批准日期
广东石油化工学院
毕 业 论 文 任 务 书
院(系): 机电工
班
一、毕业论文课题 基于matlab/simulink汽三自由度模型仿真 二、毕业论文
三、业论文进行点
四、毕业论文的容要求 基于matlab/simulink汽车自由度模型仿真 一、论文的主要容应当
车辆坐标系如图1所
要求:
1、建立前轮角阶输入的汽车三自由度操控模
2、绘制六体并实现对六面的三维操作,包平移、旋转、缩放等。(参考相
3、三自度操控的matlab/simulink的建
4、动画:本文动画的实是在对六面体的具体操作过程(平移、
1
放)中表现。(选做)
二、论文应当解决
应当解决的关问题:三自由度控的matlab/simulink的建模及仿真; 论文结构,第章,绪论,第二,汽车三自由度操控工作理,第三章,matlab/simulink的建模,第四章,仿真研究,第五章,论。,量纲不是固定模
三、毕业论文(设)基本要求
(1)汽车三自由
(2)基matlab的压方案建模仿真模型图及仿真结果一张(0,图
(3)或需要补充的:真结果图若干,零件图不少于一张0,
(4)计算说书字数不少于1.5万
(5)图纸和计说明书打印版一份,电子版
(6)翻5000字以的课题相关内容外文文献(可以是一篇或
注,总纸量不少于2张0,。图纸设计按工程制图要求规
四、主要参考文献(
[1] 吴强. 汽车动
[2] 孙仁. 汽车动学性能时分析系统中速度和距
[3] 林柏忠,得军,郭学立,欣,郭孔. 具有模块化结构的汽
[4] 张威,张景海,隗林,贾洪. 汽车动力学仿
[5] 袁清,董增前,周鸣. 汽车动力学性能的计
巢凯年. 一种汽车动力
[6] 施阳编著.MATLAB语言
指导教师
接受论文务开始执行
学生签名
2
基于matlabsimulink汽车三自由度模型仿真.
作业任业包括,
一、建立前角入的三自由度操控模型,并且参数可。轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮二、轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮制六面并六面体
移、旋、放等。轮轮轮轮轮轮
三、轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮画:文画的是在六面体
作程,平移、旋、放,中表。轮轮轮
四、GUIsimulink的合仿真,并将所有作内容集到轮轮
将程序行,打包生轮轮轮轮轮轮轮轮exe的成可行文件。轮
汽业三自由度操控模
?1、汽速不
?2、不考切向力胎特性的影响。轮
?3、向加速度不大于轮
0.4g 。
?4、前角不大,不考前左右的区。轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮
?5、不考非架量的角。
?6、不考空气力作用。轮轮轮轮轮轮轮轮
?7、中心与非架心等高,前后一。轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮
?8、左右
假汽的构:轮
?轮轮轮前
?轮轮轮轮轮轮轮轮
?轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮引起:前外角化,后生向,左右轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮重新分配引起阻力不相等而生Z轮的力。1.2
轮轮轮轮轮轮
轮1 轮轮轮轮坐系
M、Ms、Mu分是整、挂和非挂量,轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮M=Ms、Mu其心分是
c.g. 、s和u。如二所示轮轮轮轮
轮2 轮轮轮
汽自由度型的三个自由度指:汽沿轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮
轮轮自由、汽x轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮的自度。一分用横向速度v、横角速度轮轮轮
角来表征。
汽三自由度模型的微分方程:轮轮
,1-1,
其中各个参数的
符号 参数名称 轮 位数轮 M Kg 3021整量轮轮轮
vm/s汽的向
rrad/s汽横角
Vm/s汽的向
MsKg 2687轮轮轮 挂量
hm0.488轮轮轮轮轮
的距离
轮轮角rad
轮轮轮轮轮轮轮轮位整角
地面向反作用
N.s/rad轮轮轮轮
的地面向反作用
轮轮轮轮轮轮轮轮位角
面向反作用力
N/rad轮轮轮轮轮轮
面向反作用力
轮轮轮轮心
rad汽前
Iz10437汽垂直轮
0汽量轮轮轮轮x
轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮位心偏生
力矩
轮轮轮轮轮轮轮轮轮位横角速生
/rad力矩
轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮位角速生
/rad力矩
轮轮轮轮轮轮轮轮位前角生z
矩
轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮位角速度
d力矩
p轮轮角速
轮轮轮轮挂量x轮轮
N.m/rad轮轮轮轮轮轮
矩
N.m.s/ra6864轮轮轮轮轮轮轮轮位角速度生
d 外力矩
算子明:轮轮轮
其中:前度,外角系数,后向系数。轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮
其:,前中心离地面的高度,即前后非轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮挂量心
轮轮轮阻力系数
和胎偏角回正力矩系数,,。轮轮轮
其中:、前、后架角度,,,轮轮
,轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮前、后减器因位角速度生的阻力偶
轮轮轮轮轮轮轮
所用到的参数如下:
符号参数称 轮位数轮k1N/rad23164前偏,一个,轮轮轮轮轮轮
k2N/rad38345后偏度,一个,轮轮轮轮轮轮轮
am1.84重
b m 1.88重
Nm/rad 100620 前
Nm/rad 32755 架
-0.114 前向系
0 后向系数轮
Nm/rad 0 轮轮轮轮
矩
Lp1轮轮轮轮轮轮轮轮位角速度在
减震器生的阻力
Lp2Nm.s/rad 3432 轮轮轮轮轮轮轮位角
减震器生的阻力
考轮轮Np数不大,予以忽略,且,将代入上述微分方程,可以得:轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮
由于及到二次数,引入新的量,上式可写:轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮
将此方程表达成矩形式,即:轮
其中:
将三自由度汽模型的运微分方程一轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮写成准
其中,
然后用matlab轮轮
1.3simulink建模
本采用了的分的方法求解,也可以采用状空的方法建模。轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮
轮3 封装好的模型
轮4 轮立方程模型
轮5 方程一
轮6 方程二
轮7 方程三
仿真界面
不同速比响出轮
不同角入响轮轮
业制六面及业六
六面体操作界面
平移操作
六面体放操
六面体旋操作轮轮轮
GUI主界面,分两个功
附业,程序主要代业
1、三自由度模型代:
% --- Executes on button press in pushbutton1.function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to pushbutton1 (see GCBO)% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
a=str2double(get(handles.edit1,'String'));b=str2double(get(handles.edit2,'String'));h=str2double(get(handles.edit3,'String'));I_z=str2double(get(handles.edit4,'String'));I_x=str2double(get(handles.edit5,'String'));C_fai1=str2double(get(handles.edit6,'String'));C_fai2=str2double(get(handles.edit7,'String'));e1=str2double(get(handles.edit8,'String'));e2=str2double(get(handles.edit9,'String'));k1=-2*str2double(get(handles.edit10,'String'));k2=-2*str2double(get(handles.edit11,'String'));h1=str2double(get(handles.edit12,'String'));h2=str2double(get(handles.edit13,'String'));f=str2double(get(handles.edit14,'String'));g=str2double(get(handles.edit15,'String'));L1=str2double(get(handles.edit16,'String'));L2=str2double(get(handles.edit17,'String'));m=str2double(get(handles.edit18,'String'));m_s=str2double(get(handles.edit19,'String'));u=(str2double(get(handles.edit20,'String')))/3.6;delta=(str2double(get(handles.edit21,'String')))*pi/180;options=simset('SrcWorkspace','current');sim('three_Dofs_car_0704',[],options); axes(handles.axes1); % 将axes1轮轮轮轮轮轮轮置当前坐系
plot(tout,yout(:,1));
grid on;
title('轮轮轮轮轮轮轮向
xlabel('
ylabel('轮向
axes(handles.axes2); % 将axes2轮轮轮轮轮轮轮
plot(tout,yout(:,2));
grid on;
