运动仿真系统

运动仿真系统（精选十篇）

运动仿真系统 篇1

关键词：运动模型,模拟器,运动分析

在快艇模拟器的设计中，视景仿真平台的开发是在利用虚拟现实技术开发高逼真度、有沉浸感的三维模型，是整个模拟器开发的软件部分。它主要包括了视景仿真三维模型的建立、运动系统数学模型解算三维姿态建立两大部分。其中运动数学模型(快艇模型)是整个模拟器的核心，只有建立正确的运动模型才能保证模拟器最后达到快艇运动时的真实效果。

1 自由度和空间运动分析方法的选取

在运动模型(快艇模型)运动过程中,我们主要关注的数据是它的三维坐标X、Y、Z,和它的俯仰、侧倾、转向三个姿态,以及运动速度。他们分别为三个位移和三个角度和一个速度。在模型器开发中,根据实际的情况,有的能够开发出六自由度的训练模拟器,如果在外观上再加工细致,可以说与实物能取得最大的一致。完全模拟实艇车状态下的各种运动情况以达到一种理想状态，是不现实的。基于仿真度、成本——效益比等综合因素的考虑，研究以三自由度仿真器模拟以下三种运动：俯仰Pitch、侧倾Roll和转向Turning运动，这也是实车中使用最频繁最重要的运动姿态。但是,由于我们的运动仿真平台并没有安放在转轮上,无法实现绕Z轴的旋转,但是可以三个液压缸同时作上下运动,所以能够实现俯仰Pitch、侧倾Roll和抬升Heading运动。

目前，世界上用来进行空间机构运动分析的学习方法很多，有四元素法、矩阵、回转变换张量法、建立在球面三角基础上的向量代数法等等.对于绕定点的空间转动，回转变换张量法具有方便、简洁、实用的优点。

2 回转变换张量法解算三维姿态

2.1 坐标轴的转换

2.1.1 绕坐标主轴回转的坐标变换

将坐标系Oijk绕坐标轴k回转θ角，这时得到另一坐标系Oi'j'k'。如上所述,点P在坐标系Oijk中的坐标为(x,y,z)，在新的坐标系中的位置坐标为(x',y',z')，如图1所示。

设新坐标系各单位向量i',j',k'在基础坐标系Oijk各坐标上的分量分别为i'i,i'j,i'k。各元素由运动参数—转角θ的函数构成,表示坐标系Oijk绕k回转θ角所得的Oi',j',k'坐标系坐标的变换,表示为Ekθ。

2.1.2 绕共原点的任意回转变换

如图2所示,基础坐标系Oijk绕O任意回转到达新坐标系Oi'j'k'的位置。对于绕共原点任意回转的情况，可以转化为绕坐标主轴连续转动的过程。由坐标系Oijk到达坐标系Oi'j'k'可用欧拉变换的方法，连续三次绕不同坐标主轴而得。方法如下：

1)取k、k'的公垂线ON，这时i与ON同垂直于k，故将绕轴回转θ角即可到过ON的位置;

2)由于ON是k与k'轴的公垂线,故将k绕ON回转Ф角而到达位置k’;

3)由于k'是ON和的公垂线，这时将ON绕k'回转Ψ角,ON可达i'位置。

则按公式及上述变换的顺序,则有：

可知E为坐标系Oi'j'k'对坐标系Oijk的坐标变换矩阵,也为回转变换张量，且等于三个绕坐标主轴的回转变换张量的连乘积。

2.2 转换运算

根据空间两点之间的坐标计算公式，可以分别计算作动器I、II、III在此姿态下的实际长度L1、L2、L3，即：

当i=1,j=a,可得作动器I在此姿态下的长度L1;当i=2,j=b,可得作动器II在此姿态下的长度L2;当i=3,j=c,可得作动器III在此姿态下的长度L3。

由此，可以得出当给定车辆与地面之间的状态参数(俯仰角(±α)、侧倾角(±β)、转向(γ))时，三个作动器活塞杆在此姿态下相应的伸长量ΔL1、ΔL2、ΔL3分别为：

2.3 逆运算

对于三自由度运动系统，控制系统的输入变量是三个角度，经转换运算以后变成三个作动器的伸长量。逆运算的目的是为了及时计算运动平台在运动过程中的实际姿态，即通过反馈(位置传感器)同时测出某一瞬间三个作动器的伸长量，经过计算得出运动平台的实际姿态(俯仰角、侧倾角、转向角)值。计算过程如下：

已知各作动器伸长量ΔLi(i=1、2、3)个坐标轴的长度投影为Xi、Yi、Zi。则各作动器长度Li为：

式中：Li0为各作动器在平衡位置α=β=γ=0时的长度，相应的在三个坐标轴的长度投影为Xi0、Yi0、Zi0。

由公式(3)得：

又因为：

这是一个非线性方程组Xi、Yi、Zi解这三个方程即可求得α、β、γ。

3 运动模型的特点

采用上述方法解算快艇模拟器三维姿态，建立模拟器运动模型，通过实验证明具有以下特点：1)计算过程相对简单，计算复杂度降低;2)所建立的运动模型和真实快艇运动基本相符，可以作为快艇模拟器的运动模型。

4 结束语

有关建立模拟器运动模型的知识很多，有很多地方值得取研究。文章中提到的六个自由度模型问题，其所考虑的问题就会更多，对其进行研究就必须具有相当的数学功底;还有可以采用别的空间机构运动分析方法对运动模型进行分析。

参考文献

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UG运动仿真-运动仿真基础知识 篇2

运动分析模块(Scenario for motion)是UG/CAE模块中的主要部分，用于建立运动机构模型，分析其运动规律，通过UG/Modeling的功能建立一个三维实体模型，利用UG/Motion的功能给三维实体模型的各个部件赋予一定的运动学特性，再在各个部件之间设立一定的连接关系既可建立一个运动仿真模型。UG/Motion模块可以进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。运动分析模块的分析结果可以指导修改零件的结构设计(加长或缩短构件的力臂长度、修改凸轮型线，调整齿轮比等)或调整零件的材料(减轻或加重或增加硬度等)。设计的更改可以反映在装配主模型的复制品分析方案中，再重新分析，一旦确定优化的设计方案，设计更改就可反映在装配主模型中。一、运动方案创建步骤1.创建连杆(Links);2.创建两个连杆间的运动副(Joints)3.定义运动驱动(Motion Driver)无运动驱动(none)：构件只受重力作用运动函数：用数学函数定义运动方式恒定驱动：恒定的速度和加速度简谐运动驱动：振幅、频率和相位角关节运动驱动：步长和步数二、创建连杆创建连杆对话框将显示连杆默认的名字，格式为L001、L002…….L00n质量属性选项：质量特性可以用来计算结构中的反作用力。当结构中的连杆没有质量特性时，不能进行动力学分析和反作用力的静力学分析。根据连杆中的实体，可以按默认设置自动计算质量特性，在大多数情况下，这些默认计算值可以生成精确的运动分析结果。但在某些特殊情况下，用户必须人工输入这些质量特性。固定连杆：人工输入质量属性，需要指定质量、惯性矩、初始移动速度和初始转动速度。注：必须选择好质心并且输入质量的数值，才能定义质量属性。

