共享虚拟驾驶舱动力系统设计

王吉平 曹俊杰 赵勇超

摘 要：根据六自由度运动平台的动作要求，设计了以液压站为中心的动力系统，其主要控制6个液压油缸，使平台完成俯仰、偏航、滚转、上下垂直运动、左右平移、前后平移以及6个姿态的复合运动。笔者通过分析和理解液压系统的组成及一些典型的液压回路，以液压站为核心动力系统的来源，完全可以实现运动平台的各种规定动作。通过实践表明，以液压站为动力系统的设计合理，可靠性高，完全能够满足平台的运动要求。

关键词：动力系统;液压站;六自由度平台

中图分类号：U471文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）08-0038-03

Power System Design of Shared Virtual Cockpit

WANG Jiping CAO Junjie ZHAO Yongchao

（Nanjing University of Science and Technology Zijin College，Nanjing Jiangsu 210046）

Abstract： According to the action requirements of 6-DOF motion platform， a power system centered on hydraulic station is designed， which mainly controls six hydraulic cylinders， so that the platform can complete pitch， yaw， roll， up and down vertical movement， left and right translation and fore-and-aft translation as well as six complex motion postures. By analyzing and understanding the composition of the hydraulic system and some typical hydraulic circuits， the author takes the hydraulic station as the source of the core power system， and can completely realize various specified actions of the moving platform. Practice shows that the design of the hydraulic station as the power system is reasonable and reliable， which can fully meet the movement requirements of the platform. Practice shows that the design of hydraulic station as power system is reasonable， reliable and can fully meet the motion requirements of the platform.

Keywords： dynamic system;hydraulic station;6-DOF Platform

人民生活水平不断提高，文化娱乐业在近几年不断深入发展，已经发生了天翻地覆的变化。现代科技有力推动着文化产品的生产创新和消费的多元化，各行业和领域融合互动，衍生出了许多新兴产业。目前，汽车产业的快速发展使得该领域已衍生出了各式各样的虚拟驾驶舱以满足人们的驾驶训练需求。虚拟驾驶舱拥有巨大的发展前景和广阔的市场需求。由于相关的技术水平的限制，国内在这方面的精力主要集中在中低端产品的开发和制造上，产品没有技术上的优势。因此，从虚拟驾驶舱的动力系统设计着手，设计出高效的虚拟驾驶舱动力系统，有着重要的理论指导意义和很大的经济价值。

1 动力需求分析

平台三维图如图1所示，六自由度运动平台是由6支油缸、上、下各6只万向铰链以及上、下两个平台组成[1]。本动力系统设计是为了使运动平台借助6支油缸的伸缩运动，完成上平台在空间6个自由度（α，β，γ，X，Y，Z）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。

动力系统作为运动平台的心脏，其性能技术直接决定了平台在实际运转中的安全性、可靠性以及经济效益，重要程度不言而喻。其主要控制6个液压油缸，使平台完成俯仰、偏航、滚转、上下垂直运动、左右平移、前后平移以及6个姿态的复合运动姿态。

2 动力系统设计

2.1 液压站的工作原理及其组成

液压站是独立的液压装置，它按驱动装置的需求供油，并控制油流的方向、压力以及流量，适用于主机与液压装置可分离的各种液压机械下，由电机带动油泵旋转，泵从油箱中吸油后打油，将机械能轉化为液压油的压力能。只要将液压站与执行机构用油管相连，液压机械即可实现各种动作和工作循环。

液压站如图2所示，它是由液压泵、驱动电机、油箱、方向阀、节流阀以及溢流阀等构成的液压源装置。液压泵是系统的核心，是实现能量控制的关键元件。驱动电机将电源的电能转化为机械能，然后通过传动装置驱动进行工作运转。集成块由液压阀及通道体组合而成，它对液压油实行方向、压力以及流量调节。

液压站按照泵装置的结构形式和安装位置可分为上置立式、上置卧式以及旁置式。本动力系统采用的是上置卧式，以便于流量的调节。

2.2 液压缸的简单设计

液压缸的工作压力与液压设备的类型有主要关系[3]。不同类型的液压设备所产生的工作压力也大不相同。六自由度运动平台根据其载重和工作条件，选择适合的工作压力。由于液压缸的回油腔存在背压，所以根据不同的设备类型选择合适的背压力[4]。

根据实际情况确定平台负载与上平台及铰链等构件作用在单杠上的压力，要保证液压缸最大运行速度和最大加速度。选用合适的活塞杆直径d与液压缸内径D之比，结合式（1）即可求得活塞杆直径与液压缸内径。

[π4D2P1=F+F1+π4D2+d2P2]               （1）

式中：P1为液压缸进油腔工作压力;P2为液压缸回油腔背压力;d为活塞杆直径;D为液压缸内径;F为工作循环中最大的外载荷;F1为液压缸密封处摩擦力，按液压缸机械效率η进行估算，F+F1=F/η，η为液压缸的机械效率。

2.3 电机的选型

通过计算电动机的系统工作最大功率来选择电动机的规格[3]。最大功率的计算如式（2）所示：

[Pmax=pqη]                                         （2）

式中：[Pmax]为电动机需要提供的最小功率;p为执行元件的工作压力;q为油液的总流量;η为机械效率。

本系统不需要去驱动无特殊性能要求的机械设备，所以选择三项异步电动机。相较于其他电动机而言，三相异步电动机效率高、转矩高、噪声低、节能且可靠性高。

2.4 油箱的设计

油箱是由不锈钢板焊的半封闭容器，上面还装有滤油网和空气滤清器等，被用来储存油、进行油的冷却及过滤[5]。因此，在设计油箱时需要考虑到油箱的容积和油液的冷却等问题。