title('横角速度随前角入的系轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮
xlabel('
ylabel('横角速度轮轮
axes(handles.axes3); % 将axes1轮轮轮轮轮轮轮
plot(tout,yout(:,3));
grid on;
title('轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮轮身角随前角入的
xlabel('
ylabel('轮轮轮身
2、六面体及
,1,平移代:轮轮轮轮轮
% --- Executes on button press in pushbutton2.function pushbutton2_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to pushbutton2 (see GCBO)% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
x=[0 1 1 0 0 0;
1 1 0 0 1 1;
1 1 0 0 1 1;
0 1 1 0 0 0];
y=[0 0 1 0 0 0;
0 1 1 1 0 0;
0 1 1 1 1 1;
0 0 1 0 1 1];
z=[0 0 0 0 0 1;
0 0 0 0 0 1;
1 1 1 1 0 1;
1 1 1 1 0 1];
axes(handles.axes2);
patch(x,y,z,1:6,'FaceAlpha',0.9);
h=patch(x,y,z,1:6,'FaceAlpha',0.2);axis equal tight
axis([-2 2 -2 2 -2 2]);
grid on;
title('立方体形
xlabel('Variable X');
ylabel('Variable Y');
zlabel('Variable Z');
view([-45 45]);
%set(h,'EraseMode','Xor')
a=str2double(get(handles.edit1,'String'));b=str2double(get(handles.edit2,'String'));c=str2double(get(handles.edit3,'String'));for i=0:1:50;
drawnow;
X=x+(a/50)*i;
Y=y+(b/50)*i;
Z=z+(c/50)*i;
axes(handles.axes2);
set(h,'xdata',X,'ydata',Y,'zdata',Z)pause(0.1)
end
,2,放代:
% --- Executes on button press in pushbutton3.function pushbutton3_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to pushbutton3 (see GCBO)% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
x=[0 1 1 0 0 0;
1 1 0 0 1 1;
1 1 0 0 1 1;
0 1 1 0 0 0];
y=[0 0 1 0 0 0;
0 1 1 1 0 0;
0 1 1 1 1 1;
0 0 1 0 1 1];
z=[0 0 0 0 0 1;
0 0 0 0 0 1;
1 1 1 1 0 1;
1 1 1 1 0 1];
axes(handles.axes2);
patch(x,y,z,1:6,'FaceAlpha',0.9);
h=patch(x,y,z,1:6,'FaceAlpha',0.2);
axis equal tight
axis([-2 2 -2 2 -2 2]);
grid on;
title('立方体形
xlabel('Variable X');
ylabel('Variable Y');
zlabel('Variable Z');
view([-45 45]);
%set(h,'EraseMode','Xor')
d=str2double(get(handles.edit4,'String'));e=str2double(get(handles.edit5,'String'));f=str2double(get(handles.edit6,'String'));for i=0:1:50;
drawnow;
X=x*(d/50)*i;
Y=y*(e/50)*i;
Z=z*(f/50)*i;
axes(handles.axes2);
set(h,'xdata',X,'ydata',Y,'zdata',Z)
pause(0.1)
end
,3,旋代:
% --- Executes on button press in pushbutton4.function pushbutton4_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to pushbutton4 (see GCBO)% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
x=[0 1 1 0 0 0;
1 1 0 0 1 1;
1 1 0 0 1 1;
0 1 1 0 0 0];
y=[0 0 1 0 0 0;
0 1 1 1 0 0;
0 1 1 1 1 1;
0 0 1 0 1 1];
z=[0 0 0 0 0 1;
0 0 0 0 0 1;
1 1 1 1 0 1;
1 1 1 1 0 1];
axes(handles.axes2);
patch(x,y,z,1:6,'FaceAlpha',0.9);h=patch(x,y,z,1:6,'FaceAlpha',0.2);axis equal tight
axis([-2 2 -2 2 -2 2]);
grid on;
title('立方体形
xlabel('Variable X');
ylabel('Variable Y');
zlabel('Variable Z');
view([-45 45]);
%set(h,'EraseMode','Xor') g=pi*str2double(get(handles.edit7,'String'))/180;
for i=0:1:50;
drawnow;
X=x*cos((g/50)*i)-y*sin((g/50)*i);Y=x*sin((g/50)*i)+y*cos((g/50)*i);Z=z;
axes(handles.axes2);
set(h,'xdata',X,'ydata',Y,'zdata',Z)pause(0.1)
end
基于matlab,simulink汽车三自由度模型仿真
作业任务包括:
一、建立前轮角阶跃输入的汽车三由度控模型,并且参
二、绘制六面体并实现对六面体的三维作,包括平移、旋转、
三、动画:本文动画的实现是在对六面体的具体作过(平移、旋转、缩 放)
四、 GUI 与 simulink 的联合仿真,并将所有作业内容集成到 GUI 界,将 程序进行编译,打包生 exe 的
汽车三自由
1.1建模假设:
?1、汽车
?2、不考虑切向力
?3、侧向加速度不大于 0.3-0.4g 。
?4、前轮转角不大,不
?5、不考虑非
?6、不考虑
?7、侧倾中心与非悬架
?8、左右对称。
假设汽车的结构:
? 前面是
? 后面是纵
? 车厢侧引起:前轮外倾角变化;后轴发生轴转向;左右侧车轮荷重新
1.2汽车
车辆坐标系
图 1 车辆坐标系
M 、 Ms 、 Mu 分别是整车、悬挂和非悬挂质量, M=Ms、 Mu 其心分别是 c.g. 、 s
图 2 车辆
汽三自由度模型三个自由度指:汽车沿 y 轴平动的自由度、 汽车绕 z 轴 的动自由度、汽车 x 轴的转动度。一般分别用横向速度 v 、横摆角度 r 、侧
汽车三自由度模
() () s r z xz r p s x xz s p M v rV M h Y Y r Y Y I r I N N r N N N p I I r M h v rV L L βφδβφδφφβφδφβφδφφφ?
++=+++?
-=++++??
-++=+?
(1-1)
其中各个参数
算子说明:
21k k Y +=β ()211
bk ak V
Y r -=
12
2Y Y Y k φαφφ
??=
-?? 其中:
11
Y
Y γ??前轮外倾刚度; 1γφ??侧倾外角系数; 2αφ??后轴侧倾
1k Y -=δ
()
2
1221121ααβ??+??+??++-=AT
AT Z X h k h k bk ak N 其中:1h , 2h 前后侧倾中离地面的高度, 即前后非悬挂量质心
X
Z
??为滚动阻力系数 1AT α??和 2AT
α??为轮胎侧偏角回正力矩系数(/kg m rad ?) 。 ()???
?
?
???-??+??-++=
b AT a AT Z X bh k ah k b k a k V N r 2122112
2211αα ???
?
????-??++??+????-??+??=φαφαφαφφαφφφ222112122122
k h Y h C C Z X
AT Y a b k N Y Y 其中: 1C φ、 2C φ为前、
1L p ??, 2
L p
??为前、 后减振器因单位侧倾角速度产生的阻力偶
αφ
??为后轴侧倾
1
11αδ??-
??--=AT
Z X h k a k N Z X p L p L N p ?????
? ????+??=21
21φφφC C h G L s --=
???
? ????+??-=p L p L L p 21
所用到的参数如下:
考虑到 Np 数值不大,予以忽略,且 v V β=?,将代入上述微分方程,可
()s r z xz r p s x xz s p s MV M h Y Y MV r Y Y I r I N N r N N N I I r M hV L L M hrV
βφδβφδφβφβφδφβφφδ
φβφφ?+=+-++??
-=++++??-+=+-??
由于涉及到二次导数,引入新的
()s r z xz r p s x xz s p s MV M h Y Y MV r Y Y I r I N N r N N N I I r M hV L L M hrV βφδβφδφβμβφδμβφμδ
μβφμφμ
?+=+-++?
-=++++??
-+=+-??
=? 将此方程组表
11Ex A x B δ=+
其中:
[]T
x r β
φ
μ=
0000000
10s z xz s xz s x MV M h I I E M hV I I ????-?
?=??
-??
??
0100
1r r p s p Y Y MV Y N N N N A M hV L L βφβ
φφ-??????=??-????