运动分析模块(Scenario for motion)是UG/CAE模块中的主要部分，用于建立运动机构模型，分析其运动规律。通过UG/Modeling的功能建立一个三维实体模型，利用UG/Motion的功能给三维实体模型的各个部件赋予一定的运动学特性，再在各个部件之间设立一定的连接关系既可建立一个运动仿真模型。UG/Motion模块可以进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。运动分析模块的分析结果可以指导修改零件的结构设计(加长或缩短构件的力臂长度、修改凸轮型线，调整齿轮比等)或调整零件的材料(减轻或加重或增加硬度等)。设计的更改可以反映在装配主模型的复制品分析方案中，再重新分析，一旦确定优化的设计方案，设计更改就可反映在装配主模型中。一、运动方案创建步骤1.创建连杆(Links);2.创建两个连杆间的运动副(Joints)3.定义运动驱动(Motion Driver)无运动驱动(none)：构件只受重力作用运动函数：用数学函数定义运动方式恒定驱动：恒定的速度和加速度简谐运动驱动：振幅、频率和相位角关节运动驱动：步长和步数二、创建连杆创建连杆对话框将显示连杆默认的名字，格式为L001、L002…….L00n质量属性选项：质量特性可以用来计算结构中的反作用力。当结构中的连杆没有质量特性时，不能进行动力学分析和反作用力的静力学分析。根据连杆中的实体，可以按默认设置自动计算质量特性，在大多数情况下，这些默认计算值可以生成精确的运动分析结果。但在某些特殊情况下，用户必须人工输入这些质量特性。固定连杆：人工输入质量属性，需要指定质量、惯性矩、初始移动速度和初始转动速度。注：必须选择好质心并且输入质量的数值，才能定义质量属性。三、创建运动副运动副就是将机构中的连杆连接在一起，从而使连杆一起运动。在运动副创建前，机构中的连杆是在空间浮动的，没有任何约束，具有6个自由度。运动副创建后，会约束一个或几个自由度，运动副具有双重作用：允许所需的运动和限制不要的运动。运动副的创建步骤：1)创建运动副要约束的第一个连杆2) 创建运动副第一个连杆的原点和方向3) 创建运动副要约束的第二个连杆4) 创建运动副第二个连杆的原点和方向连杆选择技术：UG运动分析模块用首选选中的对象判断要创建运动副的原点和方向。如果选中的对象是圆弧或圆，则运动副的原点设在圆弧或圆的圆心，运动副的Z轴垂直于圆的平面。如果首先选中的对象是直线，则运动副的原点设定在直线最近的控制点上，且运动副的Z轴方向平行于直线。如果选中的对象不能够确定运动副的原点和方向，则需手工定义运动副的原点和方向。运动副方向决定其自由运动的方向。转动副(旋转副和柱面副)按右手螺旋法则绕运动副的坐标系的Z轴运动。线性运动副(滑动副)沿Z轴移动。咬合连杆：设计位置和装配位置不一致。运动驱动：用来定义运动副上的运动驱动。常见运动副类型如下：1.旋转副它有两种形式：一种是两个连杆绕同一轴作相对的转动，另一种是一个连杆绕固定在机架上的一根轴进行旋转旋转副有一个绕Z轴转动的自由度，旋转副不允许两个连杆之间有任何移动。旋转副可以定义一个运动输入，旋转的正向由右手法则确定。一个旋转副去掉5个自由度。相连的两杆不在装配位置(装配位置和设计位置不一致)，选择复选框Snap Links(咬合连杆)可以规定旋转副的运动极限：2.滑动副可以实现一个部件相对与另一部件的直线运动，它有两种形式：一种是滑块为一个自由滑块，在另一部件上产生相对滑动;一种为滑块连接在机架上，在静止表面上滑动滑动副连接两个连杆，有一个自由度，连杆之间不允许有转动。滑动副可以定义一个运动驱动，移动的正方向是正Z轴方向。一个滑动副去掉5个自由度。一般来说，滑动副的原点可以位于Z轴的任何位置，滑动副都会产生相同的运动。较好的方法是将运动副的原点放在滑动副模型的中间。可以规定滑动副的运动极限3.柱面副实现了一个部件绕另一个部件(或机架)的相对转动。柱铰连接也有两种形式：一种是两个部件相连，另一种是一个部件连接在机架上。柱面副连接两个连杆，有2个自由度，1个移动自由度和1个转动自由度。不可以定义运动驱动一个柱面副可以由一个旋转副和一个滑动副替代。一个柱面去掉4个自由度。4. 万向节万向接头实现了两个部件之间可以绕互相垂直的两根轴作相对的转动，它只有一种形式必需是两个连杆相连。万向节可以连接2个成一定角度转动连杆，万向节有2个转动自由度，万向节不能加驱动，不可规定万向节的运动极限。万向节的原点必须位于ZY的交点，要避免产生折叠(小于90度的)万向节，或在期望的运动范围内会折叠的万向节。如果连杆的装配位置与设计位置不一致，则不能采用此运动副。确定X1轴的方向是确定万向节方向最简单的方法。用这种方法为系统设定万向节的旋转纵轴，可不必关心Y轴和Z轴的初始方向，因为Y轴和Z轴在旋转方向上可自由移动，故明确确定Y轴和Z轴的初始方向是不可能的。„第一个连杆的Z轴方向控制第二个连杆的Z轴方向，它们会相互成90度。5.球面副实现了一个部件绕另一个部件(或机架)作相对的各个自由度的运动，它只有一种形式必需是两个连杆相连。球面副连接两个连杆，有三个旋转自由度球面副不能加驱动，不能规定其运动极限。球面副的原点位于球和铰套的公共中心点。球面副没有方向，当创建球面副时，只需指定连杆和球面副的原点。6.平面副平面连接可以实现两个部件之间以平面相接触，互相约束平面副连接两个连杆，有3个自由度---2个移动自由度和1个转动自由度。两个连杆在相互接触的平面上自由滑动，并可绕平面内的法线自由转动。平面副不能定义运动驱动一个平面副去掉3个自由度7.螺旋副螺旋副本身不能对两个连杆进行约束。柱面副代表螺纹的一对螺栓和螺母，当柱面副和螺旋副结合后，柱面副提供约束，将连杆定位于圆柱/螺旋副的轴线上。螺旋副提供螺纹，因此螺旋副和柱面副结合起来即可模拟螺母在螺杆上的运动。不能给螺旋副添加驱动或极限。8.线缆副线缆副定义滑动副之间的相互关系。当一个滑动副移动时，相应的另一个滑动副也跟着移动，其运动关系可以是1：1的等速，同方向的运动关系，也可以定义其他的运动关系------一个快、一个慢及两个滑动副运动方向相反。该运动副可以用来模拟电缆、滑轮等。线缆副不能定义驱动，但可以对其中的一个滑动副加驱动。不能定义线缆副的运动范围。比率：第一个滑动副和第二个滑动副的运动速度之比。比率为正，第二个滑动副的运动方向和第一个滑动副的运动方向相同，反之相反。比率小于1，则第二个滑动副的运动速度大于第一个滑动副的运动速度。线缆副去掉2个自由度。9.齿轮齿条副齿轮齿条副模拟齿轮和齿条之间的啮合运动，选择现有的旋转副和现有的滑动副，即可创建齿轮齿条副并定义传动比。不能定义齿轮齿条副的驱动和极限，但可以给滑动副和螺旋副定义驱动。Z轴平行于齿条的滑动方向，原点是齿轮齿条牙齿的接触点。滑动副和移动副须预先创建比率参数等效于齿轮的节圆半径，单位为部件文件的单位，它定义了第二个连杆相对于第一个连杆沿运动副Z轴方向的移动比率。10.齿轮副齿轮副模拟一对齿轮，选择连个现有的螺旋副即可创建齿轮副，并定义齿轮的传动比。不能定义齿轮副的驱动和极限，但可以给螺旋副定义驱动齿轮的啮合点即为齿轮副的原点。比率参数即为齿轮传动比，无量纲。旋转轴可以不平行，既可以创建锥齿轮。四、创建力作用力使物体产生运动，作用力具有大小和方向，根据其方向的不同性质，在仿真模块中分为标量力和矢量力。标量力是具有一定大小，方向随运动连杆不断变化的力。矢量力是具有一定的大小，其方向保持不变的力。五、创建弹簧和阻尼弹簧是一个弹性元件，可给物体施加力，施加力的大小由胡克定律确定：F为弹簧力，k为弹簧刚度，x为弹簧产生的位移。弹簧创建步骤为：选择弹簧的第一个连杆选择弹簧的初始点选择弹簧的第二个连杆或单击“确定”按钮，弹簧固定到地选择弹簧的终点输入弹簧的刚度，默认值是1输入弹簧的自由长度，默认值是0阻尼对物体的运动起反作用，消耗能量，逐渐降低运动响应，常和弹簧一起使用，控制弹簧的反作用力，使弹簧的运动比较缓和。阻尼力是物体运动速度的函数，其作用方向与物体的运动方向相反，表示为：其中F为阻尼力，c为阻尼系数，V为物体运动速度阻尼创建过程为：选择阻尼的第一个连杆选择第一个连杆的阻尼附着点选择阻尼的第二个连杆，或单击“确定”按钮，阻尼附着到地。选择第二个连杆的阻尼附着点输入阻尼系数，默认值是1六、3D接触与碰撞3D接触可以用来建立实体之间的碰撞模型，当两个实体建立接触关系后，系统在每一步分析中检查两者之间的距离关系，一旦判断出有接触发生，求解器就计算出接触力和接触运动响应。接触力计算公式为：其中，F为接触力，k为刚度，x为穿透深度，e为力指数。七、图表与电子表格运动仿真模块提供图表与Excel电子表格功能，运动仿真结果可以在UG环境下绘制曲线图形或进行表格形式的显示。图表功能生成电子表格数据库并绘出下列仿真结果：位移、速度、加速度和力。图标功能是从运动分析中提取这些信息的唯一方法。请求：位移、速度、加速度、力、电动机驱动组件：幅值(总值)：只考虑线性运动。该选项给出一个合值或总值而不考虑沿各个特定方向的分量。以位移为例，该选项会给出从A点到B点的最小距离，而不考虑沿X、Y、Z轴方向的分量。X、Y、Z：分别绘出沿X、Y、Z轴的线型运动值。这些选项允许将每个轴隔离开来单独研究。角度幅值：只考虑旋转运动，给出一个总值或合值，而不考虑绕各个轴的角度分量。欧拉角：用来描述刚体的定点转动，用动坐标系相对于固定坐标系的三个角度来表达，动坐标系固连于刚体，并且随刚体一起绕定点转动，开始时两坐标系重合。欧拉角度1：动坐标系绕固定坐标系Z轴转动的角度。欧拉角度2：动坐标系转到新位置后，绕其X1轴转动的角度。欧拉角度3：动坐标系转到新位置后，绕其Z1轴转动的角度。相对和绝对绝对：图标显示的数值是按绝对坐标系测量获得的。相对：图标显示的数值是按所选的运动副或标记的坐标系测量获得的，当所选的运动副或标记的方向与绝对坐标系不一致时，就应选用相对参考坐标系。运动函数：显示结构中运动副所定义的运动驱动函数。Y轴定义：选择了“运动对象”设置了“请求”和“组件”后，就可以将该曲线绘制出来。Y轴将显示这些曲线各自的值。X轴定义：以时间作为X轴，默认值。也可以由用户自定义。

多自由度本船操纵运动仿真 篇3

摘要：为在航海模拟器中充分体现船舶操纵运动的响应特性，提高模拟逼真度，保证教学效果，对船舶多自由度操纵运动进行建模与仿真研究，其中较为完整地考虑了耦合的纵向、横向、艏向、横摇及纵摇运动.根据MMG建模思想分析船舶耦合的横摇和纵摇运动规律，在常规的三自由度船舶运动方程的基础上，建立多自由度耦合船舶运动方程，并设计相应的数值求解方法.针对一个双桨双舵小型目标本船，根据经验公式并结合实船操纵经验，建立具体的本船操纵运动模型；通过数值仿真定性研究其在各种情况下的操纵运动.仿真得到的运动规律与实船运动规律一致，说明运动方程及本船模型可以较为真实地反映实船运动规律.

