六自由度汽车多功能动态试验平台的研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 2.6MB 83 页 15积分
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摘 要
Stewart 平台是一种六自由度空间机构，其结构简单，具有高刚度、高精度、
高速度、高柔性、轻重量、低成本、能实现六自由度运动等诸多优点，经过几十
年的发展，在机床、航天航空、医学、机器人等领域的研究和应用已有很大的进
展。在汽车领域，作为汽车驾驶模拟器平台国内外很多学者和公司也已做了很多
工作，并在道路安全研究等方面取得了应用。在汽车振动以及道路模拟试验台应
用上，国内外的研究比较晚，文献也比较少。
目前大多数汽车运输振动试验台和零部件振动试验台只能模拟单自由度运动
或者三自由度运动，而实际中汽车是在空间六自由度运动的。而少数国内大企业
拥有的多轴模拟试验台基本上为国外进口，无论从自主开发，还是机构新领域的
应用上，都有必要研究该六自由度运动平台在汽车上的应用。
本文研究了六自由度(Stewart)平台在汽车道路模拟试验台上的应用，进行了该
六自由度平台的选型、驱动方式的选择、传感器的选择等；对其进行了运动学(正
解和反解)分析，并用运动影响系数法分析了动平台和驱动杆的速度及加速关系；
针对试验台系统的非线性特性，设计了自适应模糊 PID 控制器；进行了动力学建
模，作为动力学分析的基础；用积分白噪声法等效模拟道路不平度；在
Matlab/Simulink 软件中建立了运动学反解和控制系统仿真模型，分别以阶跃、正
弦、模拟的道路不平度作为试验平台的输出，再以该信号的反解做为控制系统的
输入，进行运动学和控制仿真，对其部分动态特性进行分析。仿真结果表明模糊
PID 控制系统基本上能跟踪信号的变化，自适应性能好，能很好地控制六自由度汽
车道路模拟试验台的运动。
关键词：六自由度 汽车 试验台 道路模拟 模糊 PID
ABSTRACT
Stewart platform is a kind of spatial parallel mechanism with 6-DOF(degree of
freedom). It has simple structure, high stiffness, high precision, high velocity, low
weight and cost, and can realize 6-DOF movement. It has been applied in the area of
machine tool, aviation and aerospace, medical science, robot, and road safty research.
There has been researched in the application of road vibration simulation table in recent
years.
Most automobile transportion vibration silmulation table and automobile road
vibration simulation table can only reproduce one degree movement. Few can reproduce
muli- degree movement . While automobile moves in 6-DOF. Onle few companies have
muli-axis road simulation tables, and there are all imported from abroad. Thus it is
necessary to study it’s application in automobile.
This paper studies the applicataion of Stewart platform in the automobile road
vibration simulation table. The paper first chooses the structure, driven way, sensor of
the plateform. Second,the paper does the kinematic and dynamic analysis of the selected
platform, including the forward and inverse position analysis,velocity, acceleration, for-
ces relationship between the upper platform and driven bars. Third, the paper designs an
adaptive fuzzy PID controller and reproduces B and C road roughness by way of pseudo
–white –noise. Finally, kinematic and control models are built and simulationed in the
software of Matlab/Simulink. There are step wave, sine wave and random wave as the
input signals. The result of simulation showes that the adaptive fuzzy PID controller has
good trackness, dynamic and adaptive performance. It is suitable as the controller of the
simulation of automobile road vibration simulation table in the simulation.