[]100T
B Y N δ
δ
=
将三自由度汽车模型的运动微分程
x Ax B δ=+
其中 1A E A -=, 1B E B -=
然后用 matlab
1.3simulink 建模
本文采用了经典的积分的方法求解,可采用状态空间的方
图 3 封
图 4 联
图 5 方程一
图 6 方程二
图 7 方程三
仿真界面
不同车速比
不同转角阶
绘制六面体及对六面体的三操
平移操作
六面体缩放操作 六面体旋转操作
GUI 主界面,分
附录:程序主要代码
1、三自由度车
% --- Executes on button press in pushbutton1.
function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to pushbutton1 (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) a=str2double(get(handles.edit1,'String'));
b=str2double(get(handles.edit2,'String'));
h=str2double(get(handles.edit3,'String'));
I_z=str2double(get(handles.edit4,'String'));
I_x=str2double(get(handles.edit5,'String'));
C_fai1=str2double(get(handles.edit6,'String'));
C_fai2=str2double(get(handles.edit7,'String'));
e1=str2double(get(handles.edit8,'String'));
e2=str2double(get(handles.edit9,'String'));
k1=-2*str2double(get(handles.edit10,'String'));
k2=-2*str2double(get(handles.edit11,'String'));
h1=str2double(get(handles.edit12,'String'));
h2=str2double(get(handles.edit13,'String'));
f=str2double(get(handles.edit14,'String'));
g=str2double(get(handles.edit15,'String'));
L1=str2double(get(handles.edit16,'String'));
L2=str2double(get(handles.edit17,'String'));
m=str2double(get(handles.edit18,'String'));
m_s=str2double(get(handles.edit19,'String'));
u=(str2double(get(handles.edit20,'String')))/3.6;
delta=(str2double(get(handles.edit21,'String')))*pi/180;
options=simset('SrcWorkspace','current');
sim('three_Dofs_car_0704',[],options);
axes(handles.axes1); % axes1设置为当
plot(tout,yout(:,1));
grid on;
title('侧向速度随轮
xlabel('时
ylabel('侧向速
axes(handles.axes2); % axes2设置为当
plot(tout,yout(:,2));
grid on;
title('横摆角速度随轮
xlabel('时
ylabel('横摆角速
axes(handles.axes3); % axes1设置为当
plot(tout,yout(:,3));
grid on;
title('车身侧倾角随轮
xlabel('时
ylabel('车身侧
2、六面体及
(1)平移
% --- Executes on button press in pushbutton2.
function pushbutton2_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to pushbutton2 (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) x=[0 1 1 0 0 0;
1 1 0 0 1 1;
1 1 0 0 1 1;
0 1 1 0 0 0];
y=[0 0 1 0 0 0;
0 1 1 1 0 0;
0 1 1 1 1 1;
0 0 1 0 1 1];
z=[0 0 0 0 0 1;
0 0 0 0 0 1;
1 1 1 1 0 1;
1 1 1 1 0 1];
axes(handles.axes2);
patch(x,y,z,1:6,'FaceAlpha',0.9);
h=patch(x,y,z,1:6,'FaceAlpha',0.2);
axis equal tight
axis([-2 2 -2 2 -2 2]);
grid on;
title('立方体形
xlabel('Variable X');
ylabel('Variable Y');
zlabel('Variable Z');
view([-45 45]);
%set(h,'EraseMode','Xor')
a=str2double(get(handles.edit1,'String'));
b=str2double(get(handles.edit2,'String'));
c=str2double(get(handles.edit3,'String'));
for i=0:1:50;
drawnow;
X=x+(a/50)*i;
Y=y+(b/50)*i;
Z=z+(c/50)*i;
axes(handles.axes2);
set(h,'xdata',X,'ydata',Y,'zdata',Z)
pause(0.1)
end
(2)缩放
% --- Executes on button press in pushbutton3.
function pushbutton3_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to pushbutton3 (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) x=[0 1 1 0 0 0;
1 1 0 0 1 1;
1 1 0 0 1 1;
0 1 1 0 0 0];
y=[0 0 1 0 0 0;
0 1 1 1 0 0;
0 1 1 1 1 1;
0 0 1 0 1 1];
z=[0 0 0 0 0 1;
0 0 0 0 0 1;
1 1 1 1 0 1;
1 1 1 1 0 1];
axes(handles.axes2);
patch(x,y,z,1:6,'FaceAlpha',0.9);
h=patch(x,y,z,1:6,'FaceAlpha',0.2);
axis equal tight
axis([-2 2 -2 2 -2 2]);
grid on;
title('立方体形
xlabel('Variable X');
ylabel('Variable Y');
zlabel('Variable Z');
view([-45 45]);
%set(h,'EraseMode','Xor')
d=str2double(get(handles.edit4,'String'));
e=str2double(get(handles.edit5,'String'));
f=str2double(get(handles.edit6,'String'));
for i=0:1:50;
drawnow;
X=x*(d/50)*i;
Y=y*(e/50)*i;
Z=z*(f/50)*i;
axes(handles.axes2);
set(h,'xdata',X,'ydata',Y,'zdata',Z)
pause(0.1)
end
(3)旋转
% --- Executes on button press in pushbutton4.
