岸桥操作模拟器运动平台洗出算法研究

许艺腾 施笑畏 陆后军

摘 要：岸桥运行速度的提高对岸边集装箱起重机操作模拟器中的关键——动感模拟系统提出了新的更高要求，针对岸边集装箱起重机仿真模拟器运动系统，提出了设计岸桥操作模拟器体感模拟算法的实现方法。在该实现方法中，考虑洗出位置对模拟逼真度的影响，从而求出最优的洗出位置；并在满足运动平台快速回位性能以及低于人体运动感觉阀值的要求下，优化了操作模拟器体感模拟算法固定参数，以改善系统性能，提高模拟逼真度。并应用MATLAB建立了仿真模型。在此模型的基础上，通过运用一组实际运动数据对该算法进行仿真计算及分析，结果证明了该算法为一种有效的方法。

关键词： 操作模拟器； 三自由度；体感模拟算法；运动平台

引言

采用有限的操作模拟器运动系统的空间复现岸桥驾驶员在真实作业时的运动感觉，设计合适的洗出算法的使仿真得到的运动平台的运动参数与实际运动进行对接，以确保建成后的模拟器完成一次随机运动后可以缓慢回中，从而有足够的空间用于下一个动作，返回过程中不得使驾驶员感觉到移动。洗出运动要求低于人体感知阈值，使得在有限的运动空间实现无限空间运动感觉的目的[1]。所以，对实际操作室模拟的逼真程度取决于三自由度运动系统性能的好差。

1.体感模拟算法参数确定

本文运用的经典洗出算法的仿真效果是通过人体感知评价方法来衡量的，操作模拟器的驾驶员位于前庭中心的比力值是操作模拟器人体感知系统输入，比力是通过质心变换由最优洗出位置的加速度得到的，再将结果经过建立好的半规管及耳石模型后求出操作模拟器的驾驶员的运动感觉[2]；相应地，实际的比力输入与求得的人体运动感觉也对应计算出，前者比力值是实际人体感知系统输入，比力是通过质心变换由最优洗出位置的加速度得到的，再将结果经过建立好的半规管及耳石模型后求出实际的驾驶员的运动感觉[3]，但在经典洗出算法的设计中，人体高低频率的运动感觉是由运动信号分别通过高低通通道得到，实际操作过程中，人对运动的感觉是整体的，所以操作模拟器驾驶员的整体运动感分别是由高低频运动感觉相加后得出的，并将得出的数据与实际的人体感知系统数据作比较，确定耳石模型参数如表1-1所示[4]。

表1-1耳石模型参数

耳石模型参数 纵向 横向 垂向

3.45 3.45 3.45

1.25 1.25 1.25

10.2 10.2 10.2

0.2 0.2 0.2

0.25 0.25 0.30

2.洗出算法滤波器的设计

考虑到岸桥大车、小车的情况以及模拟器的结构，一般只采用三阶或者两阶。 为各滤波器的自然频率， 为滤波器的阻尼比，这些参数的选择对模拟器模拟效果也会有影响，需要通过不断的仿真，确定最佳的参数。

因为运动平台运动范围有限，没有办法模拟长时间的持续加速。为了复现小车的持续动感，体感模拟算法利用重力向量在模拟器坐标下横轴和纵轴的分量来实现的。首先将比力f通过低通加速度通道，高频部分信号从而被过滤，保留有效的低频部分，该低频部分要求不能出现会造成大动作误位移操作的信号[5]。为了不让人察觉到旋转，所以要保证角速度不超过驾驶员的感觉阀值以内，即：

本文研究的运动平台的运动主要为两个方向，所以运动的仿真也需分两个方向单独考虑，最终确定最适合的参数如表2-1所示[6]。

表2-1 滤波器参数选择

滤波器

平移高通滤波器 2.5 0.2 1

平移低通滤波器 5.0 0 1

3.洗出算法仿真结果分析与评估

按照第三章构建的仿真模型以及选择好的参数，利用MATLAB中的simulink模块进行仿真，根据信号调理的需要，低通滤波器一般都是采用两阶低通滤波器。现有的运动平台，旨在验证一种参数优化算法。三个正交的加速度计安装在运动平台的上表面上，以测量提供的加速运动平台。经计算得到的洗出滤波器参数保证了复杂微小的加速度值或高频信号的呈现。然而对于平台的大值的加速度信号，由于空间限制运动的低频运动，本算法可以用于运动平台的移动的最大量[7]。

图 3-1 电动缸位移

由于电动缸传输过程中，线性制动器杆被分成若干补偿的平均时间间隔，它是由PLC控制电动缸的执行返回到零点，电动缸出杆的零坐标是坐标零点。从电动缸的初始位置调整至最大位置，从而使误差减少[8]。根据实验结果图3-1所示，洗出过程中每一个电动缸的伸长量没有超过其运动的最大范围，并且这三个制动器是不允许接近电动缸做功冲程的最大行程，如果调整洗出算法参数来增加低频再现能力的加速度信号会导致液压缸行程超限，这是行不通的。小车方向的最大位移约为0.6米，波动值主要分布在加速和减速阶段的过程中，这些线会聚在某一点。大车方向的最大位移约为0.3米，并不超过电动缸行程，所以它满足平台的要求。倾斜协调曲线趋于温和，可有效描述运动平台的工作状态。因此本文确定的洗出算法参数可以充分利用有限的运动平台空间为驾驶者提供了真实岸桥操作室的运动感受。

4.结束语

本论文以岸边集装器起重机操作模拟器为研究对象，对体感模拟系统的开发与优化提出实际的依据，虽以岸桥为原型，但对同类操控设备的操作模拟器的研究也具有参考意义，为今后对更高的模拟逼真度要求的模拟器的开发打下了基础，但由于经典洗出算法本身的局限性，如倾斜协调优化不足，整体的人体体感需由高低通通道进行叠加，该叠加过程并非代数求和，涉及参数需进一步优化等仍须改善，但其便于控制的优势使得设计相对简单。运动平台的具体参数的设计需要进行多目标的联合优化，从而确定更加符合要求的参数范围，本文研究的操作模拟器已通过仿真进行了验证，但还未应用到实际的操作模拟器上，故还需在实际的运动平台上检验算法的有效性。

参考文献

[1]延皓，李洪人，姜洪洲.六自由度运动模拟器的动感模拟算法研究[J].机械工程师，2003，（11）：25-28.

[2]董彦良，许彩霞，唐建林.6自由度平台的Washout滤波器设计及试验研究[J].机械工程学报，2003，11（1）：53-58.

[3]王小亮，李立，张卫华.洗出位置对列车操作模拟器逼真度的影响研究[J].机械与电子，2007（4）：21-24.

[4]王小亮.高速列车操作模拟器动感模拟系统研究[D].成都：西南交通大学，2009.9.

[5]蔡志刚.集装箱装卸桥仿真系统[J].计算机辅助工程，2007，16（2）： 62-64.

[6]李绍安.某型战机飞行模拟器三自由度运动平台的研制[D].武汉： 华中科技大学， 2005.

[7]韩蕾，王立文.洗出滤波算法在飞行模拟器中的应用[J].中国民航学院学报，2003，21（4）： 24-28.

[8]胡民春.六自由度列车驾驶运动平台研究[D].成都：西南交通人学牵引动力国家重点实验室，2005： 57-63.