油箱的有效容量可根据压力范围粗略确定为：低压系统中V=（2～4）Q;中压系统中V=（5～7）Q;中高压或高压大功率系统中V=（6～12）Q。其中，V为液压油箱有效容量，Q为液压泵的额定流量。油箱的容量共有18种规格，分别为25、40、63、100、160、250、400、630、800、1 000、1 250、1 600、2 000、2 500、3 200、4 000、5 000 L以及6 000 L。根据实际情况来选择恰当的油箱。

油温的控制方面，由于驾驶舱为共享状态，因此为避免驾驶员的等待及发生周围拥堵的状况，油箱采用的冷却方式为强迫冷却，即安装冷却器进行强制冷却。

3 动力系统的工作流程设计

典型的液压回路如图3所示，六自由度液压系统回路如图4所示，可看作由前者衍生扩展而来。图3中，电动机接通电源开始运转，液压泵由电动机带动后开始泵油，油液经过连接油管到达单向阀后，左边一路流向截止阀并最终流向压力指示表，右边一路流向溢流阀并最终流回油箱，中间一路流经节流阀后到达三位四通电磁换向阀。通过控制电信号即可对电磁换向阀进行控制，进而控制液压缸的运动。当电磁换向阀未受到电信号即滑阀中位状态时，系统保压;当电磁换向阀收到电信号位于右位后，液压缸伸出;当电磁换向阀位于左位时，液压缸缩回。

如图4所示为六自由度平台液压系统图，其中1、2、3、4、5、6为液压缸，7、8、9、10、11、12为电磁换向阀，13为冷却器，14为节流阀，15为压力表，16为截止阀，17为液压泵，18为电动机，19为过滤器，20为溢流阀。使用控制器中编写的程序控制各个电磁换向阀的电位状态，即可分别控制每一个液压缸的伸缩。将每一个液压缸的伸长或收缩组合在一起，即可完成相应的动作姿态。下面分别介绍初始状态时进行俯仰、偏航、滚转、上下垂直运动、左右平移以及前后平移这6个基本的动作。图1视角为后视且液压缸标号与图4中对应。

①前倾：电磁换向阀7、8、9、10右位，液压缸1、2、3、4缩回;电磁换向阀11、12左位，液压缸5、6伸出。②后仰：电磁换向阀7、8、9、10左位，液压缸1、2、3、4伸出;电磁换向阀11、12右位，液压缸5、6缩回。③左倾：电磁换向阀7、8、11右位，液压缸1、2、5缩回;电磁换向阀9、10、12左位，液压缸3、4、6伸出。④右倾：电磁换向阀7、8、11左位，液压缸1、2、5伸出;电磁换向阀9、10、12右位，液压缸3、4、6缩回。⑤左旋：电磁换向阀7、10、12右位，液压缸1、4、6缩回;电磁换向阀8、9、11左位，液压缸2、3、5伸出。⑥右旋：电磁換向阀7、10、12左位，液压缸1、4、6伸出;电磁换向阀8、9、11右位，液压缸2、3、5缩回。⑦左移：电磁换向阀7、8、9、12左位，液压缸1、2、3、6伸出;电磁换向阀10、11右位，液压缸4、5缩回。⑧右移：电磁换向阀7、9、10、11左位，液压缸1、3、4、5伸出;电磁换向阀8、12右位，液压缸2、6缩回。⑨前移：电磁换向阀8、10、11、12右位，液压缸2、4、5、6缩回;电磁换向阀7、9左位，液压缸1、3伸出。⑩后移：电磁换向阀8、10、11、12左位，液压缸2、4、5、6伸出;电磁换向阀7、9右位，液压缸1、3缩回。?上移：电磁换向阀7、8、9、10、11、12全部左位，液压缸1、2、3、4、5、6全部伸出。?下移：电磁换向阀7、8、9、10、11、12全部右位，液压缸1、2、3、4、5、6全部缩回。

4 结语

本文重点介绍了液压站的结构组成和工作流程，较为清晰地展示了以液压站为核心的动力系统设计。简单地对液压缸、电机以及油箱进行了设计，并阐述了怎样通过6支液压缸之间的相互协作而实现6种典型的动作，为读者日后的样机搭建提供了一个思路。通过液压站中各部件的相互配合、能量之间的转换以及控制液压油的进与出、快与慢等，使六自由度运动平台可以轻松完成各式各样规定的动作，具有真实的安全性与可靠性。

参考文献：

[1]唐美，张俊祥，冉益民，等.六自由度液压运动平台的分析与研究[J].舰船科学技术，2020（5）：170-175.

[2]丁静.重载工程车辆并联式液压混合动力系统设计与控制研究[D].杭州：浙江大学，2019：10-11.

[3]杨培元，朱福元.液压系统设计简明手册[M].北京：机械工业出版社，1994：15-16.

[4]雷杰，姜昆鹏，蒋大伟，等.基于六自由度运动平台液压系统的设计[J].机械工程师，2015（8）：165-167.

[5]朱景山，雷新国.一种新型软测量汽车油箱油位的系统设计[J].自动化与仪器仪表，2021（2）：112-115.