function pushbutton4_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to pushbutton4 (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles structure with handles and user data (see GUIDATA) x=[0 1 1 0 0 0;
1 1 0 0 1 1;
1 1 0 0 1 1;
0 1 1 0 0 0];
y=[0 0 1 0 0 0;
0 1 1 1 0 0;
0 1 1 1 1 1;
0 0 1 0 1 1];
z=[0 0 0 0 0 1;
0 0 0 0 0 1;
1 1 1 1 0 1;
1 1 1 1 0 1];
axes(handles.axes2);
patch(x,y,z,1:6,'FaceAlpha',0.9);
h=patch(x,y,z,1:6,'FaceAlpha',0.2);
axis equal tight
axis([-2 2 -2 2 -2 2]);
grid on;
title('立方体形
xlabel('Variable X');
ylabel('Variable Y');
zlabel('Variable Z');
view([-45 45]);
%set(h,'EraseMode','Xor')
g=pi*str2double(get(handles.edit7,'String'))/180;
for i=0:1:50;
drawnow;
X=x*cos((g/50)*i)-y*sin((g/50)*i);
Y=x*sin((g/50)*i)+y*cos((g/50)*i);
Z=z;
axes(handles.axes2);
set(h,'xdata',X,'ydata',Y,'zdata',Z)
pause(0.1)
end
三自由度导弹弹道仿真模型
三自由度导弹
及其与六自由度高保真模型的对研
暑期研究助理
R. Lestage
加拿大国防研究发展局 瓦
译 刘雨翔
西北工业大
加拿大国防研究发展局——瓦尔蒂
瓦尔卡蒂埃军事基地技术手册 2003-056 2003年 12月
作者
Rapha?l Brochu and Richard Lestage 审核
Fran?ois Lesage
代理长官 /
批准公布
Fran?ois Lesage
代理长官 /
为减少算所需时间, 六自由度弹弹道仿真模型已经被降阶为三自由度模型。 然而, 这不能对仿真的正确性有所妥协。这个模型建立在 Matlab/Simulink环境之上。从一个简 单的三维环境中的精确的质量点开始(称 3DOF-0) ,三个显著的善施将这个模型上 升为最终版本(3DOF-3) ,这个措施即:导弹速度矢量方向(β, α) ,平条件和自动驾 驶,以及机动力学(或称之横向加速度时间响应) 。每一次 3DOF 模型升级时,它的计 算精都会被和六自由度高保真模型相比较,且提新的策略以提高它的预测精度。 最终版的 3DOF 仅仅是将这些改善入到最版本 3DOF 模型中而已。它的确度 与稳定性均令人满意。确实, 3DOF 模型 6DOF 模型间最大的包络计算范围在海拔 1km 与 15km 时分别仅只有 3%和 12%。 总体上看, 3DOF 模型的速度 6DOF 的
六自度导弹弹道仿真已经在军事领里被广泛发展和应。 它准确、 定地预测导弹 飞行速度与轨道随间变化的能力, 直到前为止都是其最大优势。 然而,除以上,在 实际应用中我们还有项要求需要。 为了使这项具能被应用于实时的军事训练项目, 批处理或蒙特卡洛拟, 以及影院水平的任务拟系统, 导弹弹道仿真
为减少算所需时间,六自由度导弹道仿真模型已经被降阶为三自由度模型。然而, 不能对仿真的正确性有所妥协。这个模型建立在 Matlab/Simulink环境之上。从个简 的三维环境中的精确的质量点开始(称 3DOF-0) ,三个显著的改善将这个模型上 升为最终版本(3DOF-3) ,这三措施即:导弹速度矢量方向(β, α) ,平衡条和自动驾 ,以及机身力学(或称之为向加速度时间响应) 。每一次 3DOF 模型升级时,它的计 算精度会被去六自由度高保真模型相比较,提出的策略以提高它的预测精度。 最终版本 3DOF 仅是将这些改善嵌入最初本的 3DOF 模型中而已。它的精确 度与稳定性均令人满意。确实, 3DOF 模型与 6DOF 模间最大的包络计算误围在海 拔 1km 与 15km 时分别仅只有 3%和 12%。 总体上看, 3DOF 模型的速度 6DOF 的
Brochu, R.和 Lestage, R.,2003.“ 三自度导弹弹仿真模型及其与六自由度高保真型的对
技术手册 2003-56,加拿大国防究展局——瓦尔卡蒂埃
1. 简介………………………………………………………………………………………………………………… 1
2. 交战仿真模型…………………………………………………………………………………………………… 3 2.1交战仿真模型体框架………………………………………………………………………………… 4 2.2动寻地导弹模型构………………………………………………………………………………… 5 2.3服役中弹仿真型的应用…………………………………………………………………………… 7 2.4我
2.5总结…………………………………………………………………………………………………………… 7
3. 3DOF 导弹模型………………………………………………………………………………………………… 8 3.1初版 3DOF-0:随导弹速度调整的质点…………………………………………………………… 8 3.1.1 3DOF-0模型特点……………………………………………………………………………… 9 3.1.2 限制………………………………………………………………………………………………… 9 3.2第一次改进(3DOF-1):导弹定向……………………………………………………………… 10 3.2.1运动方程性化………………………………………………………………………………… 11 3.2.2实施过程………………………………………………………………………………………… 12 3.2.3 3DOF-1模型定的结果…………………………………………………………………… 12 3.2.4实例研究:侧向拦截下 6DOF 模型与 3DOF 模对比…………………………… 13 3.2.5 3DOF-1模型提升与局……………………………………………………………… 13 3.3第二次改进(3DOF-2):平衡件……………………………………………………………… 15 3.3.1 3DOF-2型的特点及其实施过程……………………………………………………… 15 3.3.2 3DOF-2模型的改进局限………………………………………………………………… 16 3.4第三次
3.4.1自动驾驶仪与弹身力学传递函数……………………………………………………… 18 3.4.2状态空间实
3.5最终
4. 不同方位下的允许发射区(LAR )…………………………………………………………………… 25 4.1允发射区终止条件………………………………………………………………………………… 26 4.2低海高海拔条件
4.4计
5. 总结……………………………………………………………………………………………………………… 34 参考
图片目录
图一:交战仿真统全局架构………………………………………………………………………………… 4 图二:1962年美国标准大气特性…………………………………………………………………………… 5 图三:自动寻导弹模型架………………………………………………………………………………… 6 图四:3DOF-0型:单质点……………………………………………………………………………… 8 图五:尾追攻击弹马赫数与 x 方距离的函数图。图(a )无重力;图(b )有重力(飞 行全程俯仰面作用 1g 加速,海拔 5km )…………………………………………………… 10 图六:3DOF-1型导定向(仅在俯仰平面下,弹体坐标系)………………………………… 11 图七:海拔 1km (无重)下“侧拦截”实例。图(a ):XY 平面导弹;图(b ):以 X 方向距离为函数的导弹数。 其中最大攻出现在 3DOF-1模中, 为 21.5°。 … 14 图八:实例”横向拦截 “于拔 14km 处 (无重力) 。图 (a ) XY 平面导弹弹道; (b ) :以 X 方向离为函数的导弹马赫数。其中最大攻角出现在 3DOF-1模型中,为 106°。… 15 图九:实例”横截 “于海 14km 处 (无重力) 。图 (a ) XY 面导弹弹道; 图 (b ) :以 X 方向距为函数的导弹马赫数。最大攻角出:3DOF-1模型, 106°; 3DOF-2模型, 30°; 6DOF 模型, 22°。 ………………………………………………………………………………………… 17 图:侧向加速度时间响应和应的导弹马赫数()。图(a ),海平面;图(b ), 海拔 15km 。………………………………………………………………………………………………………… 20 图十一:态间应 3DOF-3型中的框图。…………………………………………………… 21 图十二:实例” 横向拦截 “于海拔 14km 处 (无重力) 。 图 (a ) XY 平面导弹道; 图 (b ) :以 X 方向距离数的导弹马赫数。对 3DOF-3型, 。…………………………… 22 图十三:3DOF 与 6DOF 模型允许发射区比,海拔 1km 。图(a ):