关键词： 船舶操纵性； 数值仿真； 航海模拟器

中图分类号： U661； U666.158 文献标志码： A

3结束语

为真实体现船舶在不同操纵情况下的运动响应规律，采用基本的MMG模型，给出多自由度耦合的操纵运动模型，完整计入纵向、横向、艏向、横摇和纵摇5个自由度之间的耦合作用.根据航海模拟器运算特点，给出了简化的数值计算方法.针对一小型高速船，展开仿真研究，仿真结果表明：船舶在加减速、回转等过程中表现出的运动规律，与实船经验运动规律符合得很好，能够真实反映船舶运动响应规律.

参考文献：

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典型运动机构的虚拟仿真系统开发 篇4

在传统的机械设计与制造过程中, 首先是论证及方案设计, 然后进行产品设计。在设计完成后, 为了验证设计, 通常需要制造样机并进行试验, 有时这些试验甚至是破坏性的。当通过试验发现缺陷时, 又要回头修改设计并再用样机验证。只有通过反复的设计—制造样机—验证—设计的过程, 产品才能达到要求的性能。对于结构复杂的系统, 设计周期无法缩短, 更谈不上对市场的灵活反应。在大多数情况下, 为了保证产品能按时投放市场, 从而中断验证过程, 使产品在上市时难免有缺陷。在市场激烈竞争的大环境下, 基于实物样机的设计验证过程严重地制约了产品的开发、质量、成本和对市场的反应。因此, 传统的设计方式无法满足缩短开发周期, 提高产品质量, 降低成本以及对市场的灵活反应。

计算机运动仿真作为计算机仿真技术的一个分支, 可以归入虚拟现实技术VR (Virtual Reality) 的范畴。借助于这项技术, 产品设计工程师们可以利用计算机建立虚拟的机械系统模型, 模拟其在现实环境下系统的受力和运动特性, 并根据仿真的结果来优化系统的设计。计算机运动仿真技术已代替或部分代替产品结构设计、样机制作、工艺试验等工作, 以获取所需数据结果并最终完成对产品的性能验证。

1 Solid Works简介

Solid Works是一个基于Windows界面的三维机械设计、工程分析软件。该软件目前已经在各类院校和企业中广泛应用。该软件使用了Windows的OLE技术并内置了丰富的API函数, 用户可以调用其中的API (Application Programming Interface, 应用程序编程接口) 函数, 完成对Solid Works的控制和操作, 像VB、C++等常用编程软件很容易完成对其的二次开发。

1.1 建模模块

Solid Works和其他的很多三维软件一样, 具有强大的建模能力, 无论是简单的平面零件还是复杂的曲面零件都可以先建立2D草图, 然后通过一系列的命令建立3D零件。在SolidWorks中可以实现“尺寸驱动”, 即通过改变草图或特征的尺寸而自动改变零件的尺寸和形状。

1.2 装配模块

在Solid Works中, 可以创建由许多零部件所组成的复杂装配体, 这些零部件可以是零件或其他子装配体。添加零部件到装配体中, 并在装配体和零部件之间添加一系列的配合, 当Solid Works打开装配体时, 零件中的更改将自动反映在装配体中。

1.3 运动仿真模块

在Solid Works中, 运动算例是装配体模型按约束条件运动的图形模拟。可将诸如光源和相机透视图之类的视觉属性融合到运动算例中。运动算例不更改装配体模型或其属性。它们模拟模型规定的运动并以动画的形式展示。

2 虚拟实验系统的建立

虚拟实验系统选用的平台是三维设计软件系统SolidWorks, 它是基于Windows的全参数化特征造型软件, 可十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。该系统以参数化和特征建模的技术为核心, 为设计人员提供了良好的设计环境, 还可以方便地对Solid Works进行二次开发。虚拟实验室的建立主要经过建模、编程、仿真等几个阶段。

2.1 实验装配零件库的建立

为了满足模型齐全的要求, 选用Solid Works2012进行零件的三维造型, 并把所有实验室内要用到的零件做成了一个零件库。

2.2 机构运动设计方案的确定

在拟订方案之前, 首先可以从过去成功的设计案例中进行检索, 看是否有与设计要求类似的设计案例。如果有, 则以这个案例为模板, 并对其作适当的修改, 以满足当前的设计要求。这样做即可以保证设计要求, 还可提高设计效率。如果没有类似的设计案例, 则利用所掌握的专业知识和经验进行新的设计。

2.3 虚拟装配

在虚拟装配之前, 在磁盘上新建一个文件夹, 用以存放选择的零件和最后形成的装配体。打开一个新的装配体文件, 将选好的零件插入到这个装配体文件中, 在零件之间添加相应的装配配合关系就可以了。各构件之间的装配关系和其运动副关系是这样定义的:若是转动副, 则在两零件连接处添加端面贴合和同轴心关系;若是移动副, 则在两零件接触处添加平面贴合关系。对于机架和导轨等固定不动的构件, 通过右击Solid Works特征管理树 (Feature manager) 中相应零件的实体名, 在弹出的菜单内选择固定来实现。

2.4 对机构运动的干涉检查

在装配体形成后, 首先要对其进行初步的干涉检查。可以使用Solid Works自带的干涉检查功能。如果觉得不够直观, 则可以用拖动其中某个构件的方法, 观察各个构件的运动情况, 直观地看它们的运动是否会发生干涉, 如果发生干涉, 两个零件将有重叠的部分, 这就需要对机构中的参数或零件位置进行调整。

2.5 机构运动的仿真

机构动态仿真的实现相当于在每一运动时刻, 将各个构件根据约束摆放到空间的指定位置上, 构件的初始位置在装配体装配好以后就确定了, 其中机架位置的坐标值用户是可以自己设定的, 而构件在运动当中的各个数据是由外部机构分析程序提供。因此, 这种机构三维仿真方法不受机构的复杂性和自由度所限制, 给出不同的输入, 外部分析程序会提供不同的运动数据分析结果, 使机构得以实现不同的运动。

2.6 机构参数的调整

因为Solid Works可以实现尺寸驱动, 所以改变装配完的机构中构件的某些参数, 如杆长、机架的位置后, 只需要对装配体机构进行重建模型, 其他零件的相应位置会根据配合关系跟着改变, 而不需要拆卸后重新装配。通过VB编程调用SolidWorks中的API函数可以很容易实现对零件的尺寸改变。

3 虚拟仿真系统的使用效果

本系统选择了十几个具有典型运动机构做了完整的运动虚拟实验, 在操作的过程中只需要输入相应的参数, 点击相应的按钮就可以实现运动仿真, 如图1所示。

为了弥补所选运动机构的不足, 本系统还建立了补充用的零件库。通过典型运动机构中的零件和零件库中的零件, 可以实现多种机构的运动仿真。当然, 对于比较特殊的零件也可以单独的建模, 然后和本系统中的零件相配合, 以实现更多系统的运动仿真。

4 结语

通过本系统开发的虚拟机构、零件库和使用者自己补充的零件可以完成各种复杂机构的运动仿真。该系统除可以用于学校的教学、学生的创新设计外, 还可用于中小型机构的开发验证。

参考文献

solidworks运动仿真总结 篇5

为了帮助广大SW爱好者和学习者更加方便，高效地学习和应用SW运动仿真（动画）来表达自己的作品，下面是作者在学习过程中遇到和总结一些问题，希望能对学者有帮助。

运动仿真

【动画】在核心SolidWorks 内使用。可使用【动画】来表达和显示装配体的运动：通过添加马达来驱动装配体中一个或多个零件的运动。通过设定键码点在不同时间规定装配体零部件的位置。动画使用插值来定义键码点之间零部件的运动。

【基本运动】在核心 SolidWorks内使用。可使用【基本运动】在装配体上模仿马达、弹簧、碰撞和引力。【基本运动】在计算运动时考虑到质量。【基本运动】计算相当快，所以可将其用来生成使用基于物理模拟的演示性动画。

【Motion分析】在 SolidWorks Premium 的 SolidWorks Motion 插件中使用。可利用【Motion分析】功能对装配体进行精确模拟和运动单元的分析（包括力、弹簧、阻尼和摩擦）。【Motion分析】使用计算能力强大的动力学求解器，在计算中考虑到了材料属性和质量及惯性。还可使用【Motion分析】来标绘模拟结果供进一步分析。

