六自由度車輛運動模擬器的原理
時間：2021/10/21 15:47:00 瀏覽：
隨著人民生活水平的不斷提高，中國的汽車保有量不斷攀升。車輛發(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、操作便利性等車輛人機工程特性越來越受到車輛設(shè)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、降低車輛操作者的勞動強度，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、環(huán)境被越來越多的放在一個系統(tǒng)中進行研究。
車輛模擬器分為訓(xùn)練型模擬器和研究型模擬器，在操作技能培訓(xùn)、新產(chǎn)品的研究和開發(fā)、車輛人機工程等研究發(fā)揮著巨大的作用，具有成本低、試驗重復(fù)性好、工況設(shè)置方便等優(yōu)點，特別適合于人一車一環(huán)境閉環(huán)系統(tǒng)的研究。典型的用于人一車一環(huán)境閉環(huán)系統(tǒng)研究或者車輛開發(fā)的車輛模擬器由運動模擬系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、聲效模擬系統(tǒng)、操縱模擬系統(tǒng)、觸感反饋系統(tǒng)、儀器儀表模擬系統(tǒng)等組成。
運動模擬系統(tǒng)分為低頻運動模擬系統(tǒng)和高頻運動（振動）模擬系統(tǒng)，低頻運動模擬系統(tǒng)模擬車輛縱向、橫向、垂向、橫滾、俯仰、偏航六個自由度上的運動，高頻運動模擬系統(tǒng)模擬車輛乘員在車輛運行中受到的由路面不平順、發(fā)動機振動、車體共振等引起的振動。運動模擬系統(tǒng)是車輛模擬器中非常重要的組成部分，影響駕駛員對車輛的感知和操縱，關(guān)系到模擬效果的沉浸感、逼真性，和利用模擬器進行試驗研究時結(jié)果的準確性和可靠性，特別是人一車一環(huán)境系統(tǒng)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，已廣泛應(yīng)用于車輛運動模擬中。高頻振動由抖振座椅實現(xiàn)，座椅激振器采用液壓例服激振器，車輛模擬器運動模擬原理如圖所示，共分為個環(huán)節(jié)：路面和地形建模；車輛實時動力學(xué)模型；參數(shù)濾波分解；動感模擬算法；六自由度平臺運動變換及運動學(xué)反解；六自由度平臺和抖振座椅運動實現(xiàn)。
1、路面和地形建模，車輛是在路面（地面）上運動的，路面不但是乘員視覺觀察的主要對象，同時也是車輛運動最主要的外界激勵，車輛實時動力學(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反映出路面的特性是車輛模擬器視景模擬、動力學(xué)模型研究、運動和振動模擬、方向盤路感反饋模擬、噪聲模擬準確性的前提。
2、車輛實時動力學(xué)模型，車輛實時動力學(xué)模型根據(jù)路面模型、駕駛員操縱輸入信號（如轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、油門踏板轉(zhuǎn)角、制動踏板轉(zhuǎn)角等）進行車輛狀態(tài)的實時解算，得到車輛的運動學(xué)、動力學(xué)參數(shù)，如速度、加速度、角速度、角加速度、車輛懸架狀態(tài)、轉(zhuǎn)向盤
反饋力等。車輛實時動力學(xué)模型在滿足實時性的同時應(yīng)盡可能的提高解算的精確性，視景系統(tǒng)、聲效模擬系統(tǒng)、操縱模擬系統(tǒng)、觸感反饋系統(tǒng)、儀器儀表模擬系統(tǒng)都要從車輛動力學(xué)模型中獲取數(shù)據(jù)，車輛實時動力學(xué)模型是車輛模擬器的核心。
3、參數(shù)濾波分解，由于車輛高、低頻運動分別由六自由度平臺和抖振座椅模擬，因此必須將車輛實時動力學(xué)解算出來的參數(shù)在車輛坐標系的垂向進行高低頻分解。
4、動感模擬算法，由于六自由度平臺運動空間的限制，使其不能完全模擬車輛的運動，必須使用動感模擬算法，又稱動感模擬算法（，將車輛的運動學(xué)參數(shù)（加速度、角速度）進行濾波、限幅等一系列處理。即使車輛動力學(xué)模型解算出的數(shù)據(jù)再準確，如果動感模擬算法處理不當(dāng)，會使得六自由度平臺的運動和期望的的運動相差很大，甚至形成的錯誤的運動暗示，造成模擬器疾病和不適，達不到模擬的效果，因此，動感模擬算法是運動模擬的關(guān)鍵。
5、平臺運動變換及運動學(xué)反解，由于動感模擬算法的輸入可以是車輛質(zhì)心的運動學(xué)參數(shù)，也可以是車輛上其它點的運動學(xué)參數(shù)，因此必須依據(jù)車輛、模擬器座艙、平臺三者之間的關(guān)系進行運動變換，然后求取平臺的運動學(xué)反解，得到六個液壓分支的伸長量，平臺運動變換及運動學(xué)反解是平臺運動控制的輸入?yún)⒄諚l件。
6、六自由度平臺和抖振座椅運動實現(xiàn)，平臺的軟件硬件系統(tǒng)根據(jù)六個液壓缸的伸長量，控制液壓缸的運動，進而得到上平臺的運動，抖振座椅實現(xiàn)車輛垂向高頻運動，車輛乘員感受模擬座槍及座椅的運動，實現(xiàn)車輛運動的模擬，六自由度平臺和抖振座椅運動實現(xiàn)是車輛模擬器運動模擬的保障。
上述六個環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣、缺一不可，各環(huán)節(jié)相互協(xié)同完成車輛運動的模擬。才能模擬車輛真實運行工況下車輛乘員體驗到的運動振動感覺、視覺、聽覺、觸覺等外部刺激，營造一個逼真的、沉浸感強的模擬環(huán)境。
