基于三自由度运动平台的运动姿态数据采集研究

摘要：根据三自由度运动平台的原理和结构，面向市场需求，研究设计了一款三自由度运动平台数据采集装置，可以广泛应用于5D影院、轨道影院、仿真模拟驾驶、飞行驾驶模拟、航海驾驶模拟、虚拟现实动感体验等领域，具有很高的市场价值。

关键词：三自由度；运动平台；数据采集

中图分类号：TH122    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2024）12-0032-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.12.008

0    引言

三自由度运动平台是一种空间并联运动机构，它由三只电动缸，上下各六只万向铰链和上下两个平台组成，下平台固定在基础上，借助三只电动缸的伸缩运动，完成上平台在空间三个自由度（X，Y，Z）的俯仰、滚转、升降运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。

由于并联机构的参数复杂性，其动力学模型通常是一个多自由度、多变量、高度非线性、多参数耦合的复杂系统。同时，动力学分析又是对整个系统实施有效的控制策略达到既定运动指标的基础，所以有必要对系统动力学模型的建立进行深入分析研究。此外，三自由度并联机构作为少自由度空间机构的一种形式，由于自由度受限，其运动学、动力学分析方法也与常见的六自由度运动平台有所不同。因此，对其进行更进一步的理论分析和实际制造安装生产前的仿真、实验研究，为工程实现奠定良好的基础是很有必要的[1]。

目前，三自由度运动平台多应用于仿真模拟试验，它具有明显的安全性、经济性、可操作性，不受场地和气象条件的限制，效率高，加之驱动关节少、性价比高等优点，因而被广泛应用于各种训练模拟器如飞行模拟器、舰艇模拟器、海军直升机起降模拟平台、坦克模拟器、汽车驾驶模拟器、火车驾驶模拟器、地震模拟器以及动感电影、娱乐设备、机构力加载等领域，为提高我国的仿真技术水平，增强国防实力，提高工业生产力水平，做出了巨大贡献。

1    三自由度运动平台结构及原理

三自由度运动平台作为一种空间并联运动机构被广泛应用于航空航天、航海舰船、飞机工业、机床业和车辆工业等领域的驾驶模拟、飞行模拟、虚拟现实等方面，在国防和民用领域都有很高的研究和应用价值。

三自由度运动平台结构（图1）是由一个上平台（动平台）、一个下平台（固定底座）、三个支杆、三个线性作动器（伺服电动缸）及若干关节连接而成。上平台为运动平台，承受负载，完成既定规格参数的速度、加速度、位置运动要求，进而实现对于场景画面运动姿态的仿真模拟，从而把业务场景视感与体感结合起来，达到仿真模拟的目的。

通过三自由度运动平台结构（图1）可以得出：上运动平台与地面之间以三个支杆来约束并起支撑作用，以三个线性作动器（伺服电动缸）作为驱动部件进行驱动。每个线性作动器两端为关节轴承，中间为一个移动副和一个转动副连接，每根支杆两端也是采用关节轴承分别与地面和上平台相连。通过计算可知，每个支杆所在的支路都具有5个自由度，每个支路对上平台提供一个约束；每个线性作动器所在的支路都具有6个自由度，对于上平台没有约束。通过每个分支对上平台的约束很容易计算得出其自由度为3。因此，通过三套线性作动器的驱动，上平台就能够实现对于给定运动的跟踪复现。

简单直观地对运动进行分析可得到：由于三根支杆的限制作用，上平台平动受到限制；而转动自由度相对更为自由，运动范围更大。当两竖直作动器差动动作、水平作动器不动作时，实现横滚运动；两竖直作动器同步动作、水平作动器不动作时，实现俯仰动作；两竖直作动器不动作、水平作动器动作时实现偏航[1]；三套作动器任意动作实现任意摆动，从而实现对各种业务场景的仿真模拟。

上述平台在完成既定动作的前提下有其自身结构上的优点：

1）由于三个支杆的限制支撑作用，相对于其他同样实现三个方向转动的并联机构，整个平台机构刚度更大；

2）相对于六自由度机构结构更为紧凑，更为经济适用，而且由于作动器沿运动垂直向作用，能够在得到相同输出功率的前提下使作动器尺寸最小；

3）根据上面的运动分析，平台结构模型相对简单，更易于实现控制。

总而言之，三自由度平台是一种具有三个独立自由度的机电系统，通过控制其旋转关节或转动轴的运动，可以实现平台在三个方向上的运动和定位。

三自由度运动平台在机器人、模拟器和虚拟现实等领域有广泛的应用，其具备极大的市场应用价值，主要体现在：

首先，经济性。制造一台模拟器的价格要比制造真实的飞机、轮船、潜艇、战车等经济得多，而且可以不受天气影响自如地进行实验。

其次，安全性。例如飞行模拟，很多异常情况在真实的飞行中是很危险的，通过模拟器对飞行员进行训练，进而使其更好地掌握处理异常情况的能力，相对于在真实飞机中进行飞行训练来说更为安全；对于没有经验的新驾驶员来说，通过模拟器的训练可以掌握基本操作技巧；很多实际设备的设计错误可以通过模拟器的实验模拟进行分析，进而得到改进。

再次，就是对于环境方面的考虑。正常飞行、车辆行驶等都需要燃烧大量的煤油，这样就给环境带来了沉重的负担，有了模拟设备就可以节省能源，同时也减轻了科技发展对于环境带来的负面影响。

