２００９全国仿真技术学术会议论文集

飞行模拟器六自由度运动平台动力学仿真

文俊１，一，韩彦东２，西光旭２

（１．北京航空航天大学能源与动力学院，北京１００１９１；

２．空军军训器材研究所。北京１００１９５）

摘要：在ＵＧ环境下建屯的六自由度运动平台模型为研究对象，在ＡＤＡＭＳ／ｖｉｅｗ模块下对其添加约束和驱动后，进行动力学仿真。在给定六自由度运动平台各执行机构的位移随时间的变化规律，驱动负载平台实现六个自由度的运动，并通过ＡＤ・ＡＭＳ／Ｐｏｓｔｐｒｏｃｅｓｓｏｒ模块对六自由度运动平台上下铰链的约束力和执行机构的驱动力进行求解，同时得到其随时间的变化规律。方法避免了大量的数学计算和计算机语言的编程工作。通过ＣＡＥ的方法实现ｒ对六自由度运动平台的动力学仿真，解决了六自由运动平台在不同位姿情况下的各连接部件的受力分析的难题。为上下铰链和执行机构的设计提供了力学依据。并为六自由度运动平台的优化设计提供了实现方法。关键词：飞行模拟器；六自由度；运动平台；动力学；仿真中图分类号：ＴＰ３９１．９

文献标识码：Ａ

ＤｙｎａｍｉｃＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆ６——ＤＯＦＭｏｔｉｏｎＰｌａｔｆｏｒｍｏｆＦｌｉｇｈｔＳｉｍｕｌａｔｏｒ

ＷＥＮＪｕｎｌ”，ＨＡＮ

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ｌ

引言

六自由度运动平台是飞行模拟器的重要组成部分。其

为飞行员提供了飞机运动过程中能感觉到瞬时过载动感，重力分鼍的持续感以及部分抖动冲击信息，使飞行仿真更加逼近真实飞行。从动力学观点看，六自由度运动平台是一个高度非线性、强耦合、变参数的多变量系统。在运动过程中，虽然运动平台的总体质最为一定值，但当它处于不同位姿或以

不同的速度运动时，作用在各个分支上的负载将在几十倍的

范围内作非线性变化，属于典型的变负载系统…。因此在飞行模拟器六自由度运动平台的设计过程中对其进行动力学分析是非常必要的。本文针对六自由度运动平台，应用

收稿Ｉ＝１期：２００９—０３—３０・—－——１５６．－－——

ｕＧ［２１对其进行建模，然后将其导入到ＡＤＡＭＳ‘３１软件中对其

进行动力学分析，仿真结果快速、准确。该方法贴近工程实际、提高了工作效率、降低了开发成本。并为六自由度运动平台的进一步优化设计提供了实现方法。

２六自由运动平台模型

１９６５年，Ｄ．Ｓｔｅｗａｒｔ提出将并联六自由度机构用作训练飞机驾驶员的飞行模拟器ＨＪ，因而这种由上下平台和６根驱动杆组成的并联机构也被称为“Ｓｔｅｗａｒｔ机构”。现行的飞行模拟器六自由度运动平台结构基本都采用“Ｓｔｅｗａｒｔ机构”形式。本文在ＵＧ环境下通过实体建模和由底至上的装配方法建立了六自由度运动平台的模型（如图ｌ所示）。该模型由运动平台、固定平台、６根伺服驱动杆（Ｌｌ—ｋ）和１２个胡

