六自由度汽车驾驶运动模拟器设计(共33页)

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1、精选优质文档-倾情为你奉上摘 要汽车驾驶模拟器是一种用于汽车产品开发、“人车环境”交通特性研究或驾驶培训的重要工具。近年来，由于具有安全性高、再现性好、可开发性强、成本低等显著特点，研究开发驾驶模拟器已经成为国内外一个重要发展方向。本文在查阅国内外大量资料的基础上，结合老师的研究课题主要对六自由度汽车驾驶模拟器液压系统部分进行设计。六自由度汽车运动模拟器采用液压伺服阀控制液压缸来驱动模拟平台的运动，以实现汽车驾驶模拟器运动姿态模拟。本文主要进行机械机构的设计、液压伺服系统设计、液压泵站设计和液压缸的设计等。通过模拟器的机构设计和驱动液压伺服系统设计，结合电气系统能够实现汽车在不同运行状态的模拟

2、，当驾驶员坐在驾驶舱系统的座椅上进行模拟驾驶时，完全能够感受到实际汽车驾驶的各种体感，为实车训练驾驶提供了可替代的模拟平台；本设计也为今后的进一步研究及其在娱乐模拟器、动感电影等产业的实际推广和应用方面奠定了基础。关键词：汽车驾驶模拟器 六自由度运动平台 液压伺服系统 运动姿态控制AbstractThe Automobile-driving i an important tool which used for the development of auto mobile product and the study of the transportation characteristics of

3、 “man-car-environment” or the driver training .In recent years, the study of the automobile-driving simulator used for development has become an important development direction in the world because of the notable characteristics of high safety, well reappearance of scene, easy to develop and low cos

4、t.This article is based on searching the large quantity of information about at home and abroad, and combines with the teachers research task which mainly designs the part of 6-dof driving Simulator of hydraulic system .The 6-dof motion simulator adopts valves of hydraulic servo to control actuator

5、to drive the movement of driving simulation platform, and to achieve the movement posture simulation of the automobile driving simulator. This article is mainly about the designing of machine, the system of hydraulic servo, hydraulic pump station, and actuator and so on.According to the designing of

6、 agencies of simulator and hydraulic servo system, it can combines the electrical system which can bring out the imitation of cars in different movement conditions, when the driver simulating drive on the seat of cockpit system, you can feel the feeling of driving a true car, and it also offer the s

7、imulator platform which can be replaced for true driving training. At the same time, this designing is also establishes for the further researches and the practice extension and use. Keywords: Driving-automobile simulator, 6-dof of motion platform, the system of hydraulic servo, the control of campa

8、ign attitude 专心-专注-专业目 录1 绪论 引言驾驶模拟器是一种用于汽车产品开发、“人车环境”交通特性研究或驾驶培训的重要工具。由于具有安全性高、再现性好、可开发性强、成本低等显著特点，近年来，研究开发型驾驶模拟器已成为国际上的一个重要发展方向。驾驶模拟器一般由硬件和软件两部分组成。以计算机成像的大型模拟器为例，其硬件系统一般包括驾驶舱、计算机、投射仪、显示屏、运动液压系统等，软件系统包括道路环境的计算机实时动画生成，汽车行驶动态仿真，声响模拟，网络控制，操作平台等。基本原理是由安装在驾驶舱的传感器将驾驶员的操纵信号传递到主控计算机，由主控计算机中的汽车模型软件计算出车辆瞬间的运

9、动位置及姿态，再将车辆运动参数不断地传到计算机图形工作站，由图像软件生成对应的连续变化的道路视景图，最后再由投射仪将视景图投射到驾驶舱正前方的屏幕上，以此同时，由主控计算机控制液压系统，使驾驶舱产生一定的运动，并模拟汽车噪声，给驾驶员一个接近真实的驾车感觉。这种模拟器规模大、造价高，主要用于汽车新产品的开发。如 Daimler-Benz 公司 80 年代建成的具有六个自由度的世界上规模最大的模拟器、美国交通部 93 年在IOWA 大学建立的大型驾驶模拟器、我国吉林大学汽车动态模拟国家重点实验实 97 年研制的我国第一台大型驾驶模拟器 ADSL等。另外一种模拟器规模比较小，有的采用了静止的驾驶舱

10、，极大地降低了成本。这类模拟器主要用于道路交通的研究，在欧洲和日本应用比较多。如日本大板产业大学通过近 30 年的研究、不断开发完善的用于驾驶员行为研究的小型液压式驾驶模拟器、瑞典 VDI 80 年代投资建成的具有大的侧向位移的驾驶模拟器、日本汽车研究所（JARI）93 年建成的带有体感模拟系统的驾驶模拟器，英国利兹大学 1997 年开发成功的固定式汽车驾驶模拟器等。还有一种驾驶模拟器更为简单，只是用于驾驶培训。国内外都有较多产品。这种模拟器一般不能进行二次开发，因而不能用于研究。研究型的汽车驾驶模拟器主要应用于汽车动力学研究和道路交通问题的研究两个方面。一般说来，大型模拟器主要用于汽车动力学

