飞行模拟器的运动规划与控制

论文摘要

飞行模拟器作为一种重要的航空仿真设备,应用于飞行员的训练,可以模拟飞行器的各种复杂的运动状态,为驾驶者提供真实飞行的感觉。与用真实飞机进行飞行试验相比,飞行模拟器具有可控性,无破坏性、经济性等优点。本文中的六自由度飞行模拟器采用Stewart机构作为运动平台,并采用液压驱动方式。通过控制6根阀控液压缸的长度及运动速度来改变上平台的位置和姿态,并可提供6个自由度的瞬时过载功能,从而实现模拟飞机俯仰、滚转、偏航、升降、纵向和侧向移动等运动特征及其动感。本文通过并联机器人的反解方法,考虑Stewart工作空间的影响,利用MATLAB编制运动学反解程序,计算出Stewart六种基本运动下各杆件的长度变化,为实现运动轨迹规划控制提供了基础。应用Pro/ENGINEER软件进行运动仿真,通过对机构进行运动学与动力学分析,借助耦合强度的概念,分析了机构的耦合特性,为实现机构的控制解耦奠定了基础。最后应用PID控制策略对单通道阀控缸系统进行了控制实验研究。通过对Stewart机构及其电液控制系统的研究,研究了机构运动学、动力学、轨迹规划、耦合分析和适应的控制策略等方面的一些关键问题,融合飞行模拟器的机电液系统于一体进行了理论与试验研究,研究结论对提高飞行模拟器的运动控制具有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 六自由度并联机构的研究概况
• 1.2.1 六自由度并联机构的国内外发展历程
• 1.2.2 六自由度并联机构的结构特点
• 1.2.3 六自由度机构的应用现状
• 1.3 并联机构关键技术的研究现状分析
• 1.3.1 机构学与结构设计方面
• 1.3.2 运动学方面
• 1.3.3 动力学及控制策略方面
• 1.4 本课题的研究内容
• 第2章 飞行模拟器的运动学反解与轨迹规划
• 2.1 飞行模拟器的运动分析
• 2.1.1 Stewart 机构坐标系的定义
• 2.1.2 Stewart 机构的位置反解
• 2.1.3 飞行模拟器工作空间的分析
• 2.2 飞行模拟器的轨迹规划
• 2.2.1 轨迹规划的概念及方法
• 2.2.2 在线轨迹规划方法
• 2.2.3 离线轨迹规划方法
• 2.3 飞行模拟器的轨迹规划实例分析
• 2.3.1 运动平台结构参数
• 2.3.2 运动平台工作空间
• 2.3.3 运动平台轨迹规划
• 2.3.4 运动平台仿真
• 2.4 本章小结
• 第3章 飞行模拟器的耦合特性分析
• 3.1 STEWART 机构的耦合特性概述
• 3.2 STEWART 机构动力学模型的建立
• 3.2.1 液压支路运动学分析
• 3.2.2 操作空间动力学方程
• 3.2.3 关节空间动力学模型
• 3.3 STEWART 机构通道间耦合特性分析
• 3.3.1 耦合强度系数
• 3.3.2 Stewart 机构耦合特性分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 飞行模拟器的控制器设计
• 4.1 STEWART 并联机构的控制策略
• 4.2 STEWART 机构单通道数学模型的建立
• 4.2.1 电子伺服放大器
• 4.2.2 D/A 转换器
• 4.2.3 电液伺服阀
• 4.2.4 液压缸的数学模型
• 4.3 PID 控制器的设计与仿真.
• 4.3.1 PID 控制器原理.
• 4.3.2 PID 控制器的设计.
• 4.3.3 PID 控制系统仿真.
• 4.4 本章小结
• 第5章 飞行模拟器的实验研究
• 5.1 飞行模拟器样机的参数
• 5.2 实验准备
• 5.2.1 传感器的标定
• 5.2.2 系统静特性测试
• 5.3 PID 控制实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介