用户可根据自己的需要决定使用三种算例类型中的哪一种： 【动画】：可生成不考虑质量或引力的演示性动画。【基本运动】：可以生成考虑质量、碰撞或引力且近似实际的演示性模拟动画。【Motion分析】：考虑到装配体物理特性，该算例是以上三种类型中计算能力最强的。用户对所需运动的物理特性理解的越深，则计算结果越佳。

视频保存压缩质量——越高越清晰 可选择时间段保存

马达的运动优先于弹簧、引力运动

零部件移动的速度与其质量特性有关。弹簧

隧道扫描

旋转楼梯的动画

.做关联动画时，注意“会变形的零件”要在“装配体中”（插入新零件）建模得到，好让新零件与其他零件相应部位关联，从而使改变这些原有零件的位置重新建模后可以实现新零件的变形。

路径（圆弧类）运动出错： 1.配合不严密

2.速度太大，难以解出 3.视频帧数太低

以上3点不准确（正确）!其实质上是在路径运动中，物体是在路径上平移，而不是滑移。当运动到对面时，该移动物体会跑到里面去； 解决方案：

1.里外都配合物体，使用装配体拉伸切除在路径里面（切除不需要的部分）。2.使用分段运动，【齿轮画法及其仿真】

GearTrax2012——同于画齿轮的软件

使用CAX或者其他软件，画好后，调入SW拉伸。

拉伸齿轮草图时，尽量对称。便于后期配合。1.先定位，后齿轮配合 2.齿轮啮合：分别在两个齿轮上画过齿轮心的齿根和齿顶的两根直线，并配合为“重合”，为演示效果，需将其配合压缩（目的是给齿轮啮合定位）。如果解压缩会导致该配合完全定义而无法转动。

3.配合无误后再仿真

【总结】

1.对于一个装配体，首先得有一个思路，用什么方法，用什么视图，用什么表达方案？

2.仿真之前，确定了那些不需要表达和运动的零件可以将其转换为零件（曲面）/使用装配体特征合并——连接

3.尽量将可变量的参数配合放在最后一个装配体中，（层级削减作用？）...4.使用自定义爆炸视图，5.每一种运动仿真，其使用的零件都应单独保存，不要重复使用，以便后面修改完善。

6.路径运动，初始键最好不要放在0s处，并且百分比最好从0开始，有效长度发生变化，或者

7.一般被转化过的曲面零件，不能正常动画，需要转化为实体，例如在（拉伸切除）

遇到的问题：

1.动画下拉框被隐藏，有时候很难找到，其实它还在框线上，被过渡下拉了

只要移动鼠标，鼠标会以移动窗格方式显示，将其往上拖动即可显示完全，如图。

2.修改一些大型装配体时，零件自动被透明或隐藏。（零件太多，太卡，点击重建命令）

或按

Ctrl +B 2.装配体对称问题，总是同向向；

高级线性阵列特征（参考“随形阵列”，读者自行百度）

运动仿真系统 篇6

让计算机或机器人具有像人一样的视觉, 是科学家们一直追求与探索的目标。随着计算机技术、视觉传感器技术、摄像技术以及立体视觉理论的发展, 利用视觉传感器来获取环境图像, 并用计算机实现对视觉信息的处理, 从而形成立体视觉, 逐渐使这一目标变成现实[1,2,3,4]。本文采用了目前国内外进行机电一体化系统设计时最常用的虚拟样机技术, 基于3D数字化设计平台UG, 采用赫尔姆霍茨模型作为参考, 设计了一种新型的具有三自由度的双目立体视觉运动平台, 如图1所示。

1 平台控制系统方案

在本设计中, 平台要求的“眼睛”左右偏航运动空间范围是±60°、“头部”俯仰运动空间范围是±45°。“眼睛”左右偏航和“头部”俯仰运动驱动电机拟采用步进电机。该平台的主要目标是对偏航运动和俯仰运动位置进行精确控制, 所以就要对步进电机的速度和位置进行精确控制, 实现对步进电机速度和位置信息的实时闭环反馈。总体的系统控制方案框图如图2所示。

该控制方案采用的是一种“步进电机+控制卡+驱动器”的全伺服闭环控制方式, 它由安装在步进电机轴后端的增量式编码器来对电机进行失步检测, 在步进电机丢步时使其重新恢复到正确的位置点上。所以在本运动平台中, 每一个自由度都可以看作是一个带位置反馈的伺服系统, 即控制系统可按二阶系统的方式进行设计, 其控制传递函数为:

按照设计指标设定系统的性能指标, 暂设定系统最大超调量为σp=2%, 峰值时间tp=1 s, 根据公式 (2) 、 (3) :

计算得:ζ=0.78, ωn=5.02 rad/s。

2 平台控制系统仿真结果及其分析

为了验证运动平台跟踪目标物体时各个部件的运动协调性和运动精度, 在允许的运动范围内, 对左右偏航、头部俯仰运动分别给定一个周期变化的正弦运动跟踪要求。本文采用ADAMS与MATLAB软件对该平台的控制系统进行仿真分析[5]。

在分析中, 对左右偏航和头部俯仰运动的控制器设定整定参数。其中, 左右偏航设置相同的参数:Kp=140, Ti=0.4, Td=1.5;头部俯仰参数:Kp=22, Ti=0.3, Td=1.2。

在MATLAB/Simulink中设置解算器的仿真算法为“0de15s (基于数值微分公式的变阶算法) ”, 设定仿真时间为10 s, 仿真运行的结果如下:

(1) 立体视觉运动平台左右偏航的运动跟踪曲线 (图3) 。

(2) 立体视觉运动平台头部俯仰的运动跟踪曲线 (图4) 。

(3) 图5和图6是立体视觉运动平台左右偏航与头部俯仰电机控制力矩随时间变化曲线。其中, 左右偏航电机施加的控制规律是相同的, 所以控制力矩曲线相同。

从图3、图4中可以看出, 在闭环控制系统下, 对偏航运动和俯仰运动位置的控制是精确的, 步进电机没有失步或超步。

从图5中可以看出, 在开始系统加速时, 因为电机要克服传动链的静摩擦力, 所以需要一个较大的力矩输出, 这时控制力矩达到最大的峰值。随着静摩擦变成动摩擦, 阻力下降, 所以控制力矩输出迅速下降, 进入稳态过程, 这时系统也进入稳态。

从图6中可以看出, 在系统处于初始状态时, 运动平台的头部是在水平平衡位置上的。当系统开始加速后, 头部因为俯仰运动而失去平衡, 所以瞬间电机的控制力矩输出变大, 当头部俯仰运动一直在垂直面反复时, 重力惯性一直作用在平台的头部, 故控制电机需要不断调整控制力矩的输出, 以克服头部的运动惯性, 使其一直处在动平衡的状态。

3 结语

仿真分析结果表明本立体视觉运动平台在对步进电机实行闭环控制后, 可以得到平顺的运动, 避免由于运动的突变冲击引起步进电机的失步现象, 有效保证了运动位置的控制精度, 消除了位置振荡现象, 位置跟踪迅速, 效果明显, 从而保证了整个视觉运动平台能够平稳达到预先期望的位置。仿真分析的结果进一步验证了立体视觉运动平台的机械结构设计和控制系统设计的合理性, 证明了本立体视觉运动平台的设计达到了运动范围的要求, 并为机器人视觉运动平台的设计或类似的设计应用提供了一个机电一体化设计的思路, 有效地缩短了设计周期, 并提高了设计的精确度。

参考文献

[1]唐新星.具有立体视觉的工程机器人自主作业控制技术研究:[博士论文].吉林:吉林大学, 2007

[2]贾云得.机器视觉.北京:科学出版社, 2000

[3]朱正德.零部件表面缺陷的机器视觉检测模.MC现代零部件, 2005 (9) :68

[4]龙甫荟, 郑南宁.计算机视觉模型的研究与发展.信息与控制, 1997, 26 (2) :113

运动仿真系统 篇7

1 系统框架设计

系统实现的流程如下:

(1)客户端请求或送出数据。

(2)服务器设置读取数据,通过JDBC操作数据库。

(3)读取数据进行仿真并存储仿真结果。

(4)读取数据制作三维动态视频,存储生成的视频所在的路径。

(5)返回数据给客户端。

图1描述了系统实现的整体框架。

2 数据库设计

2.1 任务及功能目的

在给定了船舶运动的初始条件以及控制策略后,在某一外部条件下(比如在给定某风速、风向、水速、水向),船舶开始进行仿真运动,随着外部环境的改变,船舶的运动轨迹会根据仿真的结果作相应的调整。直到目的地,仿真才结束。在每一次仿真过程中应当能够记录下每一次仿真过程所对应的初始条件、控制策略、外部条件以及船舶的实时运动状态数据。因此设计该数据库的功能目的如下:

(1)实现一个船舶运动的网络数据库,通过注册用户或者管理员的身份进入网站进行船舶的模拟仿真操作,网站管理员可以对船舶、操舵员等进行信息管理,包括船舶和操舵员的添加、修改和删除。