11、性能的研究；而中小型模拟器，更多的是用于研究道路交通问题。近年来，随着虚拟现实(VR)技术的迅速发展，在汽车驾驶模拟系统开发的过程中引入了虚拟现实技术。虚拟现实技术自 1989 年美国计算机科学家JaronLanier 提出后，发展十分迅速，并广泛应用于军事、航空航天、自动控制、医疗康复、教育娱乐等各个领域。虚拟现实的本质是客观事物在计算机上的一种仿真实现，“是一种由计算机全部或部分生成的多维感觉环境，给参与者产生各种感官信息，如视觉、听觉、触觉等，使参与者有身临其境的感觉，能体验、接受和认识客观世界中的客观事物”，虚拟现实具有“沉浸(Immersion)交互(Interaction)构想(I

12、magination)”三个基本特征。虚拟现实技术应用于汽车驾驶模拟系统中，就是通过计算机产生汽车行驶过程中的虚拟视景、音响效果和运动仿真，使驾驶员沉浸到虚拟驾驶环境中，并有实车驾驶的感觉，驾驶员根据虚拟驾驶环境提供的视觉、听觉、触觉感受，构想其驾驶动作，操纵模拟驾驶舱中的操纵机构，计算机根据驾驶员的操作状态，改变汽车在虚拟环境中的状态，其过程的不断循环，构成驾驶员虚拟驾驶环境之间的交互作用，实现汽车的虚拟驾驶，从而体验、认识和学习现实世界中的汽车驾驶。基于虚拟现实技术的汽车驾驶模拟系统极大地提高了系统的主动性、交互性和沉浸感等性能，给驾驶员更逼真的驾驶环境，对驾驶模拟器的各种应用提供了更为逼

13、真的效果。 国内外发展现状1.2.1 国内外研究和发展概述早在七十年代，美国等一些发达国家就把汽车驾驶仿真系统作为一种较为先进的汽车仿真工具广泛应用于产品设计开发、车辆和交通评价以及作为驾驶员培训工具应用于驾驶员培训中心。因此，不仅一些高等院校开发驾驶模拟系统，很多著名的汽车公司也投巨资开发驾驶模拟系统。这些模拟系统主要是面向产品开发和性能评价的，因而技术先进，造价也相对较高。例如，1985 年奔驰汽车公司首先建立了世界上规模最大的具有六个自由度的模拟器，并成功的应用于系列化高速轿车的开发中。瑞典的 VDI 也投资建立了规模较小的驾驶模拟器，用于车辆和交通系统的评价和开发。位于美国盐湖城的 I

14、-Sim 公司开发了主要用于卡车和大型车辆司机驾驶训练的驾驶模拟器。美国的 Hyperion公司开发了包括 VRS(Vection Reality System)系统在内的可以应用于车辆交通研究和驾驶训练应用的多个系列的模拟器。在国内，为改变我国驾驶训练的落后状况，我国曾先后引进了一些国外的驾驶模拟器，如由美国多轮公司进口的 L-300 被动式汽车驾驶模拟系统是比较有代表性的设备。但由于早期设备大多为被动式，并且不太适合我国的实际情况。同时又由于设备价格较贵，难以在国内推广使用。在这种情况下，我国也有一些公司开发了驾驶模拟系统，但大多数仍然是被动式的；有些产品虽然已经是主动式的，但由于早期选用

15、的开发工具和开发环境落后，难以真正实现三维图形技术，有速度慢、真实感差、系统升级困难等难以克服的缺点，因而难以形成推广规模。近年来，由于技术水平的发展，国内有许多家单位又开始了驾驶模拟器的研制和推广，主要集中在大专院校和科研院所。与此同时，与汽车驾驶模拟器的发展状况相似，国内对航海船舶模拟器、飞行模拟器、特种车辆（如坦克）驾驶模拟装置等的开发也都进入了一个新的阶段。而这些领域内的模拟装置在很多技术上都有共同点，可以相互借鉴，例如这些模拟装置都采用相同的开发技术和开发工具来实现其虚拟场景和控制的模拟；系统基本结构流程也都类似。在所有这些因素的带动下，越来越多的业内人士已经认识到模拟装置的重要性，

