[发明专利]一种起重机模拟器体感模拟方法与装置

摘要

本发明公开一种起重机模拟器体感模拟方法与装置。所述方法包括闭环模拟步骤、物理量输入输出步骤、以及模糊PID控制步骤，用于在有限行程和工作空间内模拟起重机作业过程中大车、小车等行走机构产生的运动感觉，具体是指：能够模拟出与真实起重机相一致的瞬时加速度、持续加速度等运动感觉。所述装置为三自由度并联结构，包括大车横向运动，小车纵向运动以及小车倾斜补偿旋转运动。基于人体运动感知理论，通过对输入信号处理，能够有效解决起重机模拟操作过程中体感模拟的加速、减速、回中等问题。本发明有利于增加起重机模拟器的逼真度，能够满足有限行程和工作空间内模拟运动感觉的要求，对于提高模拟器质量、水平具有重要的应用价值。

主权项

1.一种起重机模拟器体感模拟装置，其特征在于：所述装置为三自由度并联结构，包括下框架、导轨架、上框架、联动台以及驱动机构，驱动机构包括电动缸、伺服电机以及作动杆；下框架与地面固定连接，用于支撑整个平台；导轨架用于固定轨道、滑套以及驱动装置的安装，下层导轨架下侧与下框架焊接在一起，下层导轨架上侧铺设横向导轨，与中层导轨架下侧安装的滑套相配合，中层导轨架上侧铺设纵向导轨与上层导轨架下侧安装的滑套相配合，上层导轨架上侧与上框架焊接在一起；联动台铰接在上框架上，联动台下方为滑杆机构，可以将电动缸的直线运动转换为联动台的倾斜运动；下层导轨架、中层导轨架、上层导轨架各安装一台电动缸，电动缸驱动杆与作动杆同轴相连，作动杆与中层导轨架、上层导轨架、联动台滑块之间通过联轴器连接；三套驱动装置彼此独立，各运动机构互不干涉；上框架用于承载联动台、操作人员；联动台是模拟器向操作人员提供操作功能的装置，固定在上框架上，随着上框架运动而运动；所述的起重机模拟器体感模拟装置的起重机模拟器体感模拟方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：模拟器驾驶员，通过视景系统感受到周边环境，并获得目标任务后，对运动平台发出控制指令；步骤二：通过起重机动力学模型，输入起重机机构运动的加速度，驾驶员的加速度感觉通过比力来衡量，将得到的比力形式的输入通过人体感知模型获得体感比力，通过坐标变换来确定人体感知处的物理量，即将运动平台质心加速度转换到人体前庭部位的加速度，通过高通滤波器对比力信号进行处理得到输出信号；步骤三：将输出信号通过控制模块对驱动设备进行控制，保证各运动机构在设定范围内运动；通过调整运动平台位姿，包括上层导轨架与中层导轨架的直线运动以及联动台的倾斜补偿运动；联动台铰接在上框架上，因此联动台随上框架的横向、纵向直线运动而运动，从而直接模拟起重机大车、小车运动过程中瞬时加速度；联动台按照输入旋转特定角度所产生的重力加速度分量，补偿了持续加速度运动感觉；位于联动台的模拟器驾驶员所感受的各机构运动的叠加运动，模拟出逼真的体感效果；步骤四：由模拟器动力学模型模块处理得到运动平台的运动信息后，通过真实起重机驾驶室运动信号与模拟器信号比对，得出真实体感与运动平台体感之间的体感误差；将体感误差、体感误差变化率作为输入信号，通过模糊PID控制进行反馈整定控制参数，从而优化控制环节的控制参数，优化过程通过加速度逼真度系数、加速度惩罚项系数、位移惩罚项系数以及增益惩罚项系数来迭代优化；与此同时，驾驶员在身体感知与任务的驱使下，对运动平台重新发出指令，从而构成运动平台的闭环系统；模糊PID控制的具体步骤为：真实起重机产生的物理量为M_A，经过体感模型计算得到的真实起重机提供的运动感觉为M_R；而体感模拟装置提供的运动感觉为M_S，将M_S‑M_A所得为体感误差e，进一步得到ec为体感误差变化率；将体感误差e以及体感误差变化率ec作为输入信号，对控制过程权重系数进行实时反馈调整，输出模糊变量为K_p、K_I、K_D，调整后的权重系数改善模拟逼真度、有限运动空间范围、相一致运动时间以及控制稳定性、输出响应等方面的性能；所述的比力描述为：考虑重力加速度的影响，体感模拟采用比力衡量，处理方式为：输入加速度a与重力加速度g相减得到比力f，数学表达为f＝a‑g；所述的人体感知模型为：采用数据模型来描述人体前庭系统，从而满足体感模拟控制过程的要求；人体前庭系统简化为半规管和耳石，半规管用于感知角速度，耳石用于感知线加速度；半规管和耳石采用传递函数的形式建立数学模型，便于控制环节设计；耳石模型相应传递函数为：半规管模型相应传递函数为：