克副（Ａ。一Ａ。：）组成。６根伺服驱动杆通过改变长度来实现

４曲甲台Ｊ“５ｋ俯仲、滚转偏航、升降纵Ｍ、Ｆ穆Ⅻ侧向１Ｐ穆的女自ｍ艟瞬时过载。

３

ＡＤＡＭＳ／Ｖｋｗ环境下为六自由运动平台虚拟样

机的建立

＾ＤＡＭＳｆＡｕＬｏｍａｔＪｃＤｙｎａｍｉｃＡ．ａｔｙｓｌｍｏｆ

Ｍｅｏｈａａｉｅａｌ‰－

ｌｅｍ）为机械系统动力学分析软件，自将多体动＾学建模片法

与大｛ｔ移、ｊ｝线性分析求解功能栩鲋台，利历酿软什进行ｍ

构ｇ动学自ｌ动山学仿真分析、绘制仿真结耀曲线。ＪＥ巾ＡＤ—ＡＭＳ／Ｖｉｃｗ皿ＡＤＡＭＳ系列产品的植。模块之一，采川“川

户为ｃ｛一心的史５Ｌ止嘲Ｊ口环境，将嘲标撵作桨曾操怍鼠标操

作与空＾式图孵建模仿舡计算动目＃ｍ优化醴计曲线处理结粜分析和数据打印等功能集成巾一起。

３

１在ＡＤＡＭＳ／ＶＩｅｗ环境下导＾模型

自ｆＡＤＡＭＳ的建模能ＪＪ鞍措，Ⅲ々业ＣＡＤ软件ｎ何造

型功能强大。在』程寅Ｊｈｉｒｔ＇利用ＣＡＤ软件蜢太的造喇功能

进｛ｒ苇、部什的建模装目，洱呼＾ＡＤＡＭＳ之－１・进打杷ｍ的

分析．从而发抨戟“符自的优势，

奉史将ＵＧｃ１・建口册＾自ｌｈ运动１Ｆ青的模Ⅷ辅ｍ为ｈ－

一Ｍ的格式文件，然■扯ＡＤＡＭＳ／ＶＩｅｗ的Ⅱ境Ｆ利用【Ｉ叶

ｍｎ】命々将女ｎ由度｛动平台帕模Ⅲ导＾。髂后将Ａ自由

度４动平台并构件进ｉｒ编辑．赋，扎材料属性。＾２在ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ环境添∞约束和驱动

女ｎ南废运动平台的构什总数为１４，运功剐总数为１８．

Ｊｔ中包括６个咖拄刚，１２个捌克副，圆柱剐约求两个挎ｒ｝沿轴线既ｒＵＨ旋转也一ⅡＨ潜蒋．茸使州十构件之问有１个平动的ｒ｜ｌｈ度自Ｌ十转动的自山度．胡兜削约求两十构ｎ之问的

３十平动自山度和１个转动ｎ…度．Ｊ￡使Ｍ十构＂之问有２个旋转自由度。

＾ｒｊｔｔｌ度《曲半什的自小度ＦｈＫｕｔｚｂｍｈＣｍｂｌｅｒ公式”

ｎｒ目

Ｍ＝６（…ｇ

Ｉ）＋≥。ｚ

（Ｉ）

＿

式中ｎ为构什散．ｇ为所有构什之６Ｕ的《动删数』为第ｉ十

运砷洲帕｛１１ｘ，ｔ自自度数。对于女…｝ｊ应运功平台一１４，ｇ

＝１８，∑，＝３６，Ⅳ＝６。

在ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ环境ｒ通过ｉ动副将《动平台固定平台和倒服“动轩莲接起米。ＡＤＡＭＳ将根据《动构件舯数

量掏仆问的约求娄’ｎ业其驱动类型和数日对机构的自由度

进行骑“。本文ｍ过对６根伺服驱动杆舔加ｇ动蛹数束使ｉ动平台产生各种不同的运动姿态。由幽２ｑ知，机柑的自山度为６，且与“算的结果完全哟台。

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目２＃《４∞∞｛自Ⅲ∞自∞自自＆

４基于ＡＤＡＭｓ的动力学仿真

知蚓ｊ所ｉ的Ｅ行摸拟群“自…度ｇ动平台的Ｅ动参数如表１所Ⅲ，萁结梅毒散如袁２所币。

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４１

ＡＤＡＭＳ动力学分析的算法“”

ＡＤＡＭＳ利用带扎格朗ｎ采于的拉格朗ｆｉ第一共方科的

能量ＪＢ式得到如下方程：

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（ｚ）

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（６）

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将（４）式丹＊０表达为移动打向“转动打向为：

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（８）

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式（７）ｎｆ“简化为：

ＭＶ＝Ｆ日一ｃⅣ

（９）

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ＡＤＡＭＳ・Ｉ，没ｆ』进步推导Ｐ，．而址将其作为一个变址求解。这样Ａｎ＾Ｍｓｒ…ｔ十构什儿有如Ｆ１５个尘量Ⅻ１５十方程。

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ｊ＃巾Ｐ为系统的ＪＺ动甘；Ｈ为外力的±杯转换砸眸。对Ｔ

动力学微分＾稗，ＡＤＡＭＡＳ／Ｓｏｌｖｅｒ也括ｒ３个功能强＾ｆｎ求解器①ＯＩ）Ｅ求解器（求解微分＾样），采用刚性＃｛分＂、；嗜

非线性求解器（求解代数方程），采川Ｎｅ¨ｏｎ—Ｒａｐｈｓｏｎ逃代算法；③线性求船器（求肼线＂ｒ方程），采用稀疏＊阵技术“提高效率。

４

２驱动目数的确定

在＾ＤＡｍ￥／Ｖｉｅｗ环境ｆ”＾ｆ川｜度压动半自进行仿直

时，其首要对６根伺胜驱动朴的驯动ｍ散进｛Ｔ确定。车空在运动平台形一５位挂址摧加一个相对十目定平青彤０的多自南度Ｗ动（如嘲３所Ⅲ）。然后撤描表１的运动毒数确定《

动平台形心在各个自由度方向Ｅｍ移随时¨的尘化函数。佴№过《动激励，对女根伺服驱动杆的移动刚进行测毓，将忙穆方向选取为辖动副ｒ卅杆长的古向。枉时《动平台进行仿真后．就可“得到６根何睢驱动朴位移瞄时Ｈ变化的曲