16、并在此领域内作了很多卓有成效的工作。在国内较早进行驾驶训练模拟器工程开发和商业应用的有中国航空精密机械研究所、吉林大学、南京大学、装甲兵工程学院、解放军汽车指挥学院、华中理工大学等。吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室在郭孔辉院士的领导下，从八十年代开始进行汽车驾驶仿真相关领域的研究工作，建成并投入使用了国内首创、有世界先进水平的主要用于工程应用的驾驶模拟系统。南京大学计算机系、装甲兵工程学院、昆明理工大学等单位近几年在驾驶训练模拟器研究方面也取得了很大进步，已经能够满足基本的使用要求，并且开始应用于驾驶训练。1.2.2 驾驶模拟器的应用和发展驾驶模拟器装置根据其用途、性能、要求等方面的不同，基

17、本上可以分为两类：一类用于产品开发和人-车-环境系统等基础研究的模拟装置（开发型驾驶模拟器或驾驶仿真器）；另一类是用于安全教育、交通规则教育和驾驶训练的模拟装置。它们都被用来模拟真实的车辆驾驶和运行过程，系统的基本组成原理也大致相同，但他们的应用领域、技术水平、成本以及由此产生的效果却有很大差别。开发型驾驶模拟器开发型驾驶模拟器（其系统组成及配置原理见图 1）是利用计算机，在电子、液压、控制等技术支持下，从人-车-环境闭环系统的整体性能出发，对汽车的主动安全性、操纵性能等进行仿真研究和开发的大型试验装备。典型的开发型驾驶模拟器投资巨大，但功能组成却非常全面。它一般由运动模拟系统、视景模拟系统、

18、控制操纵系统、音响模拟系统、触感模拟系统及性能评价系统组成。模拟实验时，真实的汽车（或驾驶室）装入模拟舱，驾驶人员在车内根据提供的交通视景操纵汽车，计算机采集操作信息后，实时运算出汽车的瞬时运动状态，控制运动模拟系统驱动模拟舱生成运动感觉，控制视景系统生成模拟场景，控制声响系统产生各种汽车运动噪声，控制触感模拟系统产生各种操作部分的反力，预测或验证整个系统的性能，从而对其进行设计改进。其主要特点是：无风险的试验 在驾驶模拟器上不仅可以进行通常工矿下的测试试验，还可以进行危险、极限工矿下的试验，如侧滑、甩尾、高速失控等；通过无风险、低成本的实验方法获取其它方法难以取得的实验数据。实验重复可用 利

19、用驾驶模拟器进行的实验过程可人为控制，可以重复相同的实验条件，从而提高了利用人进行主观评价的置信度，这是场地汽车性能试验难以实现的。 真实的人-车界面 由于目前驾驶员及其动作、感觉、反应、判断还不能完全用数学的方法定量描述，在驾驶模拟器中，各个控制操作部件都被连接到计算机，对人的视觉、听觉、运动感觉进行模拟，真实的模拟人-车系统的性能。目前，开发型驾驶模拟器主要用于：车辆安全性能设计 在开发型驾驶模拟器上，可以任意设定高速、临界的实验条件，无风险进行全工矿仿真，成为当前高速安全性能设计必不可少的工具。车辆控制系统开发 目前，世界上的开发型驾驶模拟器都在从事车辆控制系统的试验开发，利用模拟器研究

20、新的控制规律和机理，或对新开发的系统进行检验和评价。道路性能验证和设计 通过人工设定道路场景，开发型驾驶模拟器可以用来分析道路曲线段和驶入驶出过渡路段的事故率，分析指示设施的位置等对路段事故率的影响，为道路设计和施工提供参考。交通法规和理性的检验 再现已发生的交通事故，对事故责任进行辅助分析，检验交通规则的合理性，为制定交通规则提供理论依据。 课题任务本课题主要是设计汽车模拟驾驶系统及支撑它的运动模拟平台。使操作者有身临其境的驾驶感觉。具体参数如下：（1）6自由度运动模拟器运动幅度分别是：滚动和仰俯角度各为15；转动角度为20；垂直位移为130mm；前后位移为150mm；左右位移为150mm。

21、（2）运动模拟器承重：1吨（3）运动在线模拟及同步记录频带：3Hz。 论文的主要研究内容本文在查阅国内外大量资料的基础上，结合老师的研究课题主要对六自由度汽车驾驶模拟器液压系统部分进行设计。(1)系统总体结构的制定：其中包括系统要求，机械部分和电气部分的制定。(2)机械机构设计：包括模拟驾驶系统的机械机构设计及运动模拟平台主要是液压系统的设计。(3)电气原理的设计：其中包括单片机及扩展芯片系统设计。(4)总结：包括设计小结及参考文献等。2 运动学及力学分析 六自由度运动模拟器机构位置反解2.1.1 坐标系的建立为了清楚地描述台体的运动，选取两个坐标系，即体坐标系 OXYZ 和静坐标系 O X