包络。……………………………………………………………………………………………………………… 30 图十四:3DOF 与 6DOF 模型许发射区对比,海拔 15km 。图(a ):最大航程包络线; 图(b ):最小航程包络。…………………………………………………………………………………… 31 图十五:6DOF 导弹以 IXL 为
表格目录
表一:3DOF 模与 6DOF 模型弹道末端据对比。“横向拦截”实例,海拔 1km 。… 23 二:3DOF 模型与 6DOF 模型弹道端数据对比。 “横向拦截”实,海拔 14km 。… 23 表三:3DOF 模型 6DOF 模型计算时间减少量。“横向拦”实例,海拔 14km 。…… 23 表四:模拟控制系统…………………………………………………………………………………………… 28
鸣谢
真地感谢在我暑期工作期间的导 Richard Lestage博士,以及 Alfred Jeffrey和 Marc Lauzon 。他们的支,他们高明的指教,他们的鼓,以及最要,他们实用建议。他 们每个人在这个夏天都分别给予我很多帮助。 能被这样一个优秀的团
1. 简介
六自由导弹弹道仿真已经在军领域里被广泛发展和应用。它准确、稳定预测 弹飞行速度与轨道随时间变化的能力,直到前为止都是其最大的优势。然而,除却 上,在实际应用中我们还有一项要求需满。为了使这项工具能够被应用时的军 事训练项目,批处理或蒙特卡洛模拟,以影院水平的任务模拟系统,弹弹仿真模 必须具备极的运算速度。支持以上论的例子数不胜数,这里我仅举出两例。 ●标枪导弹分离训练器(下简 JDT )可以让部队在虚境中行武器系统 操作训练和演习。 JDT 训练模包括一套标枪导弹发射系的尺寸模型,一 个环绕式的模环境以及一个宽屏显示器用以示目标的运动轨和导弹在 射命令控制下的飞行迹。对导弹 -目标的近实时仿真运算致了对 3DOF 与更杂的 6DOF 之间的抉择问。所以,对这
●军用机的驾驶员们都希望能时清楚自己将要攻击的目标是否处在导弹的 允许攻击内(以下简称 LAR )。 而 LAR 是目飞行轨迹和特定大气环境的函 数。 当然, 因为标位置, 速度和加速度均可能演变时的函数, 对信息更 新的时间间须适当。这样就可以提高飞行员幸存及完成任务的可能性。 在以减少 6DOF 模型算时间目标的前下, 武器抗仿真决定其减少为 3DOF 导弹弹道仿真模型, 同时试图维持其运算的准确性与可靠性。 毫疑问, 任何情况下 3DOF 模型行情都不能同 6DOF 相比。问题就在于谓“由度(Degree of Freedom )”的含义上。 3DOF 型不外乎是一个质点处在一个三空间中,它的自由 度即是 x , y 和 z 方向。 与之相反, 6DOF 则同时计算刚的位置 (x, y, z) 和方向 (由 欧拉角 , , 给出)。因此,
的法对其进行预测。我可以希望,新的 3DOF 模型问世时,它的计算速度将受到 令人满意的素而显著加。最后,因为 3DOF 模的飞行动力计
这报告将会完整阐述三自由度导弹弹道仿真模型, 并更细致的说明它带导弹 空气动力学, 身和控制子系改进。 我们也将对计算时间的节省和度的丢失给
报告第一部分将向者介绍交战仿真模型的总体构和特征。 第二部分阐述初 版本的三自由度导弹仿真模型以及随后, 其推向最终版本三项改善措施。 与高 保真的自由度模型的对比研究将揭 3DOF 随着三项善措施的加入而产生的进化。 对精确度, 性和计算时间上性定量的测量结果将通一系列务的关键场景进 行评价。 最后, 在第三部分, 我们将计算出 LAR 模拟的最和最大包络范围, 并将与 6DOF 模型进行对比。我
2. 交战仿真模型
交仿真模型通过解飞行动力学方程来预测导弹弹道,气动力行为,飞行度及 性能。它的主要的是借助模型仿提高武器系统的作战效能。它的主要系包括:●
●制导系统;
●控制系统(翼,舵,推力矢量控制);
●燃烧控制系统;
●引信和战
导和其他军用武器的动力特征, 就其精度, 速度和机动性等方面已经展开了广 泛的研,为完成些任务,相应的计工具也已经开发出。中,半经验 6DOF 弹 道模型的数字仿真是用来研究导
为了保证预测的准确性,交战仿真模型基于对 6DOF 模型下刚体的运动方
∑ ? ? (1) ∑ ? ?? ? ? (2)
忽略式惯性力和力的影响,式(1)和式(2)中的力和力矩由两部分成:推 力和空气动。其后者是由一系列气动数组成,在 6DOF 模型下,有 7个变量:导 弹马赫数,攻角 ,转角 ,及四个控制舵偏转角。这些变量是在七维插值表 中进行性插值得到,这就为什么 6DOF 型在质上是半经验模型。这种类型的 仿不同于计算流体力学(CFD )型,因为它通过使用有限元体方法,边界层分析和 大气湍流模型等手
在一节中, 我们将首先示交战仿真模的总体框架; 其次, 我们将概述对于自 动寻地导弹如何将 6DOF 模型修为 3DOF 模型;三,我们单说明与战
2.1交 战仿
图向我们展示了交战真模型的体框架(文献 1)。图中的框架是基于典型的 中程空空导弹, 例如 DND AIM-7(文献 2) 。 交战双方假定为一架战斗机和一个目标, 交空域范围通常
大气
仿真控制
导弹
相关动力学
图一:交战仿
从总体讲, 模型被分许多不同的部分, 分别称之为:环境, 导弹, 发射器, 目标,相对运动仿真控制。仿真模型不同部分间联系致了仿真过程的闭环本质。 环包括以海拔高度为函数的特征(密度,压力,温度,马赫数等,文 2)。导 弹部分则括为数众多的部分, 些子部分与导弹的效有很密切的关系,也因此必 须在高保真 6DOF 模中当地表示出来。导弹包动力部分,运动学部分,寻地 头,导引头和控机构。启动器(或称发器)通过特定的发射指令导弹发射升空, 因此它要设置初始导弹模拟件。 模拟控制器决定着交战的成功与否,而这是 立在预定义终止件上的。 而运动学模型负责计算导
在模型中,我们应用的
● 最大导引飞行
● 在最接近点 ( ) 出现
● 地面冲击 ( );
● 最小行时间 (发射之后, 战斗部动之前, 导弹与战斗机的安全距
在交战仿真系统的整体架构中最重要的成部就是自动寻地导弹
将会在下一小
图二:1962年
2.2 自动寻
正它的名字一样,自动寻地导由一个导引系统控纵向加速度(文献 1)。一 个典型的自动寻地导弹的架构就如图所示。它使用红外者线电制导踪目标, 按 照某种制导规生成合适的加速指令, 后由套飞行控制系统控制导弹产生指令 需要的加速。在 6DOF 导弹弹仿真模型中,飞行控
声速 空气静压 声 速 [m/s]
海拔高度 [m]
引命转换成各个控制面的偏转命令,制器响应命令,将气动制面偏转,从而使 弹机动。 气动力合力通过速率螺仪和加速度计测量出来并成一个反馈控制系统 机稳定,同时生精确寻地制导所需要的瞬时飞行。 读者在后章节中可以了 到, 3DOF 没有飞行控制系统,但是取而代之的是,它试图通将侧向加速度的时间 响应引到侧向加速度命令中来重新产
对于 6DOF 系统来, 控制舵的偏转同导弹马赫数, 攻和滚转角 等一并送入七 维插值中, 通过线性插值法得出近似气动数,而这些气动参数是计算导弹身上 相应的气动力和的必要前提。当加上重力和推力之后,导弹 6DOF 的运动方可以 被整合, 并用于解位置, 速度, 速度。 这个步骤给出导弹在每个时间步长下的轨迹, 个可以是在弹体坐标系或地面考系下的——通过四元数或欧转换实现。 读 者将在下一章中看,在 3DOF 模型,气动参数是线性的,并只是马赫数的数。 同可以看到,为了 6DOF 简化为 3DOF 模型,我们的点将在具有完整的自动驾 驶仪具有代表
图三:自动寻
导引头
雷达 \红外 制导 和
控制 气动力
作为飞行状态参数的力和力矩 机身 6DOF\运动方程 推进器:
2.3服役中导
服役中导弹仿真模型可以应用多
●导弹性能;