(2)为了给船舶在航行过程中存储各种外部环境参数并提供实时的仿真数据,用于指引船舶的运动,获取仿真后的船舶运行轨迹。

2.2 需求分析

通过对系统需求的调查分析,细化软件功能,采用数据流程图(DFD),如图2所示,将系统划分为各个子系统,明确每个子系统所要完成的主要逻辑功能,采用以图形的方式描绘数据在系统中流动和处理。数据流图是用来表示系统的逻辑模型,如图3、图4、图5所示。

2.3 概念模型(E-R图)

如图6所示。

2.4 由E-R图可得到如下关系模型

船舶:(船舶ID,船舶长度,船舶载重)。

初始设置:(初始设置ID,起点纬度,起点经度,终点纬度,终点经度,静水速度,初始舵角,初始航向)

控制策略:(控制策略ID,策略说明)。

仿真过程:(仿真ID,船ID,初始设置ID,控制策略ID)。

外部条件:(外部条件ID,运行类型,风向,风速,水向,水速)。

采样:(采样ID)。

仿真数据:(仿真ID,外部条件ID,采样ID,实时纬度,实时经度,实时速度,实时舵角,实时航向,偏航量,距终点距离,已仿真时间,采样时刻,舵角,比例系数,积分系数,微分系数)。

3 关键技术

3.1 Matlab与数据库的连接

本系统采用通过JDBC来建立Matlab与MS SQL Server2005数据库的连接,具体连接方式如下

(1)首先建立一个SQL Server数据库,这里已经建立了ship数据库,并下载相关JDBC驱动,比如:sqljdbc.jar,可将该驱动放在了matlabroot/java/jar/toolbox文件夹下。

(2)为使Matlab能够使用这个驱动文件,需要定义环境变量,打开并修改matlabroot/toolbox/local/classpath.txt这个文件,将$matlabroot/java/jar/toolbox/sqljdbc.jar写到文件最后一行,保存,关闭文本。

(3)重新启动Matlab。

(4)调试JDBC。

注:此时如果显示:connection to/mySQLDB successful.(数据库链接成功,如果不行则需要检查JDBC驱动以及JDBC数据源设置是否正确)点击Add/Update,把刚才的设置保存的新建立的配置文件中。选择OK完成此操作。

(5)在提示符变量名=('数据库名','用户名','密码','驱动关键字','数据库地址')。

如:conn=database('ship','sa','sqlserver','com.microsoft.sqlserver.jdbc.SQLServerDriver','jdbc:sqlserver://localhost:1433;database=ship')建立一个连接实例。

在建立链接后,可以输入简单的SQL语句进行测试数据库的链接情况.

此后要做的工作就是如何将Matlab与所使用软件环境的接口配置

1)使用MATLAB中的deploytool。根据提示就可以将相应的.m文件转换成.jar文件了。构建后系统会在项目路径下生成两个文件夹:src和distrib。

2)将G:matlabanzhuangtoolboxjavabuilderjar文件夹下的javabuilder.jar文件复制工程里面的文件夹下:E:WorkspacesMyEclipse 8.5ship_simulationdblib,并将其导入Myeclipse工程中。同理也将打包好的ship_simulation.jar导入工程(方法参见上文)。

3)再将javabuilder.jar和ship_simulation.jar复制到E:tomcat6apache-tomcat-6.0.32lib。

4)编写JavaTestMatlab.java文件调用ship_simulation.jar中的方法。

5)编写JSP文件调用JavaTestMatlab.java文件。

采用JDBC连接数据库的优点:

(1)相对ODBC技术,由于其查询语句需要一个程序循环对结果进行处理,因此,程序可能需要若干十语句同时处于活动状态,故使用ODBC与数据库的通信通常速度较慢,不满足数据库实时、动态的特点。

(2)相对VQB,其主要优势主要集中在查询和显示功能方面,在数据表的编辑、记录的增删修改方面还有待完善。且Matlab的database工具箱只支持ODBC数据库连接,在使用之前需要先设置ODBC数据源,较为繁琐。

综合以上分析,并结合实际项目需求,采取Matlab通过JDBC连接数据库的方法实现与数据库的通信。

3.2 JSP+JavaBean模型的实现

3.2.1 模型模块

数据层是整个网站进行数据处理的最底层,是实现与数据库中的数据进行交互的一层。系统采用JDBC技术实现对数据库的操作。

(1)用对象的方式实现对数据的访问处理

在系统的数据处理过程中,很多都是对某一实体信息的操作,如对船舶的添加、修改、删除等。为了方便操作的管理和开发过程中概念的清晰,采用对象模式来进行处理。

实体类分别为:船舶类ship、操舵员类operator等这些类都定义在包里。

(2)利用存储过程实现对数据库表的数据处理

为实现一个统一的利用数据库存储过程进行数据的处理,建立数据库连接管理器类DBManager。

3.2.2 控制器模块

控制器用来实现用户的业务逻辑,调用数据层类进行数据操作,同时接收数据库返回的操作。控制器关联实体类,实体类作为数据的载体,可以用于参数传递[4]。

3.3 局部数据刷新

本网站结合运用了Ajax与JavaScript技术,通过Ajax,JavaScript可使用XMLHttpRequest对象来直接与服务器进行通信。通过这个对象,JavaScript可在不重载页面的情况与Web服务器交换数据,实现页面的局部数据刷新,提高了页面的响应速度,增强了用户的体验效果。

如:(1)在选择船舶类型时,一旦表单的选择项发生了变化,就会在不重载页面下与Web服务器交换数据,刷新相应的船舶信息。

(2)击仿真按钮后,显示船舶运动的状态,每隔一秒刷新船舶当前状态的具体数据。

3.4 安全设计技术

本系统主要从3方面去加强Web数据库的安全性:

1)基于数据库管理系统SQL Server的安全性实现

SQL服务器必须设置成3种登录安全模式(集成安全、标准安全和混合安全)之一来保护数据库的安全。

1)集成安全:集成安全允许一个SQL服务器使用WindowsNT认证机制来对所有的连接进行登录证实,只有可信、多协议或命令管道允许登录。

2)标准安全:标准安全采用SQL服务器本身登录认证过程证实所有的连接。为登录到一个SQL服器上,每个用户必须提供一个有效的登录ID号和口令。

3)混合安全:混合安全允许SQL服务器登录请求采用集成安全或标准模式进行认证。可信连接(采用集成安全和不可信连接标准安全)均可支持。

这里采用第三种混合安全模式登录。

(2)基于Session机制的身份验证技术

Session是一种记录客户状态的机制,保存在服务器上。客户端浏览器访问服务器的时候,服务器把客户端信息以某种形式记录在服务器上。客户端浏览器再次访问时只需要从该Session中查找该客户的状态就可以了。Session机制就通过Session标识(称为Session ID)来确认客户身份。Session ID的值应该是一个既不会重复,又不容易被找到规律以仿造的字符串,这个Session ID将被在本次响应中返回给客户端保存。

使用Session机制要求用户必须先进行登录操作,只有登录成功后才可以访问其他的网页,而不允许在地址栏中输入网址便进入相应页面进行操作。

Session对应的类为javax.servlet.http.HttpSession类。每个来访者对应一个Session对象,所有该客户的状态信息都保存在这个Session对象里。Session对象是在客户端第一次请求服务器的时候创建的。Session也是一种key-value的属性对,通过getAttribute(String key)和setAttribute(String key,Object value)方法读写客户状态信息。

(3)采用增加验证码的登录方式

验证码(CAPTCHA),是一种区分用户是计算机和人的公共全自动程序。可以防止恶意破解密码、利用机器人自动注册、论坛灌水、提交垃圾数,有效防止某个黑客对某一个特定注册用户用特定程序暴力破解方式进行不断的登录尝试,实际上使用验证码是现在很多网站通行的方式,虽然登录麻烦一点,但是对报障系统的安全来说这个功能还是很有必要,也很重要。所谓验证码,就是将一串随机产生的数字或符号,生成一幅图片,图片里加上一些干扰像素(防止OCR),由用户肉眼识别其中的验证码信息,输入表单提交网站验证,验证成功后才能使用某项功能。其主要是由生成验证码的image.jsp和登录页面login.jsp页面完成。

4 功能测试

4.1 系统管理模块

(1)操舵员注册,注册成功后放可进行船舶运动仿真。

(2)模拟船舶运动模块,操舵员可以进行船舶运动条件的设置,仿真,查看船舶运动状态。

(3)管理员模块,管理员对操舵员、船舶的信息进行管理。

4.2 重要功能测试结果

下面两个页面综合运用了大量的Ajax与JavaScript结合技术。通过Ajax,JavaScript可使用JavaScript的XMLHttpRequest对象来直接与服务器进行通信。通过这个对象,JavaScript可在不重载页面的情况与Web服务器交换数据。

登录成功后选择船型、控制方案,设置初始条件,该页面综合运用了Ajax与JavaScript的结合技术,船舶信息数据通过访问数据库取得,在选择船舶类型或控制方案时,一旦表单的选择项发生了变化,就会在不重载页面下与Web服务器交换数据,刷新相应的船舶信息及控制方案,提高了网页的响应速度,增强了用户的体验效果。输入始末经纬度和初始航向、舵角等,便可提交表单,并存入对应表中。