22、Y Z ，如图 2-1 所示。选取体坐标系(又称动坐标系)的坐标原点为载体和平台的综合质心，坐标固定在台体上，坐标轴的方向与台体的惯性主轴方向平行，载体的安放也使其惯性主轴与体坐标系的坐标轴相平行。将静坐标系(又称参考坐标)固定在大地上。在初始位置时，静坐标系 O X Y Z 与体坐标系完全重合。静坐标系实际上是体坐标系的参考对象，当平台运动时，以大地为参照物，静坐标系是不动的。对于体坐标系，相对于台体来说它是不动的，当以大地为参照物时，它随着平台位置的变化而变化。2.1.2 广义坐标定义体坐标相对于静坐标的位置可以用广义坐标 来描述，q的分量为qi(i=1,2,.6)。其中q1,q2,q3为

23、体坐标与静坐标的三个姿态角，q4,q5,q6为坐标原点O在静坐标系O X 、 O Y、 O Z 三轴上的坐标。姿态角的定义如图 2-2 所示。 图中 偏航角 q3体轴OX在平面X O Y 上的投影OX1与 O X 间的夹角；纵摇角 q2 OX 轴与平面X O Y 的夹角；横摇角 q1体坐标中 XOZ 平面与通过 OX 轴的铅垂面间的夹角。2.1.3 坐标变换矩阵在体坐标与静坐标之间，存在一个齐次变换矩阵。由静坐标系到体坐标系坐标变换的次序为：第一次沿 O X 向平移 q4，变换矩阵为 (2-1) 第二次沿 O Y 向平移 q5，变换矩阵为 (2-2) 第三次沿 O Z 向平移q6，变换矩阵为

24、(2-3)三次平移后，坐标系 O X Y Z 平移到 OX Y Z ，接着进行三次旋转变换。第一次绕 OZ 轴旋转偏航角 q3，变换矩阵为 (2-4)上式中， sin(qi)简写为 sqi， cos(qi)简写为 cqi （i=1，2，6），以后分析中均如此简化。第二次绕 OY1 轴旋转纵摇角 q2，变换矩阵为 (2-5)第三次绕 OX 轴旋转横摇角 q1，变换矩阵为 (2-6)综合以上各个变换，即可以得到由静坐标系到体坐标系的坐标变换矩阵T 为 (2-7)2.1.4 液压缸铰支点坐标的确定六自由度运动模拟器结构参数示意图如图 2-3 所示 图中A1A6 液压缸上铰点；B1B6 液压缸下铰点；

25、A1B1A6B6 表示第一第六号液压缸；K0 台体上台面的中心点；Om 负载质心；OM 台体质心；G0 系统(包括负载和台体)的质心；l1 液压缸上铰点A1A2、A3A4、A5A6之间的距离；l1 液压缸下铰点B2B3、B4B5、B6B1之间的距离；l3 液压缸上铰支点A2A3、A4A5、A6A1之间的距离；l3 液压缸下铰支点B1B2、B3B4、B5B6之间的距离；l2 液压缸上下铰支点间初始长；M 台体质量；m 负载质量；ha 台体上铰支点中心到台体质心的距离；h0 系统质心到台体质心的距离；hm0 负载质心到台体质心的距离；hm 负载高度；hM 台体高度需要说明的是，图 2-3 并不是严

26、格的机械图，下面图并不是上面图的俯视图，之所以这么画，是为了清楚表达液压缸的铰支点与台面和底座的连接关系。用矩阵A来表示液压缸缸筒上端铰支点Ai(i=1，2，6)在动坐标系中的坐标向量。矩阵A第一列的第一行至第三行元素分别表示A1点在动坐标系中的X轴、Y轴和Z轴的坐标，其余列的意义与第一列的意义类似。经过运算可得 （2-8）式中 h1 =ha +h0将矩阵 A 写成齐次坐标的形式为 (2-9) 2.1.5 位置反解液压缸活塞杆的伸缩量(即位移)可由液压缸的上下铰支点之间的距离减去铰支点初始长 L2来确定。铰支点间距离的计算公式为 (2-10)式中，gki 为 A 矩阵变换到静坐标系后所得各点对

27、应的坐标，其计算公式如(2-10)所示。液压缸活塞杆的伸缩量为 (2-11) 六自由度运动模拟器机构位置正解六自由度运动模拟器机构的位置正解，是在已知六个液压缸的位置的情况下，求解运动平台的位置和姿态。结合式(2-10)和式(2-11)可得 (2-12) 令 （2-13） 从而到一个线性方程组，解此非线性方程组，即可求出qi( i=1,2,.6) 静力学分析静力学分析是指运动平台处于某一位姿时，各个主动关节所受的外力。对于六自由度运动模拟器来说，指的是当上平台处于某一位置和姿态时，个液压缸所需的输出力。因为当台体静止时，系统的惯性力为零。我们忽略液压缸自身的质量，所以各个液压缸所需的出力的合力

