[發明專利]一種起重機模擬器體感模擬方法與裝置

有效

• 申請號: 201610860120.8
• 申請日: 2016-09-28
• 公開（公告）號: CN106327945B
• 公開（公告）日: 2019-04-30
• 發明（設計）人: 陸后軍;郭貴輝;萇道方;胡繼寶;林丹萍
• 申請（專利權）人: 上海海事大學
• 主分類號: G09B9/04
• 分類號: G09B9/04
• 代理公司: 上海三和萬國知識產權代理事務所(普通合伙) 31230
• 代理人: 陳偉勇

1.一種起重機模擬器體感模擬裝置，其特征在于：所述裝置為三自由度并聯結構，包括下框架、導軌架、上框架、聯動臺以及驅動機構，驅動機構包括電動缸、伺服電機以及作動桿；下框架與地面固定連接，用于支撐整個平臺；導軌架用于固定軌道、滑套以及驅動裝置的安裝，下層導軌架下側與下框架焊接在一起，下層導軌架上側鋪設橫向導軌，與中層導軌架下側安裝的滑套相配合，中層導軌架上側鋪設縱向導軌與上層導軌架下側安裝的滑套相配合，上層導軌架上側與上框架焊接在一起；聯動臺鉸接在上框架上，聯動臺下方為滑桿機構，可以將電動缸的直線運動轉換為聯動臺的傾斜運動；下層導軌架、中層導軌架、上層導軌架各安裝一臺電動缸，電動缸驅動桿與作動桿同軸相連，作動桿與中層導軌架、上層導軌架、聯動臺滑塊之間通過聯軸器連接；三套驅動裝置彼此獨立，各運動機構互不干涉；上框架用于承載聯動臺、操作人員；聯動臺是模擬器向操作人員提供操作功能的裝置，固定在上框架上，隨著上框架運動而運動；所述的起重機模擬器體感模擬裝置的起重機模擬器體感模擬方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟一：模擬器駕駛員，通過視景系統感受到周邊環境，并獲得目標任務后，對運動平臺發出控制指令；

步驟二：通過起重機動力學模型，輸入起重機機構運動的加速度，駕駛員的加速度感覺通過比力來衡量，將得到的比力形式的輸入通過人體感知模型獲得體感比力，通過坐標變換來確定人體感知處的物理量，即將運動平臺質心加速度轉換到人體前庭部位的加速度，通過高通濾波器對比力信號進行處理得到輸出信號；

步驟三：將輸出信號通過控制模塊對驅動設備進行控制，保證各運動機構在設定范圍內運動；通過調整運動平臺位姿，包括上層導軌架與中層導軌架的直線運動以及聯動臺的傾斜補償運動；聯動臺鉸接在上框架上，因此聯動臺隨上框架的橫向、縱向直線運動而運動，從而直接模擬起重機大車、小車運動過程中瞬時加速度；聯動臺按照輸入旋轉特定角度所產生的重力加速度分量，補償了持續加速度運動感覺；位于聯動臺的模擬器駕駛員所感受的各機構運動的疊加運動，模擬出逼真的體感效果；

步驟四：由模擬器動力學模型模塊處理得到運動平臺的運動信息后，通過真實起重機駕駛室運動信號與模擬器信號比對，得出真實體感與運動平臺體感之間的體感誤差；將體感誤差、體感誤差變化率作為輸入信號，通過模糊PID控制進行反饋整定控制參數，從而優化控制環節的控制參數，優化過程通過加速度逼真度系數、加速度懲罰項系數、位移懲罰項系數以及增益懲罰項系數來迭代優化；與此同時，駕駛員在身體感知與任務的驅使下，對運動平臺重新發出指令，從而構成運動平臺的閉環系統；

模糊PID控制的具體步驟為：真實起重機產生的物理量為M_A，經過體感模型計算得到的真實起重機提供的運動感覺為M_R；而體感模擬裝置提供的運動感覺為M_S，將M_S-M_A所得為體感誤差e，進一步得到ec為體感誤差變化率；將體感誤差e以及體感誤差變化率ec作為輸入信號，對控制過程權重系數進行實時反饋調整，輸出模糊變量為K_p、K_I、K_D，調整后的權重系數改善模擬逼真度、有限運動空間范圍、相一致運動時間以及控制穩定性、輸出響應等方面的性能；

所述的比力描述為：考慮重力加速度的影響，體感模擬采用比力衡量，處理方式為：輸入加速度a與重力加速度g相減得到比力f，數學表達為f＝a-g；

所述的人體感知模型為：采用數據模型來描述人體前庭系統，從而滿足體感模擬控制過程的要求；人體前庭系統簡化為半規管和耳石，半規管用于感知角速度，耳石用于感知線加速度；半規管和耳石采用傳遞函數的形式建立數學模型，便于控制環節設計；耳石模型相應傳遞函數為：

半規管模型相應傳遞函數為：