANE法对混合转台进行动力学建模,计算出六个液压杆的驱动力和三个轴的轴力矩,再根据并联运动模拟器动力学反解容易的特点,通过对反解得到的力进行控制,达到对其运动位姿进行控制的目的,对电机以及液压杆进行力控法的简单研究,来说明力控法的可行性与不足之处。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 运动模拟器研究的状况
• 1.1.1 国外运动模拟器的发展状况
• 1.1.2 国内运动模拟器的发展状况
• 1.2 运动模拟器研究的意义
• 1.3 本文研究的内容
• 第2章 基本理论
• 2.1 模型的建立
• 2.2 方向余弦阵
• 2.3 坐标分析
• 2.4 广义坐标描述位姿
• 2.4.1 平动的广义坐标描述位姿
• 2.4.2 上台体绕自身体轴转的广义坐标描述位姿
• 2.4.3 外、中、内绕自身体轴转的广义坐标描述位姿
• 2.5 齐次坐标转换
• 2.6 本章小结
• 第3章 多自由度运动模拟器运动学理论
• 3.1 上台体运动学
• 3.1.1 上台体质心的速度、加速度
• 3.1.2 上台体的角速度、角加速度
• 3.2 三轴转台运动学
• 3.2.1 外环的角速度、角加速度
• 3.2.2 中环的角速度、角加速度
• 3.2.3 内环的角速度、角加速度
• 3.3 驱动杆运动学方程建立
• 3.4 本章小结
• 第4章 多自由度运动模拟器动力学分析
• 4.1 KANE方法
• 4.1.1 Kane方法的优点
• 4.1.2 Kane方程的一般形式
• 4.2 模拟平台的广义主动力
• 4.2.1 六个液压杆的广义主动力
• 4.2.2 三个环的广义主动力
• 4.3 模拟平台的广义惯性力
• 4.3.1 底部平台的广义惯性力
• 4.3.2 外、中、内三环的广义惯性力
• 4.4 本章小结
• 第5章 运动学与动力学仿真与结果分析
• 5.1 多自由度运动模拟器参数的设定
• 5.2 计算机仿真与结果分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 力控法研究
• 6.1 力控法简介
• 6.2 电动机力控法研究
• 6.2.1 控制电动机的选取
• 6.2.2 电动机参数选择以及模拟仿真
• 6.3 液压杆力控法研究
• 6.3.1 液压杆的特性及其的数学模型
• 6.3.2 液压杆参数选择以及模拟仿真
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