28、就等于上平台的重力。即 (2-14)其中 fi为各个液压缸的出力。3 机械及液压部分设计 运动模拟平台的设计3.1.1 液压缸内壁D活塞杆直径d的计算根据主机的要求，按机械设计手册（表）选择双作用液压缸。按机械设计手册（表）选择法兰型。液压缸工作压力主要根据液压设备的类型来确定，对不同用途的液压设备，由于工作条件不同，通常采用的压力范围也不同。设计时，可用类比法来确定。根据液压系统简明手册选取本设备的工作压力为：P=1016MPa ,当液压缸工作压力选取/=，工作压力P=16时。根据经验算法， 液压缸的推力 （3-1）根据液压系统设计简明手册单活塞杆液压缸的计算过程。由图3-1可知 图3-1

29、（3-2）式中液压缸工作压力，初算时可取系统工作压力液压缸回油腔背压力，初算时无法准确计算，可根据液压系统简明手册表2-2估计；/活塞杆直径与液压缸内径之比，可按液压系统简明手册表2-3选取；工作循环中最大的外负载；液压缸密封处摩擦力，它的精确值不易求得，长用液压缸的机械效率进行估算。液压缸的机械效率，一般=。将带入（3-3），可求得为 （3-3）活塞杆直径可由/值算出。根据机械设计手册活塞杆长度小于或等于10倍的缸径，不能确定速比时，可按照下式计算：实心杆 m (3-4) （2-4）本系统选用第二种作法，带入数值。 （3-5） (3-6)根据液压缸尺寸系列选取液压缸内径为。3.1.2 液压缸

30、壁厚和外径的计算根据液压系统设计简明手册，液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径与其壁厚的比值的圆筒称为薄壁圆筒。起重运输机械和工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算 （3-7）式中液压缸壁厚（m）;液压缸内径（m）;试验压力，一般取最大工作压力的（）倍（MPa）;缸筒材料的许用应力。其值为：锻钢：=110120MPa;铸钢：=100110MP无缝钢管：=100110MPa;高强度铸铁：=

31、60MPa;灰铸铁：=25MPa所以 选取无缝钢管=100110MPa为保证液压缸壁厚达到要求，确定液压缸壁厚=7.5mm,液压缸壁厚算出后，即可求出缸体的外径为 （3-8）式中值应按无缝钢管标准，或按有关标准圆整为标准值。所以3.1.3 缸盖壁厚的确定根据液压系统设计简明手册， 一般液压缸多为平底缸盖，当有孔时其有效厚度t按强度要求可用下式进行近似计算 （3-9）缸盖有效厚度（m）;缸盖止口内径（m）;缸盖孔的直径（m）。mm3.1.3 液压缸工作行程的确定液压缸工作行程长度，可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，并参照液压系统简明手册中表2-6中的系列尺寸来选取标准值。为了满足本设计的要

32、求，选取液压缸的工作行程为460mm。3.1.4 缸体长度的确定液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外型长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的2030倍。本设计根据经验取液压缸缸体长度为687mm。3.1.5 液压系统的计算（1）泵的工作压力的确定。考虑到正常工作中进油管路有一定的压力损失，所以泵工作压力为 （3-10）式中液压泵最大工作压力执行元件最大工作压力进油管路中的压力损失，初算时简单系统可取,复杂系统取,本设计取1MPa。 （3-11）上述计算所得的是系统的静态压力，考虑到一定的压力贮备量，并确保泵的寿命，因此泵的额定压力应满足 （3-12

33、）中低压系统取小值，高压系统取大值。本设计中(2)有杆腔工作面积及流量液压缸有杆腔的工作面积为 （3-13）当杆伸出时液压缸所需的流量 （3-14）（3）泵的流量确定液压泵的最大流量应为 （3-15）式中液压泵的最大流量；同时动作的各执行元件所需流量之和的最大值。如果这时溢流阀正进行工作，尚须加溢流阀的最小流量23L/min； 系统泄露系数，一般取=,现取=所以 （4）选择液压缸的规格。根据以上计算得到的和再查阅机械设计手册，现选用CBFE100式齿轮泵。该泵的基本参数为：每转排量，泵的额定压力，电动机的转速，容积效率，总效率。（5）与液压泵匹配的电动机的选定。首先分别算出活塞杆伸出和缩回两种

34、情况下的功率，取两者较大值作为选择电动机规格的依据。由于在慢进时泵的输出的流量减小，泵的效率急剧降低，一般当流量在1 范围内时，可取同时还应注意到，为了使所选择电动机在经过泵的流量特性曲线最大功率点时不至于停转，需进行验算，即 （3-16）式中所选电动机额定功率；限压式变量泵的限定压力；压力为时，泵的输出流量。首先计算活塞杆伸出时的功率，伸出时的外负载为2500N，进油路的压力损失定为,由式（1-1）可得： （3-17）杆伸出时所需电动机功率为 （3-18）查阅电动机产品样本，选取型电动机，其额定功率为,满载转（6）确定管道尺寸油管内经尺寸一般可参照选用的液压元件接口而定，也可按管路允许流速进

