六自由度車輛運(yùn)動(dòng)模擬器的原理
時(shí)間：2021/10/21 15:47:00 瀏覽：
隨著人民生活水平的不斷提高，中國(guó)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(jī)工程特性越來(lái)越受到車輛設(shè)計(jì)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(dòng)強(qiáng)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(lái)越多的放在一個(gè)系統(tǒng)中進(jìn)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(jī)工程等研究發(fā)揮著巨大的作用，具有成本低、試驗(yàn)重復(fù)性好、工況設(shè)置方便等優(yōu)點(diǎn)，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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)分為低頻運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)和高頻運(yùn)動(dòng)（振動(dòng)）模擬系統(tǒng)，低頻運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)模擬車輛縱向、橫向、垂向、橫滾、俯仰、偏航六個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)，高頻運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)模擬車輛乘員在車輛運(yùn)行中受到的由路面不平順、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、車體共振等引起的振動(dòng)。運(yùn)動(dòng)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(duì)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(jìn)行試驗(yàn)研究時(shí)結(jié)果的準(zhǔn)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(tái)具有剛度好、定位精度高、承載能力大的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于車輛運(yùn)動(dòng)模擬中。高頻振動(dòng)由抖振座椅實(shí)現(xiàn)，座椅激振器采用液壓例服激振器，車輛模擬器運(yùn)動(dòng)模擬原理如圖所示，共分為個(gè)環(huán)節(jié)：路面和地形建模；車輛實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)模型；參數(shù)濾波分解；動(dòng)感模擬算法；六自由度平臺(tái)運(yùn)動(dòng)變換及運(yùn)動(dòng)學(xué)反解；六自由度平臺(tái)和抖振座椅運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。
1、路面和地形建模，車輛是在路面（地面）上運(yùn)動(dòng)的，路面不但是乘員視覺觀察的主要對(duì)象，同時(shí)也是車輛運(yùn)動(dòng)最主要的外界激勵(lì)，車輛實(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輛模擬器視景模擬、動(dòng)力學(xué)模型研究、運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)模擬、方向盤路感反饋模擬、噪聲模擬準(zhǔn)確性的前提。
2、車輛實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)模型，車輛實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)模型根據(jù)路面模型、駕駛員操縱輸入信號(hào)（如轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、油門踏板轉(zhuǎn)角、制動(dòng)踏板轉(zhuǎn)角等）進(jìn)行車輛狀態(tài)的實(shí)時(shí)解算，得到車輛的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)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(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)模型在滿足實(shí)時(shí)性的同時(shí)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(dòng)力學(xué)模型中獲取數(shù)據(jù)，車輛實(shí)時(shí)動(dòng)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(yùn)動(dòng)分別由六自由度平臺(tái)和抖振座椅模擬，因此必須將車輛實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)解算出來(lái)的參數(shù)在車輛坐標(biāo)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(tái)運(yùn)動(dòng)空間的限制，使其不能完全模擬車輛的運(yùn)動(dòng)，必須使用動(dòng)感模擬算法，又稱動(dòng)感模擬算法（，將車輛的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)（加速度、角速度）進(jìn)行濾波、限幅等一系列處理。即使車輛動(dòng)力學(xué)模型解算出的數(shù)據(jù)再準(zhǔn)確，如果動(dòng)感模擬算法處理不當(dāng)，會(huì)使得六自由度平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和期望的的運(yùn)動(dòng)相差很大，甚至形成的錯(cuò)誤的運(yùn)動(dòng)暗示，造成模擬器疾病和不適，達(dá)不到模擬的效果，因此，動(dòng)感模擬算法是運(yùn)動(dòng)模擬的關(guān)鍵。
5、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)變換及運(yùn)動(dòng)學(xué)反解，由于動(dòng)感模擬算法的輸入可以是車輛質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，也可以是車輛上其它點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，因此必須依據(jù)車輛、模擬器座艙、平臺(tái)三者之間的關(guān)系進(jìn)行運(yùn)動(dòng)變換，然后求取平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解，得到六個(gè)液壓分支的伸長(zhǎng)量，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)變換及運(yùn)動(dòng)學(xué)反解是平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制的輸入?yún)⒄諚l件。
6、六自由度平臺(tái)和抖振座椅運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，平臺(tái)的軟件硬件系統(tǒng)根據(jù)六個(gè)液壓缸的伸長(zhǎng)量，控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而得到上平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，抖振座椅實(shí)現(xiàn)車輛垂向高頻運(yùn)動(dòng)，車輛乘員感受模擬座槍及座椅的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)動(dòng)的模擬，六自由度平臺(tái)和抖振座椅運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)是車輛模擬器運(yùn)動(dòng)模擬的保障。
上述六個(gè)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(yùn)動(dòng)的模擬。才能模擬車輛真實(shí)運(yùn)行工況下車輛乘員體驗(yàn)到的運(yùn)動(dòng)振動(dòng)感覺、視覺、聽覺、觸覺等外部刺激，營(yíng)造一個(gè)逼真的、沉浸感強(qiáng)的模擬環(huán)境。