?在多种交战环
?引爆区域计算;
●导弹杀伤
?误差与脱靶
此, 它可以对测试评估支持方, 飞行试验的定义, 或如前例所述的武器子系 统的分, 3DOF 模型的导弹空动力学、弹身和自驾仪等,都有很大帮助。 2.4我们的模型建立环
在加大国防研究及发展局, 瓦尔卡埃军事基地的精确制武器部门中, 导弹 道仿真模型主要在 Matlab/Simulink环下开发出来的。 模通过自相应的输和输出, 分层建立在多层次结构系统和子系统。 这种结构加速模型安装, 检验和确认过 程, 同时它还帮助促进了团队建。这里还建立了一个包含各不同型号导弹的子系统 的
2.5总结
通这一节的介绍,我向读者介绍半经验 6DOF 仿真模型下的交战仿真模型。 如果可,每一次这个模型和 3DOF 模型区别进行较都被突出表示出来。这些不 同的地方将在下一章更加彻底地向
3. 3DOF 模型的进化
这章,我们将从 3DOF 弹弹道仿真模型的初版本开始介绍到它的最终版本。 其中有三个很重要的改善措施。 每一个经过改进的型将会和改前的模型进行比较, 并揭示获得什么收益。 接下, 进后的模型将会和高保真 6DOF 模型进行较, 并展示它仍然存在局限性,以及决定可
3.1 初 版 3DOF-0:
如所述, 3DOF 模的主要问题在三维空间中的方向问题。在这里,导弹已经 不再被看作是刚体,而仅仅作一支点。四揭示了这个版本模型的重要的特。 被定义为高度角,他们是从地面坐标系(EF )到速度坐
图四:3DOF-0模型:单个质点
我发现很有趣的一点, 因为导弹弹体标系是以导弹速度矢量方向来定位而不需 要任何其它的方位角(α β ),所以它的高度角和拉角( ) 6DOF 模型中 的完全一样。 然而我们必须要注意到是, 当把欧拉
高度角并
没有计入中。从数学上讲, 3DOF 模型的欧角和高度角的关系可以表
(3)
(4)
(5) 当,对于 3DOF 模型, 。同样我们也应该意到,力应该始终 作用于地面坐标系
3.1.13DOF-0模型特点
首,因为 3DOF 模型描述的是质点,所以导弹上没有作用力矩,因此也没有 速度作。所以,式(2)也就消失掉了,样每一步迭代计算中就可以省去 6个步 骤,这样也就大
其,导弹没有偏和俯仰平面的姿态(α β),导弹速度矢量方向始终作
(6) 换句话说, 因为侧向空气动力 一直是垂直于导弹速矢量的, 他们并不给导弹 带来任何阻力, 所以导弹可以意在偏航或俯仰方向作机动没有任何速度损失。 而 见,这是一个大的简化,因此这个简化需要在第一次改进中注意到。 最后,这个 3DOF 模的最初版本在如下制导命令下直产生侧向加速度: ( ) (7) 毫无疑问,这种瞬时反应与际相差甚远。未来的改进措施
正如一段所讲, 导弹产生的任横向加速度都不会成速度损失。 此, 这种初 级模型唯一可能给出和逼真的 6DOF 模型同样的导弹马数弹道的情就是在不计重 力下的尾追或迎弹道。在这况下, 3DOF 6DOF 的导弹会在受到同样阻力的情 况下沿条笔直的直线前进。 因, 两者导弹的马赫数变
(a)中展示出来。当在导弹飞行时沿垂面施加怕 1g 的侧向加速度(如重力),他们 都会行动, 并且随着各自的型公式, 两者弹道轨迹出现不同。 确实, 图五 (b ) 中, 3DOF 模型没有明显速度损失, 因此他可以比参考模型更快地到目标。 此外, 为它的速度要比 6DOF 型快, 3DOF 模型导弹的机动必须更快,因此,导弹的弹 道会现不同。 这种不同, 仅仅和重力增加有关, 当在导弹上产生更大的
图五:尾追攻击导弹马赫数与 x 方向距离的函数图。
图(a )无重力;图(b )有重力(飞行全程俯平面作
在下一节, 很重要的一部分, 我们将讨论导弹
移开的方法,这样,总阻力就会增加。就是一节中我们要讨论
3.2 第一次改进(3DOF-1):导弹定向
在个模型中,导弹不再被看作一个质点,而是偏航和俯仰平面上有各自的方 向角(β, α)的刚体。在 6DOF 模型中,可通首先将弹坐标系绕 x 轴旋转 ,保 证弹度矢量在垂平面, 接着找到弹体姿态的总攻角, 将姿态角 (β α ) 表
(8) (9)
这里, u,v,w 是导弹速度在弹体坐标系下沿 x,y,z 方向的分量。因此, 6DOF
模型的方向
导 弹 马 赫 数
导 弹 马 赫 数
角由弹体坐标系度分量给出的,而这些分量同时与时间有关。因为 3DOF 模型在没 有欧拉 1(非高度角)情况下不能表示这些分量,我们不得不取其它措施
3.2.1运
将弹方向值从气动参数中提出来的方法就是导弹运动方程线性化。 这些方程 将首先在给定的配平或平衡点(典型上讲, α)上使用扰动法进行初 次线性化获得运动的解析解,帮助出给定的攻角(β, α)。对于对称安排 的弹体,平衡点通常是 α,线性化的轴向,
其中新的线性化参数仅为马赫数的函。些参数必须通过求
(α)处的一阶导将其从表或多项式方程中提出。在目前情况下,气动 系是从一张 6DOF 七维插值表中提。通过重新安排以上的公式,我们需要气 动参数
1于 6DOF 模型来说,导弹欧拉角(, , )对欧拉角速度(, , )积分得来的,
式(14)至(17)清楚地表明,在,这些参数仅与马赫
3.2.2实施过程
一旦动参数多项式被归纳为仅由马赫数示时, 计算程序的行就变得相当简单 了。这个过程同偏航,仰平面一样。 3DOF 模型的机身系统先收到侧向加速的 令值时,侧力和气动参数就可计算出来并用于找角。有了这姿角, 3DOF 导弹可以通过计算欧拉角(式(3) , (4) , (5))现充分的定向。从数学上讲,
其中所有的参数都遵循一个平衡假
3.2.3 3DOF-1模型定向的结果
图显示了 3DOF 导弹仅在俯仰平面下受阻力时导弹定向的结。知道了角 (β, α),总的三维阻力可
(19)
这和之前模
))大不相同。确实,结果显示,对
于 ——于阻力的计算更加精确,导弹弹道和马赫数比之前明显改进。这将是 下一小
图六:3DOF-1模型导弹定向(仅在仰平面下,弹体
3.2.4实例研究:侧向拦截下 6DOF 模型与 3DOF
为了对 3DOF-0和随改进过的模型同精确的 6DOF 模型, 我需要一个具有高 机动性导弹的实例。 然而, 因为应用在偏航和俯仰平面的算法一样的, 在这两个平面 下作机动就没什意义了。在这个前提下, “拦截”的例子诞生了。在这个例子 中,战斗机和弹处在坐标原点,而目标在 3km 处(x 轴上)。因我们仅希望导弹在 偏航内作机动,所以我们设重力为零。在 时,导弹在载机初速为 100m/s (360km/h)下 x 运动。同时,目标沿 y 轴正方向 100m/s的速度运动。目标弹 坐系的俯仰平面同地面坐标系的航面重合。在 时,一个 6g 的俯仰向 心速度施加目标上,制导模拟结。在机动过程中,目标一直在做直径为 340m 的 圆机动。 这个 “侧向截”的例子将为参考实例用
3.2.5 3DOF-1
图展示了 “侧向拦截” 例中在海拔 1km 下 3DOF-0,3DOF-1和 6DOF 模型的弹道 及马赫情况。 同最版本的 3DOF 模型比, 3DOF-1模型导弹道和马赫数在仿真 中考虑了小攻角的影 (正如我们早先提
图:海拔 1km (无重力)下“侧向拦截”实例。图(a ):XY 面导弹弹道;图(b ):以 X 方向距为函数的
其中最大攻角出现在 3DOF-1模
很显的提升。个事实说明,当小攻角能够提供需要的机动性时, 3DOF-1模型在低 海拔和高速下是比较精确的。这可以通过如下给的气动力
在海拔高度,空气的密度较大(这也意味着气动系数较大),同时,气动力也与 导弹的飞行度成正比, 即更高的速度意味着高的机
在低海拔和较高的
导
弹
马 赫
数
飞行速度情况下,攻角保持很小,
然而,当海拔高变高时,仿真的情况就那么乐观了(见图八)。因为导弹速度 在射时很低(100m/s),且大气密度很低,制导模块产生了非大的侧向过载命 令, 这就要一个非常大攻角才能回应这样的过载要求, 在行开始时大约要 106°! 同,这个果过于偏离实际,导弹不可能在不失稳的情况下维持这样的攻角。此外, 因为 3DOF-1弹模型过大的机动,它的马赫
图:实例”向拦截“于海拔 14km 处(无重力)。图(a ) XY 平面导弹弹;图(b ):以 X 方向距为函数
其中最大攻角出现在 3DOF-1
因为 3DOF-1模型并不包含绕重心的一列力,方位角不能饱和至最大
一中, 读者将会现, 每一次导弹处于不平衡状态时 (例如绕重心的总力矩不零) , 就会有一个最大角让导弹达到另个衡状态。 这个条件即被称为“平衡条件“。 也是下一
3.3 第 二次改进(3DOF-2):平衡条件
正上一节最后讲,平衡条件可以使 3DOF 导弹在不失稳的情况下进行机动(文 献 4)。此时会生个最大攻角的限制,可以让导弹维稳定状态并