35、行计算。本系统主油路流量为差动流量，压油管的允许流速取，则内径为 （3-19） 液压泵站液压泵站是液压系统的重要组成部分（动力源）。它向液压系统提供一定压力、流量的工作介质。在液压泵站上必须的液压阀可以直接控制液压执行元件工作本设计方案选用液压伺服驱动。对比气压驱动、电气驱动等其他的驱动方式，液压驱动在动力性能方面占有很大的优势。一个体积与能搬送 1424kg 有效载荷的气动或电动系统相当的液压系统，可以搬送 120140kg 的负载，而且还有气动和电气系统相当的精度和响应速度。另外，液压油能对运动部件起到润滑作用，并通过油液的流动把热量带走，实现统的自冷却，以延长元件的使用寿命。采用液压驱动

36、机构还可以得到较大的速度范围，特别是在低速特性方面，比电机驱动要好，对模拟器平台来说这是非常重要的。液压油弹性模量大，液压弹簧刚度高，因而闭环系统的定位刚度很大，位置误差比较小。利用液压系统集成回路可以把液压系统设计得相当紧凑，减少模拟器驱动系统所占用的空间。由于平台的静负载为 1 吨，采用液压驱动方式，不仅能满足功率和控制精度要求，从结构上来看，转台的 6 根杆件的伸缩控制可用 6个阀控液压缸来实现，液压缸是直线位移式驱动，其运动与杆件所要求的运动相吻合，结构非常紧凑，避免了间接驱动转台控制的麻烦，容易获得较高的控制性能。如果采用电机驱动，不仅由于负载大使得电机本身机构庞大，而且还需要加速装

37、置和一套旋转直线位移转换装置，使系统结构复杂庞大，难以控制。液压泵站主要有液压站控制柜、液压泵组、消声器、滤油器、控制阀件、冷却系统组件、油路集流块、温度及压力检测仪表、油箱及管路系统等部件组成。平台在作各种不同运动时所需液压油流量变化很大，这会导致液压源压力大幅度波动，影响平台控制精度。因此，如何提高液压泵站的效率，减小油源的发热，是设计液压泵站的首要考虑的因素。选用恒压式变量泵是提高液压系统效率、减小系统发热的一个行之有效的措施。该方案在国外先进的六自由度平台系统中得到了广泛的应用。同时，考虑到调试工作的方便和平台运行的实际需要，液压泵站选用两台液压泵，能各自单独运行，也可同时运行。液压泵

38、站的最大流量与系统蓄能器所提供的流量之和，应能满足平台作高速运动时的流量要求。当平台以 0.8m/s 速度垂直上升时，所需流量最大，为 890L/min，液压泵站能够提供的最大理论流量为 800L/min。为解决泵站流量不足，同时兼顾平台性能的储备和现有的液压泵站的规格，系统中采用了三个额定容积为 63L 的畜能器，作为短期峰值流量的油源，向系统提供必要的流量。泵站的工作压力，满足伺服阀的输出流量要求，设定为 1014Mpa。液压泵站自备控制柜，可以由控制柜进行控制或由主控柜进行控制。 铰链的设计铰链是连接液压缸和上下平台的重要部件，不仅要承受较大的作用力，同时还要能够提供两个自由度的灵活运动

39、如图3-1-1所示。根据对平台受力极限情况的分析，以及液压缸在作过程中的极限摆动角，确定上、下铰链的额定拉力及推力。为了确保平台运动的平滑性，铰链与平台的连接装配必须保证较高的装配精度，不允许出现过大的配合间隙，以免影响到平台的运动。 图3-1-1本设计是采用虎克角连接液压缸连接上下平台图 3-2 是缸筒下部的连接叉，两个联接耳通孔的对称中心置于坐标原点，缸筒轴线在 Y 轴上，销轴轴线在 Z 轴上。图 3-2缸筒下部连接叉图3-3是下铰座的定义，下铰点置于坐标原点，铰孔轴线在 X 轴上，铰轴底平面与 Z 轴垂直。 图3-3下铰座图 3-4 是下铰轴的定义，通孔的中心置于坐标原点，下铰轴线在 Y

40、 轴上，孔的轴线在上 图3-4下铰轴图 3-5 是上铰轴的定义，通孔的中心置于坐标原点，下铰轴线在 Z 轴上，孔的轴线在上 图3-5上铰轴图 3-6 是活塞杆联接叉的定义，两个联接耳通孔的对称中心置于坐标原点，杆的轴线在上 图3-6活塞杆连接叉图 3-7 是上铰座的定义，中两个上铰点连线的中心置于坐标原点，两个上铰点的连线在Z轴上，座的上平面与 X 轴垂直 图3-7上铰座 执行机构单元组成摇动装置一般为六杆并行支撑的上下平台机构，运动副有转动副、移动副、等。运动的输入方式大致可分为直线输入和旋转输入 图3-8本文所讲得六自由度摇动装置的机械本体由动平台、万向铰、液压、基座几部分组成，如图 3-