Key Word: 6-DOF, automobile, test table, road simulation, fuzzy PID
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 引言 ......................................................................................................................1
§1.2 六自由度试验平台的特点及应用 ......................................................................3
§1.2.1 六自由度试验平台的特点 ........................................................................... 3
§1.2.2 六自由度试验平台的应用 ........................................................................... 4
§1.3 本文研究的主要内容 ..........................................................................................8
第二章 六自由度试验平台总体结构设计 ...................................................................9
§2.1 机构选型 ...............................................................................................................9
§2.2 驱动方式选择 ....................................................................................................11
§2.3 传感器选用 ........................................................................................................12
§2.4 试验台性能和结构参数的确定 ........................................................................13
第三章 六自由度试验平台运动学分析和动力学分析 ...............................................15
§3.1 六自由度试验平台位姿基础 .............................................................................15
§3.2 六自由度试验平台位姿反解 ............................................................................16
§3.3 六自由度试验平台位姿正解研究 ....................................................................18
§3.3.1 位姿正解基础 ............................................................................................. 18
§3.3.2 六自由度试验平台位姿正解的数值迭代法 ............................................. 19
§3.4 六自由度试验平台运动影响系数 ....................................................................22
§3.4.1 运动影响系数简介 ..................................................................................... 22
§3.4.2 六自由度试验平台的运动影响系数矩阵的建立及运动分析 ................. 24
§3.5 六自由度试验平台动力学分析 ........................................................................27
§3.5.1 动力学分析概述 ......................................................................................... 27
§3.5.2 六自由度试验平台动力学方程的建立 ..................................................... 28
第四章 六自由度试验平台控制策略研究 ...................................................................33
§4.1 引言 ....................................................................................................................33
§4.2 PID 控制原理 ..................................................................................................... 34
§4.3 模糊控制原理 ....................................................................................................35
§4.3.1 模糊控制概述 ............................................................................................. 35
§4.3.2 模糊控制基本原理 ..................................................................................... 36
§4.3.3 模糊控制器设计的基本方法 ..................................................................... 36
§4.4 六自由度试验平台自适应模糊 PID 控制器的设计 ....................................... 42
第五章 仿真分析 ...........................................................................................................47