线，在＾ＤＡＭⅣ‰ｔＰ眦∞ⅫⅡ境Ｆ将这６条帅线分刷保存

为样条曲线Ｓ＃ｉｎｅｌ—Ｓｐｌｉｎｅ６．然后再把昧束加在运动平台

形心位置处的多ｈ自度驱动定义为失散，重新在６报伺服ｗ动杆的移动剐上施加６个线ｔ动，卅每个函数定义为ＡＫＩＳ－ＰＩ（ｔｉｍｅ．０，Ｓ＃ｉｎｅｎ．０），则此６撒｛ｑ服％动扦的驱动函数借

咀确定．随即Ⅲ对＾自由度ｔ曲平台进｝ｌ动力学仿真。

４

３六自由度运动平台仿真分析

本文限于篇幅只在仿真垃程中，仳仪ｍ■降俯仰为例

对＾自由度平台进行动力学仿直丹析。

＾ｎ旺Ｊｔ动平台在¨降ｉ动状态Ｈ日』

ｒ铰链的约束

力和恫服％动杆的输出力矩的变化规砟分别如吲４刚６所《。

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圈４升降运动状态上铰链约束力曲线

圈５升降运动状态下铰链约束力曲线

圈６升降运动状态伺服驱动杆输出力矩曲线

六自由运动平台在俯仰运动状态下的上、下铰链的受力和伺服驱动杆的输出力矩的变化规律分别如图７一图９所示。

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圈７俯仰运动状态上铰链约束力曲线

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图８俯仰运动状态下铰链约束力曲线

圈９俯仰运动状态伺服驱动杆输出力矩曲线

５结语

飞行模拟器六自由度运动平台是大负载多耦合的复杂系统，因此在其机构设计过程中对关键部件的动力学分析是

设计的重点和难点。本文通过运用ＡＤＡＭＳ软件平台对某型

飞机飞行模拟器六自由运动平台的动力学仿真，避免了对机构的动力学方程以及其求解进行繁琐的分析和计算，提高了

设计效率，降低了研发成本。

运用ＡＤＡＭＳ软件可以仿真得到六自由度运动平台各构件的运动学、静力学和动力学特性。ＡＤＡＭＳ虚拟出了不同

时刻、不同位姿和过载条件下机构各部件的受力情况，为精确控制伺服电机奠定了基础，也为控制策略的优化提供了准备。

运用ＡＤＡＭＳ软件对六自由度运动平台动力学仿真，可进一步得到各伺服驱动杆的驱动力矩和各虎克铰约束力随六自由度运动平台结构参数的变化曲线，通过对相关曲线的分析，即可以实现对六自由度运动平台优化设计。

参考文献：

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４结论

率史根据ｃ糌争球定位系境的特点＆【徘原日，埘ＧＰＳ

『ｊＰ早鹰仿真、【１碹《动轨迹硅植、ｎ艰导航电史的产生’耐制Ⅱ＊信口的捕按解码仿直“厦伪４ｒ仿真樱州进行ｒ研

究。用Ｍａｔｉａｂ软什系统的忻豇ｒｆｒ隅ｐ＊的ｔ动轨迹ｃ％

｝航信譬的产生々调制、捕获‘』解硼、用户位什的确定等一系列过程。仿真结果表明对ｎ龌情口的捕按解码结粜Ⅻ预

先州制的信息一致，征明了ＪＪ毋廿航电史信号Ｍ制～解谢仿真的Ｕ信十ｉ：。但受条件ｍ制，ｎ研究过稗中，假定用门没打

４动的情况下＋Ｈ涉厦单十１Ｊ毋譬航信号的谢制々解调＋埘多十卫星导航信弓『日时调制和解调时所产牛的ｆ扰“及川户在４动时对ｃ舟ｌＪＲ信辱的跟踪束做研究．这是下一步研究的方Ｈ

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飞行模拟器六自由度运动平台动力学仿真 作者： 作者单位： 文俊， 韩彦东， 西光旭 文俊(北京航空航天大学能源与动力学院,北京 100191 空军军训器材研究所,北京 100195 ， 韩彦东,西光旭(空军军训器材研究所,北京 100195 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_7294165.aspx

飞行模拟器六自由度运动平台动力学仿真