41、8所示。由图可知，6-DOF 摇动装置是通过 6 条支路连接上下两平台而成的。驱动方式为液压缸驱动的直线式运动。 电液伺服控制单元与液压系统六自由度摇动装置是液压驱动，由六个液压缸控制动平台的六个自由度，使动平台可以在六个自由度上运动(平动与转动)，整个液压系统由液压站、油路、电液伺服阀、电液伺服控制器和液压缸组成。如图 3-9所示 图3-9 图3-10电液伺服阀及其控制器是电液伺服控制单元的核心，由它来实现对液压缸的流量控制即实现对液压缸的位置控制和换向控制。电液伺服阀的控制器组成结构如图 3-10所示。它把输入的小功率电信号转换为阀的运动，而阀的运动又去控制流向液压执行元件的油液的压力与流

42、量，以实现对电-液信号的转换和放大以及对液压执行元件的控制，其原理如图 3-11 所示。电液伺服阀具有控制精度高、灵敏、动态性能好、响应快、频带宽的优点，不足之处是造价高以及对油液的清洁度要求高。 图3-11电液伺服系统利用电子、电器元件传递信号迅速，传送能量迅速的特点，用它作为信号比较，放大和反馈检测等元件。同时又利用液压执行元件输出功率大、结构紧凑的特点作为动力元件，因此，电液伺服系统具有良好的动、静品质。 反馈单元反馈单元起到将系统的输出量进行数据采集，并将其采集的数据传送给系统输入端，以进行系统的闭环控制。本系统反馈单元主要的元件为位移传感器，它将液压缸的位置信号采集后传送给控制计算机

43、，实现系统的精确控制。因此，反馈单元是位置伺服控制系统不可缺少的环节。4 电气部分设计 电气原理及接口设计4.1.1 MCS-51系列单片机的引脚及其功能该系统选用MCS-51系列中的8031，8031是一个具有40根引脚的双列直插式器件。如图所示：编程和正常操作时的电源电压为+5V。：地电平。：一个8位开漏双向I/O口，它访问外部存储器的低8位地址和数据总线，在程序检验时它也输出指令字节，口能吸入8个LSTTL输入。口：具有提升电阻的8位双向I/O口，专供用户使用，在程序检验时它也接收低位地址字节，口能吸入/输出3个LSTTL输入。口：具有提升电阻为8位双向I/O口，供系统扩展时作高8位地址

44、线用。在没有外部存储器扩展时，它也可以为用户I/O口线使用。在程序检验时，它也接收高位地址和控制信号。口能吸入/输出3个LSTTL输入。口：具有提升电阻为8位双向I/O口，该口的每一位单元可以独立地定义为第一I/O口功能或第二I/O口功能。作为第一功能使用时，口的结构与操作与口完全相同，第二功能如下所示： 口引脚 第二功能 （串行输入口） （串行输出口） （外部中断） （外部中断） （定时器0外部输入） （定时器1外部输入） （外部数据存储器写选通） （外部数据存储器读选通）口能吸入/放出3个LSTTL输入。：访问外部存储器时，用于锁存地址低字节的地址锁存允许输出。ALE主要是提供一个定时信号

45、，在从外部程序存储器取指时把口的低位地址字节锁存到外接的锁存器中，每一个机器周期ALE二次有效这个引脚也是EPROM编程时的编程脉冲输入。：程序存储器允许输出，是外部程序存储器的读选通信号。在工外部程序存储器取指时，每个周期有效二次，在从内部程序存储器取指时，无脉冲。：EA为高电平时，CPU执行北部程序存储器的指令。为低电平时，CPI仅执行外部程序存储器的指令。使用8031时，必须接地。8751EPROM编程时，这个引脚为21V编程电源输入端。：震荡器的反相放大器输入，使用外部震荡器时必须接地。：震荡器反相放大器输入和内部时钟发生器的输入，使用外部震荡器时用于输入外部震荡信号。：复位控制，在震

46、荡器运行时，使RST脚至少保持两个机器周期为高电平，可实现复位操作。CPU通过执行内部复位来响应，在RST为高的第二周期时执行内部复位。在关断前加上VPD,RAM的内容将不变 图4-14.1.2 单个电液伺服液压缸位置控制电路设计以控制一个液压缸的位移为例来说明六自由度平台的位移控制工作原理。其原理图如图所示，首先由位移传感器测量出液压缸活塞杆的位移并以模拟电信号的形式提供给单片机，单片机通过A/D转换器得到当前液压缸活塞的位移，得到这位移量后经控制算法得到数字控制量，这个数字控制量经D/A转换器转换成模拟电信号，并输入电液控制系统从而达到位移随动控制的目的。 图4-2在进行电气控制系统设计时