2    三自由度运动平台运动姿态数据采集系统设计

随着三自由度运动平台在各个领域的广泛应用，有时需要针对业务场景画面，采集画面姿态数据，这时就需要设计一种三自由度结构的运动平台数据采集装置。

但怎么让三自由度平台按照预想的姿态运行、进行仿真模拟，并完成运行姿态数据采集分析再编辑处理，能够生成需求的业务场景数据，从而可以在软件里回放采集的业务场景数据，实现对业务场景的复现，以满足特定业务场景的测试和应用？这时就需要设计一款面向业务场景的三自由度结构的运动平台数据采集系统。

采集系统设计要求：采集装置效率高、灵敏度高、时钟准确，操作简单，运行稳定。

为提高三自由度平台运行姿态数据采集装置的效率和灵敏度，增加功能，本采集系统在设计上充分考虑了各种需求、功能接口，要求生产出来的采集装置，各方面的指标参数满足设计要求，功能、性能大幅提升，整个采集装置操作简单高效。三自由度平台运动姿态数据采集系统架构如图2所示。

系统分为软件部分和硬件部分，软件部分为上位机软件采集系统，硬件部分主要为采集器和采集控制板。上位机软件采集系统实现通信定义、文件配置、采集的开关指令，生成姿态数据。硬件部分包括三自由度模拟采集机构、位移传感器、采集控制板、与上位机通信模块。

操作者配置完配置文件和通信设置后，根据业务场景画面，以第一视角手摇采集器，打开采集开关进行数据采集，生成业务场景的画面姿态数据，画面结束时，关闭采集按钮，采集结束，生成姿态数据文件。

采集的平台姿态数据，通过上位机的主控程序加载到内存中，同时启动业务场景画面，按照采集时钟，定时发送数据姿态指令给三自由度运动平台，从而把业务场景画面的姿态和三自由度运动平台的运动姿态同步起来，实现视觉和体感的匹配，最终使仿真模拟效果实现最大化。

3    三自由度运动平台运动姿态数据采集系统实现

3.1    运动姿态数据采集系统设计功能

1）系统结构简单、合理。2）操作简便，一个人即可完成全部操作。3）软件稳定、可靠。4）数据采集精度高，时钟精准无误差。5）支持MODBUS通信，也可通过网卡实时采集。6）支持多自由度的动作姿态采集。7）最多支持12路的特效输出定义。8）可根据客户需求，对软件进行实际定制和修改。9）支持1 ms的动作采集，数据不丢帧。

3.2    运动姿态数据采集装置结构说明

三自由度平台运动姿态数据采集系统机电结构如图3所示。

1）上平面框架。2）采集开关按钮，位于上平面框架长边的中央，与下框架长边中央的采集控制板通信。3）开关信号通信线。4）采集控制板。5）上平面框架T型铰接件。6）鱼眼轴承，与上平面框架T型铰接件一起，连接上平面框架与直线位移传感器。7）位移传感器，产生直线位移数据，与下平面框架T型铰接件连接。8）下平面框架T型铰接件。9）下平面框架。10）通信端口，通过通信线与电脑进行通信。11）位移传感器通信口，通过位移传感器通信线与控制板进行通信。12）开关信号通信口，通过开关通信线与控制板进行通信。

3.3    运动姿态数据采集系统采集控制板设计

运动姿态数据采集系统采集控制板结构如图4所示。

1）编号10（对应图3）为采集控制板与电脑上位机软件进行通信的通信端口，同时电脑通过该端口为采集控制板供电。

2）编号11（对应图3）为位移传感器与采集控制板的通信端口，采集控制板采集位移数据，把采集到的位移数据发送给上位机主控程序，最多可支持6路位移信号的数据采集。

3）编号12（对应图3）为开关信号通信端口，采集控制板第一次收到开关信号指令，打开内置系统时钟，定时采集位移数据，再次按下开关信号，关闭内置系统时钟，结束位移数据采集。

3.4    运动姿态数据采集系统上位机软件设计

运动姿态数据采集系统上位机主控程序界面设计如图5所示。

上位机主控程序实现的功能：

1）配置文件：通信参数、对应的位移行程，采集时钟，姿态数据文件名和文件输出路径。

2）在操作者按动开关按钮后，上位机软件程序接收到采集控制板发送的开始指令。

3）上位机通信模块收到开始指令，打开通信端口，接收采集控制板发送的姿态数据。

4）上位机主控程序接收到姿态数据，在配置文件中定义的文件目录路径下生成姿态数据文件。

5）再次按下开关按钮，控制板发出停止指令。

6）上位机通信模块收到停止指令，关闭通信端口，采集控制板停止位移姿态数据采集，上位机主控程序停止接收姿态数据。

7）上位机主控程序姿态数据文件关闭，保存到配置文件中定义的文件输出路径。

8）姿态数据文件设计冗余12路开关量指令，可以根据业务需求，对姿态数据文件进行再编辑处理，从而达到设计需求。

4    结束语

本文介绍了三自由度运动平台的结构及原理，面向市场需求，设计开发了三自由度运动平台运动姿态数据采集装置。该装置按照三自由度平台的结构制造，方式灵活多样，采用位移传感器来表达三自由度平台的线性执行作动。开发了一款采集控制板，实现对位移传感器的数据采集，并上传给上位机软件，上位机软件通过通信模块收到姿态数据后，保存到电脑指定的文件路径，最终实现预期的三自由度运动平台运动姿态数据采集。

该采集装置可以实现精度到1 ms的时钟采集，反应灵敏，数据采集精度高，可扩展性强，操作简便，可广泛应用于5D影院、轨道影院、三自由度运动平台等业务场景和姿态随机测试方向，具有很高的应用价值和市场价值。

[参考文献]

[1] 陈安平.三自由度运动平台系统建模与分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2005.

收稿日期：2024-03-04

作者简介：林鹏（1974—），男，河南新安人，工程师，研究方向：机械电子工程、计算机、自动化、数字媒体技术。