六自由度車(chē)輛運動(dòng)模擬器的原理
時(shí)間：2021/10/21 15:47:00 瀏覽：
隨著(zhù)人民生活水平的不斷提高，中國的汽車(chē)保有量不斷攀升。車(chē)輛發(fā)展到今天，“以人為本”的理念逐漸深入人心—方面，駕駛安全性、乘坐舒適性、操作便利性等車(chē)輛人機工程特性越來(lái)越受到車(chē)輛設計者和使用者的重視另一方面，為了減少交通事故的發(fā)生、降低車(chē)輛操作者的勞動(dòng)強度，駕駛員和操作者在不同環(huán)境狀況下的生理和心理行為備受關(guān)注，人、車(chē)、環(huán)境被越來(lái)越多的放在一個(gè)系統中進(jìn)行研究。
車(chē)輛模擬器分為訓練型模擬器和研究型模擬器，在操作技能培訓、新產(chǎn)品的研究和開(kāi)發(fā)、車(chē)輛人機工程等研究發(fā)揮著(zhù)巨大的作用，具有成本低、試驗重復性好、工況設置方便等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于人一車(chē)一環(huán)境閉環(huán)系統的研究。典型的用于人一車(chē)一環(huán)境閉環(huán)系統研究或者車(chē)輛開(kāi)發(fā)的車(chē)輛模擬器由運動(dòng)模擬系統、視景系統、聲效模擬系統、操縱模擬系統、觸感反饋系統、儀器儀表模擬系統等組成。
運動(dòng)模擬系統分為低頻運動(dòng)模擬系統和高頻運動(dòng)（振動(dòng)）模擬系統，低頻運動(dòng)模擬系統模擬車(chē)輛縱向、橫向、垂向、橫滾、俯仰、偏航六個(gè)自由度上的運動(dòng)，高頻運動(dòng)模擬系統模擬車(chē)輛乘員在車(chē)輛運行中受到的由路面不平順、發(fā)動(dòng)機振動(dòng)、車(chē)體共振等引起的振動(dòng)。運動(dòng)模擬系統是車(chē)輛模擬器中非常重要的組成部分，影響駕駛員對車(chē)輛的感知和操縱，關(guān)系到模擬效果的沉浸感、逼真性，和利用模擬器進(jìn)行試驗研究時(shí)結果的準確性和可靠性，特別是人一車(chē)一環(huán)境系統中駕駛員行為特性研究和乘坐舒適性等研究。
六自由度平臺具有剛度好、定位精度高、承載能力大的特點(diǎn)，已廣泛應用于車(chē)輛運動(dòng)模擬中。高頻振動(dòng)由抖振座椅實(shí)現，座椅激振器采用液壓例服激振器，車(chē)輛模擬器運動(dòng)模擬原理如圖所示，共分為個(gè)環(huán)節：路面和地形建模；車(chē)輛實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)模型；參數濾波分解；動(dòng)感模擬算法；六自由度平臺運動(dòng)變換及運動(dòng)學(xué)反解；六自由度平臺和抖振座椅運動(dòng)實(shí)現。
1、路面和地形建模，車(chē)輛是在路面（地面）上運動(dòng)的，路面不但是乘員視覺(jué)觀(guān)察的主要對象，同時(shí)也是車(chē)輛運動(dòng)最主要的外界激勵，車(chē)輛實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)模塊釆用三維虛擬路面和地形模型，因此路面和地面模型能否真實(shí)反映出路面的特性是車(chē)輛模擬器視景模擬、動(dòng)力學(xué)模型研究、運動(dòng)和振動(dòng)模擬、方向盤(pán)路感反饋模擬、噪聲模擬準確性的前提。
2、車(chē)輛實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)模型，車(chē)輛實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)模型根據路面模型、駕駛員操縱輸入信號（如轉向盤(pán)轉角、油門(mén)踏板轉角、制動(dòng)踏板轉角等）進(jìn)行車(chē)輛狀態(tài)的實(shí)時(shí)解算，得到車(chē)輛的運動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數，如速度、加速度、角速度、角加速度、車(chē)輛懸架狀態(tài)、轉向盤(pán)
反饋力等。車(chē)輛實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)模型在滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的同時(shí)應盡可能的提高解算的精確性，視景系統、聲效模擬系統、操縱模擬系統、觸感反饋系統、儀器儀表模擬系統都要從車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型中獲取數據，車(chē)輛實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)模型是車(chē)輛模擬器的核心。
3、參數濾波分解，由于車(chē)輛高、低頻運動(dòng)分別由六自由度平臺和抖振座椅模擬，因此必須將車(chē)輛實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)解算出來(lái)的參數在車(chē)輛坐標系的垂向進(jìn)行高低頻分解。
4、動(dòng)感模擬算法，由于六自由度平臺運動(dòng)空間的限制，使其不能完全模擬車(chē)輛的運動(dòng)，必須使用動(dòng)感模擬算法，又稱(chēng)動(dòng)感模擬算法（，將車(chē)輛的運動(dòng)學(xué)參數（加速度、角速度）進(jìn)行濾波、限幅等一系列處理。即使車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型解算出的數據再準確，如果動(dòng)感模擬算法處理不當，會(huì )使得六自由度平臺的運動(dòng)和期望的的運動(dòng)相差很大，甚至形成的錯誤的運動(dòng)暗示，造成模擬器疾病和不適，達不到模擬的效果，因此，動(dòng)感模擬算法是運動(dòng)模擬的關(guān)鍵。
5、平臺運動(dòng)變換及運動(dòng)學(xué)反解，由于動(dòng)感模擬算法的輸入可以是車(chē)輛質(zhì)心的運動(dòng)學(xué)參數，也可以是車(chē)輛上其它點(diǎn)的運動(dòng)學(xué)參數，因此必須依據車(chē)輛、模擬器座艙、平臺三者之間的關(guān)系進(jìn)行運動(dòng)變換，然后求取平臺的運動(dòng)學(xué)反解，得到六個(gè)液壓分支的伸長(cháng)量，平臺運動(dòng)變換及運動(dòng)學(xué)反解是平臺運動(dòng)控制的輸入參照條件。
6、六自由度平臺和抖振座椅運動(dòng)實(shí)現，平臺的軟件硬件系統根據六個(gè)液壓缸的伸長(cháng)量，控制液壓缸的運動(dòng)，進(jìn)而得到上平臺的運動(dòng)，抖振座椅實(shí)現車(chē)輛垂向高頻運動(dòng)，車(chē)輛乘員感受模擬座槍及座椅的運動(dòng)，實(shí)現車(chē)輛運動(dòng)的模擬，六自由度平臺和抖振座椅運動(dòng)實(shí)現是車(chē)輛模擬器運動(dòng)模擬的保障。
上述六個(gè)環(huán)節環(huán)環(huán)相扣、缺一不可，各環(huán)節相互協(xié)同完成車(chē)輛運動(dòng)的模擬。才能模擬車(chē)輛真實(shí)運行工況下車(chē)輛乘員體驗到的運動(dòng)振動(dòng)感覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等外部刺激，營(yíng)造一個(gè)逼真的、沉浸感強的模擬環(huán)境。