47、，首先确定I/O接口路数、A/D、D/A转换通道数以及选定了所需要的输入、输出接口器件的基础上，接着就是进行电路设计。将选用的单片机和相应的接口以及有关器件按系统要求组成一个系统的电路连接图。4.1.3 扩展电路片外程序存储器可由多片EPROM组成。如图4-3所示，以P2口的一个引角来解决两片EPROM的片选问题，按图示的情形，左边一个EPROM的编址是低8K个单元（0000H1FFFH），右面一片EPROM的编址为高8K个单元（2000H3FFFH）。 图4-3 电气原理图图4-45 结论 本文结论本文在查阅国内外大量资料的基础上，主要对六自由度汽车驾驶模拟器液压系统部分进行设计。通过本学期

48、的毕业设计及本文的研究，可得如下结论：1、六自由度汽车运动模拟器采用液压伺服阀控制液压缸来驱动模拟平台的运动，以实现汽车驾驶模拟器运动姿态模拟。它可以模拟各种不同的路况。2、本系统采用的液压缸是通过严格计算设计的，完全符合本系统的各方面的要求。可以真实的把各种路况反映出来。3、当驾驶员坐在驾驶舱系统的座椅上进行模拟驾驶时，完全能够感受到实际汽车驾驶的各种体感，为实车训练驾驶提供了可替代的模拟平台。4、本设计也为今后的进一步研究及其在娱乐模拟器、动感电影等产业的实际推广和应用方面奠定了基础。5、采用单片机作为核心控制系统，使控制简便，并可在恶劣环境下工作，满足了一般工业要求。由于六自由度运动平台

49、的研制涉及机械、液压、计算机、传感器、空间运动数学模型、实时信号传输处理，在图形显示动态仿真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、研究所在液压和控制领域中水平的标志性象征。 本文研究工作的不足 如果要使本系统达到一个比较真实的效果，视觉仿真系统能让驾驶员有一种身临其境的感觉，由于个人能力有限视觉仿真系统有待于研究和开发。参考文献1 刘朝儒，彭福荫，高政一主编.机械制图，第四版，机械工业出版社，2000，12.2 杨培元，朱福元主编.液压系统设计简明手册,机械工业出版社,1999,12.3 姚其昌，基于六自由度的汽车驾驶虚拟现实系统的开发，硕士学位论文.4 于晓辉主编.汽

50、车驾驶智能模拟培训教程，北京机械工业出版社，2003.5 王洪瑞，液压六自由度并联机器人运动控制研究，博士学位论文.6 徐志生主编.汽车理论，第4版，机械工业出版社，2006，5.8 刘小初，六自由度运动模拟器结构参数分析设计，硕士论文.9 邓堤，唐可洪主编.机电一体化设计，机械工业出版社，2001，3.10 姜培刚，盖玉先主编.机电一体化系统设计，机械工业出版社，2003，9.11 徐惠民，安德宁编著.单片机微型计算机原理、接口及应用，北京邮电大学出版社，2000，8.12 王积伟等主编.液压与气压传动，第二版，机械工业出版社，1999，10.13 丁元杰主编.单片微机原理及应用，机械工业出

51、版社，1993，12.14 机械设计手册，第4卷，机械工业出版社.15 付百川，范秀敏，何其昌.自行车模拟器的体感模拟算法 J.机械设计与研究， 2004，20（6）：6164.16 李营，黄海东，姚其昌，姚敏等.六自由度驾驶模拟器视景仿真系统研究J .武汉理工大学学报，2005，29（3）：388391.17 杨世祥，杨涛，徐悦桐.大型数字式六自由度运动平台的开发 J.液压与气动，2003（8）：4647. 18 L. BEJI and M. PASCAL The Kinematics and the Full Minimal Dynamic Model of a 6-DOF Paralle

52、l Robot Manipulator J. Nonlinear Dynamics,1999,(18):339356.19 吴宗泽，罗圣国主编.机械设计课程设计手册，第二版，高等教育出版社，1998，12.20 王茁，李颖桌，张波主编.机电一体化系统设计，化工工业出版社，2005，2.致 谢本文是在指导教师XXX教授的精心指导下完成的。并在论文工作期间多次得到张祝新教授的指点，为了培养我独立分析和解决问题的能力，为了使我能够如期按质按量完成论文，XXX老师严格要求、精心指导。在此，对老师的悉心培养致以最衷心的感谢。毕业设计终于圆满的结束拉，但这仅仅一个开始，通过这一学期的毕业设计，我从中学到了许多东西，相信这些东西会让我在工作中受益匪浅。在以后的生活和学习工作中我会更加认真、努力去完成每一项任务！最后，对老师对我的帮助致以最诚挚的谢意！