进入船舶运动仿真界面,设置船舶运动的环境参数(图7),点击“确定”按钮,保存设置的参数,调用仿真文件;点击“仿真”按钮后,显示船舶运动的状态,每隔一秒刷新船舶当前状态的具体数据;点击“停止”按钮后,船舶停止运动。点击“查看视频”,船舶运动的三维动态视频形象显示。点击“查看仿真结果”,可以查看船舶仿真结果的的详细数据,也可以输入指定的仿真ID和外部条件ID来查找结果。

5 结语

选择合理的技术方案能使系统具有较好的性能和扩展性。本Web数据库应用系统不仅从体系结构的选择、基于船舶运动的网络数据库的设计、数据库与Matlab的连接技术、系统开发技术及其总体流程等方面做了详细的介绍,而且还针对网络数据库存在的安全性问题进行了探讨并给出了几个提高系统安全性的方法,最后还进行了几个重要的功能测试,较好地实现系统的设计要求,给用户带来更加方便、快捷操作的同时也增加了一定动态体验。

摘要：构建一个基于JSP+JavaBean的B/S体系结构的船舶运动的网络数据库,给船舶仿真提供一个与用户交互的平台,使用SQL Server 2005,结合Ajax+JavaScript技术,主要采集模拟船舶运动仿真过程所需的参数、显示船舶运动状态参数以及运行轨迹,并可以方便地对船舶、操舵员(用户)等进行信息管理。

关键词：B/S体系,船舶运动,网络数据库,JSP,Ajax

参考文献

[1]孙铁鑫.浅谈B/S和C/S结构的对比[J].今日科苑,2007,(6):42-42.

[2]Hans Bergsten.Java server Pages,Third Edition[M].O'Reilly,2003.

[3]苗雪兰,刘瑞新,宋歌.数据库系统原理及应用教程[M].北京:机械工业出版社,2007.

[4]孙卫琴.Java面向对象编程[M].北京:电子工业出版社,2006.

运动仿真系统 篇8

移栽机的核心部件是栽植机构,是保证秧苗栽植质量、提高工作效率的重要部件,它反映了移栽机的发展过程和进步水平。本文研究一种新型悬杯式移栽机的栽植机构作为栽植系统的研究基础,针对其在进行移栽作业时存在的一些问题,如移栽质量不稳定和钵苗直立度不能完全达到农业技术要求等,对栽植机构进行分析和改进,以寻求最优的结构形式和工作参数。

本文建立栽植机构的数学模型,确定投苗速度作为栽植质量评价的目标函数,根据栽植系统的工作参数和结构形式建立约束条件,利用Matlab软件的优化工具求解问题的最优解。通过计算机辅助分析方法,对栽植机构进行了运动仿真分析,求解运动学参数,即悬杯的运动轨迹、运动速度和加速度,用以评价悬杯式移栽机的作业性能。

1 栽植机构的工作原理

悬杯式栽植机构的主要部件有栽植轮和栽植器(主要包括悬杯、连杆—凸轮机构、弹簧)等,结构如图1所示。

工作时,地轮通过传动系统驱动栽植轮转动,悬杯始终与地面保持垂直,并随栽植轮转动;当悬杯转到上面时,由人工将钵苗投入悬杯中,当栽植轮转到预定位置时,凸轮也随之转到回程位置,连杆受到弹簧的拉力向后推动悬杯,悬杯水平打开,向后推动钵苗至开沟器开出的沟内;然后覆土、镇压,完成栽植过程。悬杯离开钵苗后,在凸轮的作用下慢慢闭合,等待下一次喂苗。

1.栽植器 2.栽植轮 3.悬杯 4.连杆 5.凸轮 6.弹簧

2 悬杯运动轨迹的数学模型

悬杯主要用来盛苗和栽苗,其运动直接影响了钵苗的运动,是决定移栽机工作性能的主要因素之一。因此,悬杯的运动轨迹反映了栽植机构参数设计是否满足栽植农艺要求,并直接影响移栽机的栽植质量。悬杯的运动受所在栽植器运动和凸轮—连杆机构运动的影响。

1)栽植器的运动是拖拉机前进运动和栽植轮圆周运动的合成,运动过程如图2所示,轨迹方程为

由(1)得

式中 vt—机器前进速度;

Rz—栽植轮半径;

ω—栽植轮转动的角速度;

t—时间;

H—栽植轮中心到地面的距离。

2)凸轮—连杆机构的运动如图3所示。投苗的水平速度与悬杯内壁D的速度相等,即v苗x=vDx。计算D点的水平速度为

vDx=vt-vx-vDrx (3)

其中,vDrx为D点相对于栽植器的水平速度。

由图3可知

vDrx=LODω1sin(φ1+Δθ) (4)

其中,ω1为杆L1的角速度。

对于连杆机构,利用复数法求解连杆机构的方程为undefined,应用欧拉公式eiφ=cosφ+isinφ将上式的实部和虚部分离,得

将式(5)分别对t求导,联立解得

ω1=undefined (6)

凸轮机构回程段的运动方程为

式中 vB—凸轮推杆的速度,即B点速度;

S推—凸轮推杆的位移;

h—凸轮推杆的行程;

ω—凸轮转动的角速度;

δ—凸轮转角;

δ′0—凸轮回程运动角。

将式(2)、式(4)、式(6)和式(7)代入式(3)得

undefined

3 栽植系统的优化设计

通过以上对悬杯运动分析可知,为了更好地设计悬杯式栽植机构的结构以及对参数进行优化,建立了以v苗x=0为目标的优化设计数学模型,提出了悬杯式栽植系统的优化设计方法。

3.1 优化设计的数学模型

3.1.1 目标函数

目标函数可以表述为

undefined (8)

3.1.2 设计变量

根据悬杯式栽植机构的结构分析和设计需要,选择工作参数及随工作参数变化需进行调整的参数为设计变量,即

3.1.3 约束条件

对于上述设计变量,根据生产和使用的实际情况,可以得到以下的约束条件:

1)投苗点的位置,用投苗角度α(α=ωt)表示,0<α<π,这是悬杯投苗的最大范围。

2)连杆机构的最小传动角γmin,undefined=undefined,即undefinedπ。

3)特征参数λ,λ=undefined<1。悬杯式移栽机较为理想的投苗条件是λ<1,栽植器的运动轨迹为短摆线,有利于保证钵苗的直立度,不伤苗。

4)连杆机构中偏心距e3,为了保证弹簧的安装,偏心距不能过小,要求e3>24mm。

3.2 优化结果

从上述建立的优化数学模型来看,它是一个非线性的约束优化问题。调用Matlab优化工具箱中的fmincon函数求解所建立的悬杯式移栽机栽植系统优化设计数学模型,其最优解如表1所示。

根据优化结果,优化后的目标函数值为 -4.459 5×10-5m/s,接近于0,满足零速投苗条件。最优参数值代入约束条件的相关公式计算,也都满足要求。

4 运动仿真分析

对优化后的结果进行运动仿真分析,在Solidworks软件中建立栽植机构的模型,如图4所示。设栽植轮转速n=5r/min,机器前进速度为vt=0.2m/s,初始条件设定后,对栽植机构进行运动仿真计算,求解悬杯的运动轨迹、运动速度和加速度,并与原模型的运动参数曲线进行对比与分析。

1)悬杯的运动轨迹如图5所示,符合悬杯式移栽机特征参数λ<1的条件。

2)分析悬杯水平方向的运动速度和加速度变化规律,分别与原模型的运动参数进行比较,如图6和图7所示。在栽苗点处悬杯的速度达到最小值,有利于零速投苗,加速度变大,方向向后,说明悬杯对钵苗有向后的推力作用;此时速度与加速度曲线发生突变,说明悬杯开启非常快,即凸轮迅速由回程转到近休止位置,悬杯相对栽植器静止,绝对速度与加速度由栽植轮转动和机器前进运动所影响;悬杯闭合时,凸轮由近休止转到推程位置,由于推程段是等速运动规律,因此出现加速度的第二次突变,加速度达到最大值。因为推程段不会影响移栽机栽植质量,因此可以通过改进凸轮推程段来减小加速度的最大值。

比较优化前后的运动参数曲线,速度曲线相近,优化后栽苗速度小于优化前的速度,更接近于0。加速度曲线有很大不同,相比较,优化后栽苗点处的加速度较小,不易伤苗,突变的幅度也较小,运动更稳定;但第二次突变的幅度较大,最大加速度大于优化前的加速度,可以通过改进推程段的运动规律来使机构运动更加稳定。

5 结论

1)选择悬杯式移栽机栽植系统作为研究对象,建立以栽苗速度为目标的数学模型,对栽植机构进行优化设计,得到机构各参数的最佳值,能够满足栽苗直立度的农艺要求。

2)通过运动仿真分析,改进优化后的悬杯轨迹、速度和加速度的变化规律都满足悬杯式移栽机的栽植要求。

3)通过优化前后运动参数曲线的对比分析,可知优化后的机构保证栽苗直立度,运动稳定性好,但需要对凸轮的回程段进行改进,以避免加速度的突变值过大。

参考文献

[1]秦贵.吊杯式移栽机的优化设计方法与试验研究[D].北京:中国农业大学,2002.

