基于三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)采集研究

摘要：根據(jù)三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的原理和結(jié)構(gòu)，面向市場(chǎng)需求，研究設(shè)計(jì)了一款三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)數(shù)據(jù)采集裝置，可以廣泛應(yīng)用于5D影院、軌道影院、仿真模擬駕駛、飛行駕駛模擬、航海駕駛模擬、虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)感體驗(yàn)等領(lǐng)域，具有很高的市場(chǎng)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：三自由度；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：TH122? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）12-0032-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.12.008

0? ? 引言

三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是一種空間并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它由三只電動(dòng)缸，上下各六只萬向鉸鏈和上下兩個(gè)平臺(tái)組成，下平臺(tái)固定在基礎(chǔ)上，借助三只電動(dòng)缸的伸縮運(yùn)動(dòng)，完成上平臺(tái)在空間三個(gè)自由度（X，Y，Z）的俯仰、滾轉(zhuǎn)、升降運(yùn)動(dòng)，從而可以模擬出各種空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的參數(shù)復(fù)雜性，其動(dòng)力學(xué)模型通常是一個(gè)多自由度、多變量、高度非線性、多參數(shù)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。同時(shí)，動(dòng)力學(xué)分析又是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)施有效的控制策略達(dá)到既定運(yùn)動(dòng)指標(biāo)的基礎(chǔ)，所以有必要對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立進(jìn)行深入分析研究。此外，三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為少自由度空間機(jī)構(gòu)的一種形式，由于自由度受限，其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析方法也與常見的六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)有所不同。因此，對(duì)其進(jìn)行更進(jìn)一步的理論分析和實(shí)際制造安裝生產(chǎn)前的仿真、實(shí)驗(yàn)研究，為工程實(shí)現(xiàn)奠定良好的基礎(chǔ)是很有必要的[1]。

目前，三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)多應(yīng)用于仿真模擬試驗(yàn)，它具有明顯的安全性、經(jīng)濟(jì)性、可操作性，不受場(chǎng)地和氣象條件的限制，效率高，加之驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)少、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于各種訓(xùn)練模擬器如飛行模擬器、艦艇模擬器、海軍直升機(jī)起降模擬平臺(tái)、坦克模擬器、汽車駕駛模擬器、火車駕駛模擬器、地震模擬器以及動(dòng)感電影、娛樂設(shè)備、機(jī)構(gòu)力加載等領(lǐng)域，為提高我國的仿真技術(shù)水平，增強(qiáng)國防實(shí)力，提高工業(yè)生產(chǎn)力水平，做出了巨大貢獻(xiàn)。

1? ? 三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)及原理

三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)作為一種空間并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于航空航天、航海艦船、飛機(jī)工業(yè)、機(jī)床業(yè)和車輛工業(yè)等領(lǐng)域的駕駛模擬、飛行模擬、虛擬現(xiàn)實(shí)等方面，在國防和民用領(lǐng)域都有很高的研究和應(yīng)用價(jià)值。

三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)（圖1）是由一個(gè)上平臺(tái)（動(dòng)平臺(tái)）、一個(gè)下平臺(tái)（固定底座）、三個(gè)支桿、三個(gè)線性作動(dòng)器（伺服電動(dòng)缸）及若干關(guān)節(jié)連接而成。上平臺(tái)為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，承受負(fù)載，完成既定規(guī)格參數(shù)的速度、加速度、位置運(yùn)動(dòng)要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)于場(chǎng)景畫面運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的仿真模擬，從而把業(yè)務(wù)場(chǎng)景視感與體感結(jié)合起來，達(dá)到仿真模擬的目的。