3.3.1 3DOF-2型
当个力矩加在导弹上时, 导弹就会改变它的指向, 直到绕它心的力矩和为 零。在俯仰平面的平衡条件可
导 弹 马 赫 数 最大攻角
它与式 (12)非常相似。 同样的定义式也可应用偏航平面。 从这个公式
到,最大的舵偏角出现在最大的攻角情下。大攻角的值可由下
(22)
对这个模型,同 6DOF 模型中的一样,最大可用舵偏角为 。因为 在偏航和俯仰平面, 系 所以 (22) 可以同时应于这两面。 注意 和 对于负值和正值必须均为饱和值,这个条件可以通过应用如下
对平衡条件式(21)和式(11),我们只有两个而不是三个未知量:偏平面的 (β, ),俯仰平(α, )。这些不饱和可通过使用
其,偏转角必须将式(23)中的 替换为 来通过饱和算的计算。里给 出 3DOF-2模型的俯平面气
最,由于态角(β, α)均有了最大值和最小值,气动向力就以通过使用 式(10)的右端项
3.3.2 3DOF-2
图九显示了上一节中出现问题的实例——“
处——在
3DOF-2中的解决况。对于涉及大横向过载的情况, 3DOF-2模型导弹弹道和马赫比 之前版本的 3DOF 模有了很大改进。然而, 3DOF-2显示了仅仅只 4m 命中误差 ( )的成拦截,而 6DOF 的命中误却有 73m 。这是由于 3DOF-2得到了较高 的导弹速度, 如图九 (b ) 。 在飞行的后程, 3DOF-2模型保持着 6DOF 模型高出 25m/s(90km/h) 的速度。 因为增加的度最终转换了增加机动性, 我可以从图九 (a ) 中看,在 x
图:实例”向拦截“于海拔 14km 处(无重力)。图(a ) XY 平面导弹弹;图(b ):以 X 方向距为函数
最
对同样的型, 在海拔 1km 处 (小攻角, 结果
模在导弹弹道和赫数上没有太大差距。在低海拔处,这种差距与在海拔 14km 处两 者的差已经不能相提了, 且低海拔处两者均同 6DOF 一样得到了
导 弹 马 赫 数
在我的 3DOF 导弹中,仍有一条重要的简化需考虑,这已经在有关前一版本模 型讨论的章节中提到过。许 3DOF-2模型仍可以使向力饱和,有净增和弹身的瞬 时响应。 但不幸的是, 导弹弹身的动响应不可能像响应那迅速或准确:在导获得 需要的侧向过载之前总会存在一个时间常数 (即延迟) , 而就已经达到了需要的侧 过载, 弹也总是在平衡状态周围不停振动。 对这个问题, 其中一个解决办法是 在向过载命令中入一个同时以马赫数和海拔度为函数动时间相应。在现实中,
3.4第 三次改进(3DOF-3):自动驾驶仪和弹体动力学
自动驶仪就是使导弹动稳定状态下从一个平衡条件转换另一平衡条件的装 置。它从导引接收命令,施加一个弹身修正(或整),并返回一个弹身的动时间 相应。对于 6DOF 模型,这种调整就是将一个以导马赫数和海拔高度为数的增益调 度比例分自动驾驶命令施加横向过载命令中。 它的输出就是四片舵的偏转。于 3DOF 模型,加在向加速度和输出项的命令的修正则有效的横向加速度。然而 这一次, 自动驾仪选择是一个二阶传函数, 与之道的增调度仍是以马数和海 拔高度为函数的。这选择是为了过只增加两项,而非 6DOF 模型中
如所述的自动驾驶都是线性的,需要被调整的弹身也是由线性模型建立的。 幸 运是, 3DOF 模型和 6DOF 模型运动
3.4.1自动驾驶仪弹
自动驾驶与弹身动力学传递函数在偏航和俯仰平面上同样的
其中, K 为常数且为获得统一的增,它常被设置为 1, 为侧向阻尼因数, 为固有 频率且能最好地同时代表自动驾驶和机身的固有动态特征。 的值一般被定为临界阻尼 值, 或 。 而, 二阶传递函数总存在一个低于三阶传函的第一上升时间常数, 它临界阻尼就得太小了, 需要增加。 出于以上原因, 我们在不同的马赫海拔 高度下,试验测算了 3DOF 型与 6DOF 模型侧向速度时间相应(见图十)。在这些 试验中,自动驾驶仪均在两种海拔高度上由 2马赫速度, 100m/s2侧向加度命令 续步长开始模拟。 这种设定覆不同的行速度, 因为导弹在阻力和没有动力的情况 下逐减速。 一项连续步长作用的度也因比前一小。 鉴于速度的变换, 自动驾 仪必须不停地通过计算 (3DOF 模型)或从插值表中查数值(6DOF 模型) 来修正增 。经过几次试验后,结果显示,总体上最满足曲线的是 。其中,对于 3DOF 模型(图十(b )),有效的航加速度之所以没
导 弹 马 赫 数
偏 航 加 速 度
图:侧向
另一方面,固有
√ (28)
其, , 和 为三维空间下的气动力系数。这些系数由弹身的性(质量,惯 矩等),马赫数和海拔高度决定。它们各
其, 表示了一度攻角下向力的斜率, 和 分别表示了每一度攻角和仰角 下矩的斜率。 这三维空间的气动力数别来自偏航和俯仰平面的线性化运动方程。 要更多的信息
3.4.2
因为向量不能同拉普拉斯传递函数同被作, 且系统的
与时间有关,
导 弹 马 赫 数 偏 航 加 速 度
式(27)必须展开
其, A , B , C , D 为矩阵, ? 是状向量, u 和 y 分别是系统的输入量
为(27)是一个二阶微分程,状态向量含两个态,命名为 x 和 ?(它们均没有物 理意义)。系统的输入量是两侧加速度令中的一个,输出量则是其的一个有 侧向加速度应。假设式(27),(32)和式(33)中一统一的增益(K=1)在 俯仰平面上用如
式(34)和(35)同样可以用于偏航平面。状空间方可以通过图十一的方法
图十一:状态空间应用于 3DOF-3模型中的框图。
3.4.3 3DOF-3
对高海拔情况,图十二示出 3DOF-3模型和 6DOF 模型导弹弹道良好的吻合 性。事实,侧向加速时间响应使得导弹的向过程加平滑,特是发射段上。 然而,它的时间响应较 6DOF 模型说还是过快了。
)显示出,
3DOF-3模型较于以前的 3DOF 型在马赫数上还是有了极的改进。 确实, 静增 益附近的导弹振幅值形成了更大攻角,而这个攻角同时反过来加了导弹的阻力。 然而, 我应该记住, 果侧向加速度时间响应过于接近饱和限制, 那么这种振动不 起作用的。这是一非常令振奋的改进,因为我们知道导弹马数曲线越接近 6DOF 模型, 我们就越能得到相似的导弹机动线, 反过来, 就越能得到更吻
图二:实例”横拦截“于海拔 14km 处(无重力)。图(a ) XY 平面导弹弹道;(b ):以 X 方向距离为函数的导弹马赫 数。对
表一表二分别总结实例 “横向拦截” 在 1km 和 14km 海拔高度弹道的最终末 端结果。的义在于使读者可以用数字的概念去比较 3DOF 模型和 6DOF 模型。 过分析表二中的数据,我们赏地到 3DOF 模在高海拔高度情况上的改进。毫无疑 问, 3DOF 模型到目前止这种情景中是最精确的。但不幸是,对于低海拔情况, 3DOF 模的末速度仍至少比 6DOF 型高出 17m/s。而这是导致 3DOF 型和 6DOF 模 型在这种海拔高范围下
模型 最终结果 误差范围 [m] 末
命中 0 500
3DOF-3
命中 0 524
3DOF-2
命中 0 525
3DOF-1
命中 0 517
3DOF-0
命中 0 547
表一:3DOF 模型与 6DOF 模型弹道末端
模型 最终结果 误差范围 [m] 末速度 [m/s]
6DOF
未命中 75 524
3DOF-3
未命中 28 524
3DOF-2
命中 4 550
3DOF-1
命中 0 452
3DOF-0
命中 0 642
表二:3DOF 模型与 6DOF 模型弹道末端数
总来说, 3DOF 导弹模型的侧向加速度时间响应在高海拔上较以前 3DOF 模型 确在精度上有很提
加度时间
3.5最 终的 3DOF
总来说, 3DOF-3模型在所有的三自由度导弹弹道仿真模型中是最完和最现实
既然最的 3DOF 模型已经成,计算其与 6DOF 模型性能和时耗差距就是能的 了。我们感兴趣地发现,在全部的计算用时中,进行积分的计算时间是最长的。因此, 只弄清迭过程中每一步计算所需积分的次数就可知 3DOF 模型计算用时的增量。 6DOF 模型在三部分的加速度和角加速度上各有两次分,总共积分十二次。此外, 动驾仪的比例积器在两部分侧向加速度令中各有三次积,一共六次。所以 6DOF 模型在每一步迭代过程中共有十八次积分。较而, 3DOF 模型只有十次(气 计算 6次,自动驾驶仪积分 4次)。因此, 3DOF 模型算时效增益大约为 18/10=1.8。 典型模拟的结果已经显在表一中,而在不计初始化的情下, 3DOF 模的计算效 与刚才估算的十分接。 此外, 如果我们考虑初始化过程中 3DOF 计算时间的减量 ( 6DOF 模型,自动驾驶仪增仅在导弹性能或
模型 模拟时间 [s] 计入始
不计初始化