[2]张为政,王君玲,张祖立.悬杯式蔬菜移栽机的设计[J].农机化研究,2011,33(8):104-106.

[3]李其昀,鲁善文,杨宪武.吊篮式棉花移栽机的研究[J].农机化研究,2006(4):164-166.

[4]何岳平,陈青春,何瑞银,等.大蒜栽植机栽植系统优化设计与运动分析[J].农业机械学报,2011(2):88-93,119.

[5]魏文军,高英武,张云文.机械原理[M].北京:中国农业大学出版社,2005:25-38.

[6]陶栋材.现代设计方法[M].北京:中国石化出版社,2010:53-69.

运动仿真系统 篇9

一、活塞的主要尺寸

活塞的主要结构尺寸 (图1-1) , 可根据同类型发动机或统计数据选取。

1. 塞高度H

1) 活塞高度取决于以下因素:

应在保证结构布置合理和所需的承压面积条件下, 尽量选择较小的活塞高度。

2) 数据范围

2. 压缩高度H1

压缩高度H1决定活塞销的位置。H1取决于第一道活塞环至顶面的距离h、环带高度H5 (H5又决定于活塞环的数目及高度) 及上裙高度H4。在保证气环良好工作的条件下, 宜缩短H1, 以力求降低整机的高度尺寸。

3. 顶岸高度h (即第一道活塞环槽到活塞顶的距离)

1) h越小, 第一道环本身的热负荷也越高。应根据热负荷及冷却状况确定h, 使第一道活塞环的工作温度不超过允许极限 (约180~220℃) 。

2) 在保证第一道环工作可靠的情况下, 尽量缩小h, 以力求降低活塞高度和重量。

3) h/D的一般范围是:高速柴油机铝活塞为0.14~0.20;组合活塞为0.07~0.20。

4. 活塞环的数目及排列

1) 活塞环数目一般为:

高速机气环2~3道, 油环1~2道;

中速机气环3~4道, 油环2道 (少数用一道)

2) 油环布置:采用一道油环时, 油环装在销孔上方。

5. 环槽尺寸环槽的轴向高度等于活塞环的轴向高度b。

环槽底径D`取决于活塞环的背面间隙, 背隙大小与活塞的热膨胀有关, 并对环的背压有一定影响。D`可按下式估算

式中D活塞名义直径;

t活塞环径向厚度;

K系数, 铝活塞K=0.006, 铸铁活塞k=0.004

环槽底部的过度圆角一般为0.2~0.5mm.

6. 活塞顶厚δ

δ是根据活塞顶部应力、刚度及散热要求来决定的, 小型高速柴油机的铝活塞, 如满足顶部有足够的传热截面, 则顶部的机械强度一般也是足够的。热应力随活塞顶厚度增加而增大, 活塞顶厚度只要厚到能承受燃气压力即可。

7. 裙部长度H2

1) 选取H2应使裙部比压在许可范围之内, 裙部比压可按公式q1=Nmax/DH2 (3-6) 计算。

2) H 2/D的一般范围如下:高速柴油机为0.65~0.88;中速柴油机为1.0~1.1。同时, 上、下裙长应有恰当的比例, 上裙长度H4过小, 易产生尖峰负荷, 造成活塞拉毛及擦伤。一般比例为:H3= (0.6~0.75) H2。

8. 裙部壁厚δg

铝活塞裙部最小壁厚一般为 (0.03~0.06) D。薄壁裙部对减轻活塞重量有利, 但又需保证裙部有足够的刚性, 则可设置加强筋。

二、活塞销座

活塞销座的应力分布取决于销座与活塞销两者的变形是否互相适应, 如果活塞销刚度较大而销座刚度较小, 或者活塞销刚度小而销座刚度大, 则两者变形不能互相适应, 结果引起销座内孔上侧边缘等处产生严重的应力集中, 致使销座裂开。因此, 活塞销座的设计应与活塞销统一考虑, 要求活塞销有较高的刚度, 减少活塞销的弯曲变形, 而活塞销座能承受很高的压力, 又要具有一定的弹性, 使之适应活塞销的变形。一般来说销座外圆直径取d= (0.32~0.42) D (3-16) , 内径d0= (0.25~0.60) d (3-17) 。

销座本身结构复杂, 难以通过一般计算方法求得最佳结构尺寸, 可用实验来分析销座的结构情况。对强化程度较高的柴油机, 为了加强活塞顶和环岸的强度采用锻铝活塞时, 销座刚性就较好, 又因锻铝材料具有蠕变特性, 韧性和强度都较高, 能够弥补刚性大给销座上缘带来的过大应力, 不易在销座上出现裂纹。

三、活塞与缸套的配合间隙

活塞与气缸壁的间隙大小影响机油的消耗量、噪音、漏气量、活塞与气缸套的磨损以及活塞的冷却。选定的间隙应使活塞在热状态下与气缸壁具有最小的间隙, 该间隙在整个活塞高度上一致, 以增加活塞寿命;确定间隙时, 还要考虑气缸直径及活塞材料, 使之既不因间隙过大而产生敲击, 又不因间隙过小而卡住活塞。

由于活塞侧表面形状及椭圆的要求, 活塞间隙沿高度及圆周方向有不同的数值, 其中重要的是活塞顶部间隙和垂直销孔方向的裙部间隙。减小可以降低活塞头部的热负荷, 减小可以减弱活塞换向时倾侧摆动与敲击缸套现象, 从而可大大减轻缸套的穴蚀, 但活塞间隙过小, 也容易引起活塞的损伤和拉缸。在销孔轴线方向的裙部不承受推力负荷, 其间隙稍大一些对活塞运行性能的影响不很大, 因此在设计上的选择可以有较大的差别。

活塞间隙的数值与发动机的强化程度、活塞冷却方式、活塞材料、热处理规范及活塞外形等因素有关, 选取时必须考虑在全负荷时的最大膨胀量和变形的作用下不发生拉缸, 初步选取时可参考有关经验数据或按下式粗略计算:

式中活塞装配间隙;

△min最小工作间隙, △min要考虑到气缸由于温度不均匀而产生的收缩量, 活塞与气缸选配分组时每组的间隙公差, 以及油膜厚度或保险间隙等因素;

a2、a1分别为活塞和气缸套的线膨胀系数, 铝活塞为 (18~21) ×10-6mm/mm·deg;

分别为活塞和气缸套的运行温升, 最好根据试验资料确定, 水冷四冲程高速柴油机气缸套中部的工作温度约在110℃左右。

四、活塞三维建模

应用UG软件对活塞进行三维模型设计构建, UG (Unigraphics) 是集CAD/CAM为一体的三维参数化设计软件, 也是当今世界广泛应用的计算机辅助设计、分析和制造软件, 广泛应用于航空、航天、汽车、造船等领域。本设计中应用UG软件构建活塞三维模型, 方便设计分析, 加快设计进程, 同时集中体现了现代设计方法在本次设计中的应用。

参考文献

[1]李向利.491Q型发动机电控汽油喷射系统的优化匹配研究[D].河北工业大学, 2002.

[2]赵麒.电控汽油缸内直喷系统的研究[D].浙江大学, 2007.

[3]厉志荣.发动机气体流量计标定试验系统设计[D].同济大学, 2004.

运动仿真系统 篇10

智能水下机器人在海洋石油开发、矿物资源开采、打捞和军事等方面都有广泛的应用前景[1,2,3]。水下机器人已经开始取代过去由载人潜器和潜水员所承担的工作,尤其是在大深度和危险区域发挥了更大的优势。水下机器人运动控制的核心是嵌入式计算机系统,它需具有运动控制算法的实现、数据采集、与外设的通讯等功能[4,5,6]。本文以潜艇式有缆遥控水下机器人(ROV,Remotely Operated Vehicle)为对象设计了基于ARM9处理器的嵌入式控制系统,并进行了深度控制的仿真实验。

2 ROV结构

本文设计的可用于水下探测的ROV采用了开架式结构,搭载有声纳、姿态传感器。可以在岸上控制台通过电缆控制ROV完成前进、后退、上浮、下沉、左右转弯等动作。ROV结构如图1所示,耐压舱在中间,左右两边是浮力调节舱。电子舱用来安装高、低频信标机、姿态传感器和控制电路等,还可提供锂电池的空间。浮力舱用来提供浮力,框架把整体固定在一起,保证最大的稳定性。推进器由两个螺旋桨推进器组成,以保证ROV在水中可以自由地做前进、倒退和转艏运动。这种水下机器人结构有利于航向控制和前向运动。在水下运动时,横倾和纵倾运动对于该ROV是不重要的。水下探测ROV的航行速度较慢,其慢速与稳定性是水底探测任务所要求的。

基于浮力调节进行R O V的升沉运动和定深控制可以降低能耗。下潜、上浮运动通过调节两边的浮力调节舱的浮力来实现。ROV采用双螺旋桨推进器,布置在两侧,平行于中轴线。通过这两个推进器,既可以产生前进和后退的推力,也可以产生回转力矩,各自由度之间没有耦合。平行布置的两个推进器连线的中点要与浮心、重心在一条直线上,达到平衡推进。在浮力调节系统上采用了变质量调节系统,通过调节左右两个浮力舱的注排水量,改变整体浮力减少或增加,从而产生下降或上升的作用力。两个浮力调节舱不但能够调节ROV的浮力,还可调节ROV的姿态。螺旋桨推进器正向时最大推力为93千克力,反向时的最大推力为52.2千克力。最大工作水深300 m。