通過三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)（圖1）可以得出：上運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與地面之間以三個(gè)支桿來約束并起支撐作用，以三個(gè)線性作動(dòng)器（伺服電動(dòng)缸）作為驅(qū)動(dòng)部件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。每個(gè)線性作動(dòng)器兩端為關(guān)節(jié)軸承，中間為一個(gè)移動(dòng)副和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，每根支桿兩端也是采用關(guān)節(jié)軸承分別與地面和上平臺(tái)相連。通過計(jì)算可知，每個(gè)支桿所在的支路都具有5個(gè)自由度，每個(gè)支路對(duì)上平臺(tái)提供一個(gè)約束；每個(gè)線性作動(dòng)器所在的支路都具有6個(gè)自由度，對(duì)于上平臺(tái)沒有約束。通過每個(gè)分支對(duì)上平臺(tái)的約束很容易計(jì)算得出其自由度為3。因此，通過三套線性作動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)，上平臺(tái)就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于給定運(yùn)動(dòng)的跟蹤復(fù)現(xiàn)。

簡單直觀地對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析可得到：由于三根支桿的限制作用，上平臺(tái)平動(dòng)受到限制；而轉(zhuǎn)動(dòng)自由度相對(duì)更為自由，運(yùn)動(dòng)范圍更大。當(dāng)兩豎直作動(dòng)器差動(dòng)動(dòng)作、水平作動(dòng)器不動(dòng)作時(shí)，實(shí)現(xiàn)橫滾運(yùn)動(dòng)；兩豎直作動(dòng)器同步動(dòng)作、水平作動(dòng)器不動(dòng)作時(shí)，實(shí)現(xiàn)俯仰動(dòng)作；兩豎直作動(dòng)器不動(dòng)作、水平作動(dòng)器動(dòng)作時(shí)實(shí)現(xiàn)偏航[1]；三套作動(dòng)器任意動(dòng)作實(shí)現(xiàn)任意擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各種業(yè)務(wù)場(chǎng)景的仿真模擬。

上述平臺(tái)在完成既定動(dòng)作的前提下有其自身結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)：

1）由于三個(gè)支桿的限制支撐作用，相對(duì)于其他同樣實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，整個(gè)平臺(tái)機(jī)構(gòu)剛度更大；

2）相對(duì)于六自由度機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)更為緊湊，更為經(jīng)濟(jì)適用，而且由于作動(dòng)器沿運(yùn)動(dòng)垂直向作用，能夠在得到相同輸出功率的前提下使作動(dòng)器尺寸最小；

3）根據(jù)上面的運(yùn)動(dòng)分析，平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型相對(duì)簡單，更易于實(shí)現(xiàn)控制。

總而言之，三自由度平臺(tái)是一種具有三個(gè)獨(dú)立自由度的機(jī)電系統(tǒng)，通過控制其旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或轉(zhuǎn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)在三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)和定位。

三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在機(jī)器人、模擬器和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，其具備極大的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值，主要體現(xiàn)在：

首先，經(jīng)濟(jì)性。制造一臺(tái)模擬器的價(jià)格要比制造真實(shí)的飛機(jī)、輪船、潛艇、戰(zhàn)車等經(jīng)濟(jì)得多，而且可以不受天氣影響自如地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

其次，安全性。例如飛行模擬，很多異常情況在真實(shí)的飛行中是很危險(xiǎn)的，通過模擬器對(duì)飛行員進(jìn)行訓(xùn)練，進(jìn)而使其更好地掌握處理異常情況的能力，相對(duì)于在真實(shí)飛機(jī)中進(jìn)行飛行訓(xùn)練來說更為安全；對(duì)于沒有經(jīng)驗(yàn)的新駕駛員來說，通過模擬器的訓(xùn)練可以掌握基本操作技巧；很多實(shí)際設(shè)備的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤可以通過模擬器的實(shí)驗(yàn)?zāi)M進(jìn)行分析，進(jìn)而得到改進(jìn)。

再次，就是對(duì)于環(huán)境方面的考慮。正常飛行、車輛行駛等都需要燃燒大量的煤油，這樣就給環(huán)境帶來了沉重的負(fù)擔(dān)，有了模擬設(shè)備就可以節(jié)省能源，同時(shí)也減輕了科技發(fā)展對(duì)于環(huán)境帶來的負(fù)面影響。