§5.1 仿真软件 Matlab/Simulink 简介 .......................................................................47
§5.2 路面不平度模拟 ................................................................................................48
§5.2.1 路面不平度模拟概述 ................................................................................. 48
§5.2.2 路面不平度模型 ......................................................................................... 49
§5.2.3 路面不平度的重构 ..................................................................................... 51
§5.3 六自由度试验平台运动学仿真模型的建立 ....................................................56
§5.4 模糊控器模型的建立 ........................................................................................56
§5.5 六自由度试验平台运动控制系统模型的建立 ................................................59
§5.6 仿真结果分析 ....................................................................................................60
§5.6.1 试验台以阶跃规律沿 Z轴方向单自由度运动 ..........................................60
§5.6.2 试验台以正弦规律沿 Z轴方向单自由度运动 .........................................62
§5.6.3 试验台沿 Z轴方向单自由度运动：C级路面上运动 ............................. 64
§5.6.4 试验台沿 Z轴方向单自由度运动：B级路面上运动 ............................. 66
§5.6.5 试验台沿 Z轴方向单自由度运动：随机和冲击叠加运动 .....................67
§5.6.6 试验台沿六个自由度方向复合运动 ......................................................... 69
第六章 总结与展望 .......................................................................................................74
附录 六自由度试验平台运动学反解程序 ...................................................................75
参考文献 .........................................................................................................................76
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................80
致 谢 .............................................................................................................................81
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 引言
汽车振动是影响汽车性能的重要因素，这种振动会严重地影响汽车的平顺性和
操纵稳定性以及汽车零部件的疲劳寿命，严重的振动还会影响汽车的行驶速度和
产生噪声，因此对汽车振动的测试具有十分重要的意义[1]。
汽车的平顺性是汽车在行驶过程中，保持乘员所处振动环境具有一定舒适度的
性能，对于载货汽车还包括保持货物完好的性能[2]。
汽车平顺性的测试内容有[2]：
（1）随机输入行驶性能检测
由于汽车行驶的路面是不平的，而路面的不平度是随机变化的，因此由于路
面不平等因素造成的汽车振动是一种随机振动，通过测定汽车在随机的路面上行
驶时的振动特性对成员和货物的影响评价汽车的平顺性。
（2）脉冲输入行驶性能检测
汽车在行驶过程中，有时会遇到凸块，有时会遇到凹坑，均会对汽车形成很
大的冲击，严重影响乘坐的舒适性，通过测定汽车驶过单凸块时对成员及货物形
成的冲击响应来评价汽车的平顺性的。
汽车试验可分为三种：实际道路试验、试验场试验、室内台架试验。
室内台架试验可分为四类[3]：
（1）运动特性试验：制动试验台、悬架机构基础特性试验台。
（2）舒适性试验：无响室（噪声试验）、道路模拟试验台（模拟汽车路面输入振
动）。
（3）经济性试验：底盘测功机。
（4）耐久可靠性试验：传动系耐久试验台、底盘零部件试验台（车架、悬架、转
向试验台）、车身试验台（道路模拟试验台、应力涂料试验设备）、环境试验
（如高温室、风洞等）。
汽车道路模拟试验台通过模拟实际道路的不平度再现真实的行驶环境，进行振
动和耐久性等测试，与道路测试相比减少了以往路面测试所需的测试场地及复杂
的路面情况，能够在极短时间内完成车辆在各种路面上的测试，并且通过计算机
快速分析，得出结果。试验重复性好，周期短，大大提高了检测效率，节约了资
金、人力和开发周期，已成为加速新车型开发和提高产品质量的有效手段。
汽车模拟运输振动试验台和零部件振动试验台是汽车道路模拟试验台的一
六自由度汽车多功能动态试验平台的研究
2
种。
汽车模拟运输振动试验台用于模拟货物在运输途中的颠簸环境，以测试产品的
结构强度及包装对产品的保护能力，从而找出最佳的解决方式，以便在运送途中
尽量减少损失，广泛应用于玩具、电子、家具、礼品、陶瓷、包装运输等行业对
包装后的产品进行模拟运输振动试验。
汽车零部件振动试验台是通过对零部件实施相应频率、相应振幅(或相应加速
度)的振动，考察零部件在振动过程和振动过程后是否出现异常，以此来考察零部
件的振动耐久性。
目前大多数汽车运输振动试验台和零部件振动试验台，只能模拟单自由度运
动或者三自由度运动，而实际中汽车是在空间六自由度运动的。多轴模拟试验台
MAST（multi—axial simulation table），有六个作动器，不仅可以模拟汽车上下、
前后、左右三个方向的平动，而且能够模拟侧倾、俯仰、横摆三个方向的转动，
能够更为精确地再现汽车零部件的实际运行环境。国内六自由度道路模拟试验系