3 ROV控制系统设计

3.1 传感器系统

水下探测机器人的控制系统分为水下和水上两部分组成。水上节点采用工控机,工控机安放在母船上,通过光纤通信与底层的嵌入式计算机实现数据通信。其上运行Windows操作系统,其功能是监控水下机器人的运行情况,发送控制命令。水下节点采用基于A R M微处理器的嵌入式计算机,负责传感器数据采集,运动控制算法的实现和通信功能,其上运行Q N X操作系统。

水下机器人上安装的传感器有:

(1)姿态航向传感器

航向动态精度为0.5度,俯仰和横滚的动态精度为0.2度,尺寸:106 x29x26 mm,重量:0.15kg。

(2)运动传感器

俯仰和横滚动态精度为0.03度,升沉精度为5cm或5%,尺寸:φ134x120mm,重量:2kg。

(3)测扫声纳,长基线和超短基线水声定位系统。基于短基线和深度计获取位置信息,基于姿态传感器获取航向和姿态信息。

(4)压力传感器用于深度测量。

(5)可以搭载成像声纳、水下摄像机、荧光计、照明灯等。

3.2 嵌入式控制系统

嵌入式控制系统通过检测装置检测潜器的运动状态,将数据通过网络传输到水面计算机,水面计算机根据预定任务和预设算法计算出控制量,然后将控制量传给潜器,再由嵌入式系统控制潜器的运动装置。嵌入式控制系统框图如图2所示。

嵌入式控制系统的设计基于AT91RM9200处理器,内部集成ARM920T芯核,180MHz运行时有200MIPS处理能力;16KB的数据缓冲,16KB的指令缓冲;全功能MMU(存储器管理单元);16KB的内部SRAM和128KB的内部ROM[7]。

水下机器人的嵌入式系统框图如图2所示。通过I 2 C总线扩展出1 2位A D C,用于采集深度传感器数据,获取R O V深度。深度传感器的输出信号是4～20mA的电流信号,本系统采用RCV420精密变换器,可以将4～20mA的环路电流变换成0～5V的电压输出。模数转换器选用AD7992,转换时间2μs,与处理器通过标准的I2C接口进行数据交换。带光耦隔离器的I/O口用于控制浮力筒的开关。RS422和10M/100M以太网接口,用于和水面计算机通信。系统中的姿态传感器和信标机都是串口输出,并且通讯部分也需要一个串口,9200处理器内部串行异步收发器的数目不够,所以需要扩展串口,本系统采用SPI接口,外接两片GM8142进行串口扩展。扩展出的4路RS232串口,2路RS232用于采集航向和姿态传感器数据,获取水下ROV的运行状态。另外2路RS232接口采集高低频信标机数据。12位DAC来控制推进器电机。本系统采用两片4通道、12位精度、串行输入双极性输出的AD5726做为DAC转换器。

调试接口包括:LCD显示器、键盘和触摸屏等人机交互设备。

3.3 软件设计

水下机器人的运动控制软件在实时操作系统QNX下编写,包括网络通信模块、串口通信模块、传感器数据采集模块、数据管理模块、控制器模块。QNX操作系统具有实时性好的特点,采用多进程技术将控制算法、对传感器的信息处理和推力分配算法等统一在实时操作系统的框架下进行管理,从而提高动力定位控制系统的实时性和可靠性。采用多线程技术,接收网络数据和来自串行通讯的数据,保证程序运行的高效性和实时性。

4 横倾角和深度协调控制

调整和保持下潜深度是水下机器人的基本航行能力之一,水下机器人采用了浮力舱调节深度。它的垂直面协调控制系统方框图如图3所示。通过调整左右两个浮力调节舱的注水量来调节R O V整体的浮力从而控制下潜或者上浮运动。所以要考虑ROV浮力变化的过程,即左右两个浮力调节舱的充水量。ROV处于水面时是正浮力状态,浮力舱充水后,浮力减小到零,进入水下平衡状态。继续向浮力舱充水,浮力变为负值,R O V下潜,并且下潜速度增加。由于两个浮力舱的容积是一定的,所以有最大负浮力的限制。调节两个浮力桶的总浮力控制R O V的下潜深度,同时分别调节左右浮力桶,产生不同的浮力可以使R O V横倾。但一般情况下横倾角不需要控制,保持ROV水平就可以了。

横倾角控制的目的是在R O V初始下潜和上浮阶段,控制ROV的姿态。在水下大部分时间,保持ROV水平状态就可以了。R O V横倾角ϕ的控制是通过调节ROV左右两个浮力调节舱的不同的注、排水量来产生左右两个浮力调节舱的浮力差,即产生旋转运动的偏倾力矩。在深度控制时,将深度传感器的测量值作为反馈,横倾角控制采用姿态传感器的测量值作为反馈,都采用积分分离PID控制器。

横倾角、深度协调控制器根据输入期望深度与实际深度的偏差和期望横倾角与实际横倾角的偏差,输出控制ROV下降或者上升所需稳定的作用力,输出控制ROV偏转所需稳定偏转力矩,通过浮力解算输出左右两个浮力调节桶的注、排水量,实现ROV的横倾角控制和深度控制。

积分分离PID控制器具体实现如下:

⑴根据实际情况,人为设定一阀值ε>0。

⑵当|e(k)|>ε时,也即偏差值|e(k)|比较大时,采用PD,可避免过大的超调,又使系统有较快的响应。

⑶当|e(k)|≤ε时,也即偏差值|e(k)|比较小时,采用PID控制,可保证系统的控制精度。

写成计算公式,可在积分项前乘一个系数β:

式中β按下列取值:

ROV在水底的前进和转向运动通过控制两个螺旋桨推进器来实现。给定参数为航速和航向角,输出为两个推进器的推力。这里航向角控制器选择PID调节器。只有两个推进器,推力分配算法简单。

5 仿真研究

为了验证水下探测ROV设计的合理性,进行了仿真研究。

5.1 水下机器人模型建立

水下机器人6自由度运动模型的各个自由度彼此之间存在耦合,由于水下探测R O V常在低速下运动,可以将其运动分解为为水平面运动(包括状态变量x,y,ψ,u,v,r)和垂直面运动(包括状态变量z,θ,w,q)两部分,并且认为这两个自由度之间不存在耦合关系。

结合本文研究对象的情况,设计方案中ROV的外形为左右、前后对称,且重力、浮力分布可使其保持水平状态,无横倾或纵倾。其在水平面运动过程中,ROV满足条件:

此外,由于其只沿纵向平行安装两个水平推进器,推进器的作用只限于产生水下机器人的进退和转艏运动。当左右推进器产生相同推力矢量时可引起进退运动,而当两者产生大小或方向不同的推力时则可引起转艏运动。

根据上述假设和条件可以得到ROV在水平面内的简化模型:

式中:

mu,mv,Jz——包含附加质量的质量和转动惯量;

Xu,Xu|u|u|u|,Yv v,Yv|v|v|v|—沿X,Y方向的流体阻力中线性项和非线性项;

Nr r,Nr|r|r|r|——绕Z轴转动方向的流体阻力的线性项和非线性项;

Fx,Nz——为推进器产生的X轴向力和绕Z轴的转艏力矩。

ROV采用压载水舱进行垂直面的位置控制,其在垂直面的模型可以简化为:

式中:

mw=m-Zw&——包含附加质量的质量;

Zw w,Zw|w|w|w|——沿Z方向流体阻力的线性项和非线性项;

Fz——压载水舱产生的垂向作用力。

5.2 仿真验证

仿真情况设定为:ROV由初始静止状态开始运动。为实现直航,需保持左右推进器输出相同大小和方向的推力。不同推力情况下ROV的速度响应曲线如图4所示。由速度响应曲线可以发现,其速度经过一段时间的增加后最终保持在一定的数值,此时推力与阻力达到动态平衡,ROV作匀速直线航行。令x=[X,Y,Z,ϕ,θ,ψ]T表示ROV在大地坐标系下的位置和姿态。图5为ROV由初态x0=[0,0,0,0,0,0]T,控制ROV垂直下潜到10米处悬停。R O V横倾角ϕ的控制是通过调节特种R O V左右两个浮力调节舱的不同的注、排水量来产生左右两个浮力调节舱的浮力差,即产生旋转运动的偏倾力矩。其仿真结果如下图6所示。从仿真实验结果看出所设计的ROV深度协调控制器达到了预期的控制效果。

6 结束语

本文介绍了开架式水下探测机器人的结构、传感器系统,基于AT91RM9200处理器设计了ROV嵌入式控制器。建立了ROV的数学模型,提出了ROV垂直面协调运动控制的方法,并进行了深度和横倾角协调控制仿真。仿真实验证明控制器设计的有效性。

参考文献

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[5]戴学丰,边信黔.6自由度水下机器人轨迹控制仿真研究[J].系统仿真学报,2001,13(3):368-369.

[6]翟宇毅,马金明,姚志良。超小型潜水机器人沉浮系统设计[J].光学精密工程,2004,12(3):231-234.