2? ? 三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，有時(shí)需要針對(duì)業(yè)務(wù)場(chǎng)景畫面，采集畫面姿態(tài)數(shù)據(jù)，這時(shí)就需要設(shè)計(jì)一種三自由度結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)數(shù)據(jù)采集裝置。

但怎么讓三自由度平臺(tái)按照預(yù)想的姿態(tài)運(yùn)行、進(jìn)行仿真模擬，并完成運(yùn)行姿態(tài)數(shù)據(jù)采集分析再編輯處理，能夠生成需求的業(yè)務(wù)場(chǎng)景數(shù)據(jù)，從而可以在軟件里回放采集的業(yè)務(wù)場(chǎng)景數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的復(fù)現(xiàn)，以滿足特定業(yè)務(wù)場(chǎng)景的測(cè)試和應(yīng)用？這時(shí)就需要設(shè)計(jì)一款面向業(yè)務(wù)場(chǎng)景的三自由度結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求：采集裝置效率高、靈敏度高、時(shí)鐘準(zhǔn)確，操作簡單，運(yùn)行穩(wěn)定。

為提高三自由度平臺(tái)運(yùn)行姿態(tài)數(shù)據(jù)采集裝置的效率和靈敏度，增加功能，本采集系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上充分考慮了各種需求、功能接口，要求生產(chǎn)出來的采集裝置，各方面的指標(biāo)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，功能、性能大幅提升，整個(gè)采集裝置操作簡單高效。三自由度平臺(tái)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)分為軟件部分和硬件部分，軟件部分為上位機(jī)軟件采集系統(tǒng)，硬件部分主要為采集器和采集控制板。上位機(jī)軟件采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信定義、文件配置、采集的開關(guān)指令，生成姿態(tài)數(shù)據(jù)。硬件部分包括三自由度模擬采集機(jī)構(gòu)、位移傳感器、采集控制板、與上位機(jī)通信模塊。

操作者配置完配置文件和通信設(shè)置后，根據(jù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景畫面，以第一視角手搖采集器，打開采集開關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，生成業(yè)務(wù)場(chǎng)景的畫面姿態(tài)數(shù)據(jù)，畫面結(jié)束時(shí)，關(guān)閉采集按鈕，采集結(jié)束，生成姿態(tài)數(shù)據(jù)文件。

采集的平臺(tái)姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過上位機(jī)的主控程序加載到內(nèi)存中，同時(shí)啟動(dòng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景畫面，按照采集時(shí)鐘，定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)姿態(tài)指令給三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，從而把業(yè)務(wù)場(chǎng)景畫面的姿態(tài)和三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)同步起來，實(shí)現(xiàn)視覺和體感的匹配，最終使仿真模擬效果實(shí)現(xiàn)最大化。

3? ? 三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1? ? 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能

1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、合理。2）操作簡便，一個(gè)人即可完成全部操作。3）軟件穩(wěn)定、可靠。4）數(shù)據(jù)采集精度高，時(shí)鐘精準(zhǔn)無誤差。5）支持MODBUS通信，也可通過網(wǎng)卡實(shí)時(shí)采集。6）支持多自由度的動(dòng)作姿態(tài)采集。7）最多支持12路的特效輸出定義。8）可根據(jù)客戶需求，對(duì)軟件進(jìn)行實(shí)際定制和修改。9）支持1 ms的動(dòng)作采集，數(shù)據(jù)不丟幀。

3.2? ? 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)采集裝置結(jié)構(gòu)說明

三自由度平臺(tái)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)機(jī)電結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1）上平面框架。2）采集開關(guān)按鈕，位于上平面框架長邊的中央，與下框架長邊中央的采集控制板通信。3）開關(guān)信號(hào)通信線。4）采集控制板。5）上平面框架T型鉸接件。6）魚眼軸承，與上平面框架T型鉸接件一起，連接上平面框架與直線位移傳感器。7）位移傳感器，產(chǎn)生直線位移數(shù)據(jù)，與下平面框架T型鉸接件連接。8）下平面框架T型鉸接件。9）下平面框架。10）通信端口，通過通信線與電腦進(jìn)行通信。11）位移傳感器通信口，通過位移傳感器通信線與控制板進(jìn)行通信。12）開關(guān)信號(hào)通信口，通過開關(guān)通信線與控制板進(jìn)行通信。