统基本上为国外进口，主要为美国 MTS、IST、德国申克(SCHENCK)等公司的产
品[4]。图 1-1为美国 MGA 公司的 MAST 振动试验台。
图1-1美国 MGA 公司的 MAST 振动试验台
六自由度空间机构Stewart平台机构简单， 具有高刚度、高精度、高速度、高
柔性、轻重量、低成本等诸多优点，自1965年问世以来，得到了广泛的关注，在
运动模拟、并联机床、并联机器人等领域具有广阔的应用前景。
在汽车试验上，六自由度平台已用于开发型汽车驾驶模拟器上，用于新产品
的设计、开发研究，可以对新车型或引进车型进行包括临界、极限工况的全工况
仿真试验，以分析、预估和评价汽车的操纵稳定性、安全性、制动性、动力性和
燃料经济性；为设计师提供新车型结构参数匹配的最优方案；为引进车型的国产
化进行性能比较和分析。图1-2是丰田汽车公司研制的目前世界上最大的汽车驾驶
模拟器，用于主动安全技术和主动驾驶等方面的研究。
第一章 绪论
3
图1-2丰田公司的六自由度汽车驾驶模拟器
六自由度平台在整车试验上已成功运用多年，但在汽车零部件振动耐久性试
验上却极少见，目前市场所见到的汽车模拟运输振动试验台多为三自由度以下运
动，极少数为六自由度，而实际汽车行使是空间六个自由度都可能发生的， 因此
利用六自由度平台进行汽车零部件振动、运输振动试验，能够更真实地模拟实际
路面行使条件，为设计开发人员提供有力的帮助。
§1.2 六自由度试验平台的特点及应用
§1.2.1 六自由度试验平台的特点
1965 年德国学者 Stewart 提出了一种具有六自由度运动能力的并联机构飞行模
拟器，它由上、下两个平台和六个可伸缩的支腿通过运动副连接而成，这样运动
平台与下平台就进行 6个独立运动，即有 6个自由度，在三维空间可以做任意方
向的移动和绕任何方向、位置的轴线转动。后来这种六支腿的并联机构被命名为
Stewart 平台，从而开辟了研究并联机构的新篇章。Stewart 平台作为典型的并联
机构，与串联机构相较具有精度高、刚度大、结构稳定、承载能力强、运动惯量
小、动态特性好等优点，因此从 Stewart 平台诞生以来受到各国许多学者关注，并
在理论和应用领域取得了相当丰硕的成果[5]。
从理论的角度来看，对 Stewart 平台的研究涉及机构学、运动学、动力学和控
制方法等多学科领域内容。
（1）运动学最基本的内容是位置分析。位置分析是求解机构的输入与输出构
件的位置关系，这是六自由度运动平台运动分析的最基本的任务，也是机构速度、
加速度、受力分析、误差分析、工作空间分析、动力学分析和机构综合等的基础。
要实现平台的精确位置控制，首先必须解决六个驱动杆与平台的精确位置关系，
可通过两者的位置的逆解及正解得到。所谓平台的位置逆解，即给定的平台相对
六自由度汽车多功能动态试验平台的研究
4
于基础平台的位置及转角求出所需的各驱动杆伸缩量；反之，即为位置正解。
在串联机构位置分析中位置正解比较简单，而位置逆解较为困难；而在并联机
构中却恰恰相反，位置逆解较位置正解简单。目前位置逆解的解析算法己比较成
熟，而位置正解由于平台的位置量与各分支的伸缩量间的非线性关系求解比较困
难。目前，位置正解较实用的方法是用数值分析的方法求解一非线性方程组，求
其数值解。正解解析解仍是当今研究的热点和难点[6]。
（2）分析 Stewart 平台的动力学主要是为了确定驱动装置的输出力或力矩，以
平衡平台所受的惯性力及其它外部力[7]。与并联机构的运动学存在正解和反解相对
应，并联机构的动力学也存在正、逆动力学两类问题。正动力学问题，是给定各
杆驱动力(或驱动力矩)及阻力(或阻力矩)的变化规律，计算动平台的运动规律，速
度及加速度。逆动力学问题是已知动平台运动规律和阻力(或阻力矩)，求各杆的驱
动力(驱动力矩)。
（3）在六自由度平台中，多个驱动杆将作用于同一个负载，各驱动杆的输出
及伺服电机控制将相互影响，从而导致负载的交叉耦合，影响系统的控制精度，
甚至引起系统的不稳定，传统的控制方法(如PID 控制)不能满足动态性能的要求。
近年来随着智能控制算法的发展，将智能控制算法用于六自由度运动平台的控制
中，是一个有效的解决途径。如方艺将研究了神经网络 PID 在六自由度平台控制
中的应用[8]，翟传润将模糊神经网络复合控制用于飞行模拟器的电液伺服控制[6]，
李世敬等将鲁棒变结构运动控制方法用于 Stewart 平台控制[9]。
§1.2.2 六自由度试验平台的应用
到目前为止，基于 Stewart 平台应用的成功实例有：轮胎测试机、运动模拟器、
并联机床、精密定位平台和振动隔离平台等。
（1）轮胎测试机
轮胎测试机是目前能追溯到的最早的 Stewart 平台的应用，在 Stewart 提出具
有六自由度运动能力的并联机构飞行模拟器之前，1947 年Gough 发明了一种并
联机构用作轮胎测试用途，如图 1-3所示。图 1-4展示的是 Beeson 发明的基于
Gaugh 平台机构的 Dunlop 轮胎测试机，截至到 2000 年还在使用[10]。
（2）运动模拟器
常见的运动模拟器有飞行模拟器、车辆行驶模拟器、舰船驾驶模拟器等。飞
行模拟器是在地面模拟飞行器在空中飞行和地面运动的设备，是典型的人在回路
实时仿真系统和虚拟现实的应用实例。作为飞行模拟器载体的并联六自由度运动
第一章 绪论
5
图1-3 Gough 轮胎测试机 图 1-4 Dunlop 轮胎测试机
系统是飞行模拟器非常重要的组成部分，它能提供飞机运动过程中飞行员能感觉
到瞬时过载动感，重力分量的持续感及部分抖动冲击信息，使飞行仿真更加逼真，
其本质是由计算机实时控制并能提供俯仰、滚动、偏航、升降、纵向平移和侧向
平移的六自由度瞬时过载仿真设备。Cappel 发明了第一架基于六自由度并联机构
Stewart 平台的飞行模拟器[7]，如图 1-5所示。
在新型汽车的研制过程中，汽车行驶模拟试验台是一个仿真公路真实情况的
实验装置。奔驰汽车公司的行驶模拟试验台是一个集研究与开发为一体的模拟试
验台，它的模拟质量表达了车辆在行驶中的真实情况。另外，美国 Ford 汽车公司
也研制出汽车行驶模拟试验台[11]。我国吉林工业大学汽车动态模拟国家重点实验
室从奔驰公司引进了一台汽车行驶模拟试验台[12]，如图 1-6所示。
图1-5 Cappel 发明的第一架 图 1-6吉林大学研制的
飞行驾驶模拟器 汽车驾驶模拟器
（3）并联机床
并联机床又称虚拟轴机床。自 20 世纪 90 年代以来，新型的并联式机床是六
自由度平台发展的新动向。这种机床的主轴和刀架均装在动平台上，工件固定在
摘要：

摘要Stewart平台是一种六自由度空间机构，其结构简单，具有高刚度、高精度、高速度、高柔性、轻重量、低成本、能实现六自由度运动等诸多优点，经过几十年的发展，在机床、航天航空、医学、机器人等领域的研究和应用已有很大的进展。在汽车领域，作为汽车驾驶模拟器平台国内外很多学者和公司也已做了很多工作，并在道路安全研究等方面取得了应用。在汽车振动以及道路模拟试验台应用上，国内外的研究比较晚，文献也比较少。目前大多数汽车运输振动试验台和零部件振动试验台只能模拟单自由度运动或者三自由度运动，而实际中汽车是在空间六自由度运动的。而少数国内大企业拥有的多轴模拟试验台基本上为国外进口，无论从自主开发，还是机构新领...

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