3.3? ? 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集控制板設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集控制板結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1）編號(hào)10（對(duì)應(yīng)圖3）為采集控制板與電腦上位機(jī)軟件進(jìn)行通信的通信端口，同時(shí)電腦通過該端口為采集控制板供電。

2）編號(hào)11（對(duì)應(yīng)圖3）為位移傳感器與采集控制板的通信端口，采集控制板采集位移數(shù)據(jù)，把采集到的位移數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)主控程序，最多可支持6路位移信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。

3）編號(hào)12（對(duì)應(yīng)圖3）為開關(guān)信號(hào)通信端口，采集控制板第一次收到開關(guān)信號(hào)指令，打開內(nèi)置系統(tǒng)時(shí)鐘，定時(shí)采集位移數(shù)據(jù)，再次按下開關(guān)信號(hào)，關(guān)閉內(nèi)置系統(tǒng)時(shí)鐘，結(jié)束位移數(shù)據(jù)采集。

3.4? ? 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)主控程序界面設(shè)計(jì)如圖5所示。

上位機(jī)主控程序?qū)崿F(xiàn)的功能：

1）配置文件：通信參數(shù)、對(duì)應(yīng)的位移行程，采集時(shí)鐘，姿態(tài)數(shù)據(jù)文件名和文件輸出路徑。

2）在操作者按動(dòng)開關(guān)按鈕后，上位機(jī)軟件程序接收到采集控制板發(fā)送的開始指令。

3）上位機(jī)通信模塊收到開始指令，打開通信端口，接收采集控制板發(fā)送的姿態(tài)數(shù)據(jù)。

4）上位機(jī)主控程序接收到姿態(tài)數(shù)據(jù)，在配置文件中定義的文件目錄路徑下生成姿態(tài)數(shù)據(jù)文件。

5）再次按下開關(guān)按鈕，控制板發(fā)出停止指令。

6）上位機(jī)通信模塊收到停止指令，關(guān)閉通信端口，采集控制板停止位移姿態(tài)數(shù)據(jù)采集，上位機(jī)主控程序停止接收姿態(tài)數(shù)據(jù)。

7）上位機(jī)主控程序姿態(tài)數(shù)據(jù)文件關(guān)閉，保存到配置文件中定義的文件輸出路徑。

8）姿態(tài)數(shù)據(jù)文件設(shè)計(jì)冗余12路開關(guān)量指令，可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求，對(duì)姿態(tài)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行再編輯處理，從而達(dá)到設(shè)計(jì)需求。

4? ? 結(jié)束語

本文介紹了三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)及原理，面向市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)采集裝置。該裝置按照三自由度平臺(tái)的結(jié)構(gòu)制造，方式靈活多樣，采用位移傳感器來表達(dá)三自由度平臺(tái)的線性執(zhí)行作動(dòng)。開發(fā)了一款采集控制板，實(shí)現(xiàn)對(duì)位移傳感器的數(shù)據(jù)采集，并上傳給上位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件通過通信模塊收到姿態(tài)數(shù)據(jù)后，保存到電腦指定的文件路徑，最終實(shí)現(xiàn)預(yù)期的三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)采集。

該采集裝置可以實(shí)現(xiàn)精度到1 ms的時(shí)鐘采集，反應(yīng)靈敏，數(shù)據(jù)采集精度高，可擴(kuò)展性強(qiáng)，操作簡便，可廣泛應(yīng)用于5D影院、軌道影院、三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等業(yè)務(wù)場(chǎng)景和姿態(tài)隨機(jī)測(cè)試方向，具有很高的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陳安平.三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)建模與分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2005.

收稿日期：2024-03-04

作者簡介：林鵬（1974—），男，河南新安人，工程師，研究方向：機(jī)械電子工程、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、數(shù)字媒體技術(shù)。