飞行时间 [s]
6DOF 13.9 5.7 8.1
3DOF-3 4.1 3 8.1
增益 3.4 1.9 -
表三:3DOF 模型较 6DOF 模型计算时间
总来说, 在不计始化的情况下, 最终的 3DOF 模型要比 6DOF 模型快两左右, 而在考初始化时更高。 而, 进一步减少 3DOF 模型计算间的改进方法
4. 不同方位下的允
允许射区对于不同的方即为一组水平面上的包络线,在这线内,导弹可以成 功地命中目标。也被称作发射包络线(LE )。仿真中,我们需要建立这一区,而 这又由许多其它数决定, 比如目标和导弹载机的初始条和终止条件。 在这论文中, 们会画出 3DOF-3和 6DOF 模型的发射包络线, 并且在低海拔和高海模, 在目标 和载机均匀运动下相比较。载机初始位坐标原点,沿 x 轴方向以 100m/s速度飞 行。弹发射时间为 。因为们希望允许发射的模拟尽量真实,所以在模 中计入重力。标保持 200m/s匀速率行,但速度
允许射区模拟的的是为了找到在目标任意度矢量方向下导弹均能成命中 的目标初始 x 轴置。对于一个给定的 ,我们计算出目标初始 x 方位被称作初 X 范围限制(以下简 IXL )。应当意的是,目标总是从 x 轴上开始移动,一变化的 是它度方向(或偏航角 )。然,由图十三和图十四可以看出,允发射区在绘 制曲线时给出的 IXL 值是以偏航角 为函数的极标曲线,它给出的圆形包络线与
关于算允许发区,我们需要确定一个重要的精度问题。如果目的 x 坐标与 机相距过远,那么由于准终止条件的制,导弹将不能拦截到目标。然而如果目标 离载机近,么就会产生二个 IXL 值,在这个范围内,导然不能命中标。第 一种模拟即为大范包络线(Rmax ),而第二种则被称作最小范围包络线(Rmin )。 在这个例子中,对高纬度和低纬度条件下,我们
模型下的
不目标方位角的最和最小范围包络线。然而,我们需要声明的是,对于最大范围 络线计算在很大程度上由终止条件决的(见 4.1节),如图十三(c )所示,于 结果的
一情况下,于发射包络线十分重要的另一方面在于,如果载机和目标速度均 持恒定(没有机动),那么发射包络线则于某一轴
允发射区的模拟对于斗机飞行员很有帮助的, 他们可以由此知道目标是否处 在自己武器打击范围内。对于我们来说,进行这一系列模拟目
下小节我们阐述在进行允许发射区模拟前还需确定的参数,同时,终止条将 告诉我什么样的拦截是成功的,而什样的拦截
4.1允许发
对典型的 3DOF 或 6DOF 模型,真控制子系统可以让模型在某项条件达成的情 况下停止模拟, 同时输出结, 告知拦截否成功。 表四列出了所的终止条判断 拦截否成的条件。 它的目的不是为了繁琐地罗列终条件, 而是从根本指出终止 条件是如
一共四项条件可以终模拟。第一条, 也是最常遇到的条, 就是最接近点。 在 这种况下, 模拟仅在导弹初始度大目标但最后却比目标小的情下才会终止, 反 亦然。换句话说,模拟在导弹 -目标相速度(或接近速度)跨过零时()终 止。接近点终止条件在个最小时间范围(t min =0)内是不会动,这是为防止导 弹发后在度还没有超过目标前模拟前结束。 第二条, 就是导弹的飞行时间达到导 引头最大有效时间(t max )。于我们说,由于我们需计算 Rmax 来确定导的 气动行为,所以我们没有启动这一终止件。实际
计算关。第三条,是导弹撞击到地面(z max )。而最后一条则是为少计算 Rmin 的间而上去的。 这一条的启条件就是目标进导弹战斗部杀伤范围 R WH , 而导弹 的飞行时间在载安全离的最小时间范内。 这会导致任务失败。 因为在这种情况, 导弹的最接近在 t min 之内, 所以最接点这项终止条件将不会被启动而是继进行模 拟直到 t max 。幸的是,有了这四条终止条件,计算的间通常都可以减少。而需要 注意,
当某项终止条件满足时, 模拟控制子统将会输出最先出现的论。 例如, 如 模拟在最接近点的止条件下结束, 而最先出现的结论是导弹到了最小速度, 那即 导弹处在战部杀伤半径之内, 最终的结论仍然于导弹速度小拦截失败。 在 大多数况下, 导弹成功拦截均出现在最接近点终止条件上。 很少最接近点终止条件 启动前导
正如上节所述, Rmin 的计算在很大程度上取决于终止条件,也因最终的结论 很难预测。 其中一个例子就当导弹达到了最接近点, 但目标在 R WH 之外, 且 。 在这比特殊的例子中,模拟过程既被第四终止条件终止(因为 R>RWH ),不 能被第一终止条件终(因 t
毫疑问, 所决定关于导弹是否命中的最终结论的参数都与发射包络线的结果有 直接关系。,发射包络线上将会标注相关的弹初始条
表四:模拟
1. t min 是由战斗部的引延。不适用于最大航
2. V C-min 和 V M-min 的终止条件可时计算。 V M-min 不适用于最小
3. 为测试导弹气动行
4. 当计算最
4.2低 海拔高海拔条件下 3DOF 与 6DOF 模型允发射区的比较 图三和图十四显示了计入力时,低海拔高海拔条件下 3DOF 6DOF 模型允 发射的包络线。过对它们的分析我们可以得到这样的结:在大多数情下, 6DOF 模型最大程发射包络线要比 3DOF 模型小。事实上,只有在导弹没侧向加 速度(例如不计重力且航角为 0°或 180°)
我可以使用一种很特的方法将 3DOF 和 6DOF 模型发射包络线的区别进行化, 那是 IXL 比率:x 方向范围限的 3DOF 与 6DOF 的相对误差。 它可用如下方程表
其中, N 代表偏航角 的数值。 不所料, 3DOF 与 6DOF 的相对差随着导弹的机动而 增加。 此外 IXL ratio还会随海拔高度增加而显著高。 对于当前的子, 图十三中的 IXL ratio为 3.3%而十四中的则为 12.4%。因此,对于在第四章一开始描述的例子,以及对于处在 1~15km海拔高度范围内的情, IXL ratio的
由最小航程范围对终止条过于敏感, 因此它的计算结果很难表示出来。 然而, 对于 大角度范围, 两模型都得到样的结果, 例如, 6DOF IXL 一与 3DOF 的相等或略小 (对于 Rmin ,越小发射包络线意味着
总体上看,我们可以肯定, 3DOF 模的精是两个参数的函数。
因 LA ERALf M al i ude ,我们可以表明,相对于 6DOF , 3DOF 模型的 精度是赫数和海
初始条件:
导弹发射时间:0s 载机速度:100m/s 目速度:200m/s
不确定性:+/-30m
模拟参数:
地平面:0m
最小飞行时:3s 战斗部杀伤半径:10m 最小导
图三:3DOF 与 6DOF 模型允许发射区对比, 海拔 1km 。图 (a ) :最大航包络线;图 (b ) :最小航程包;图 (C ) :3DOF 模型对不同最小飞时间终止条件
初始条件:导弹发射时间:0s 载机速度:100m/s 目标速度:200m/s 计入重力
不确定性:+/-30m
模拟参数:
地平面:0m
最小飞行时:3s 战斗部杀伤半径:10m 最小导
图四:3DOF 与 6DOF 模型允许发射区对比,海拔 15km 。图(a ):最大航程包络线;图(b ):最小
4.3 X 向
对需要高导弹机动计算(典型上讲, Rmin 的计算), IXL 使用二法来寻找 中目标与错过标的临界点。 种法依据不同的最大和最小 x 值的输入量收敛于不
一个我们可以确选择的 IXL 值为适的方法是对特定偏航角,以 IXL 比率为 数绘制误差距离曲线,图十五所示。中, R_WH曲线是限制导命中或失误的战斗 部伤半径。 在这个例中, 命中与否的临界点出现在大约 1350m,1475m, 和 2075m 处。 而 1350m 和 1475m 不是 IXL ,因为在更远的离上(1600m 至 2075m ),导弹不能击 中目标,
图十五:6DOF 导弹模型以 IXL 为函数的误差距曲线,
IXL 值 [m]
误 差 距 离 [m]
4.4计 算
正如们期望的, 在不计入初始化情况下, 对最小最大航程包络线算时间的 增加同之前遇到的模拟况基本相同。 这个增如表五所示。 然需要意的是, 里 的时间同表三的一样, 均时钟时间而 CPU 时间。 因此现不同的增量是很正常的, 特别是对于较长的模拟, 比如 Rmax 的计算, 因为 CPU 的内存
模型 最大航程发射包络线 [min] 最
6DOF 52 4.6
3DOF 30 2.4
增量 1.7 1.9
表五:3DOF 与 6DOF 计算时间对比,允发射区拟,海拔 1km ,不
总的说, 最大航包络线和对应的 IXL ratio的计算, 对最终版 3DOF 和高保真 6DOF 模精度的比较提供了很好的估参考。 3%到 12%的平均相对误差也可以说明 3DOF 模 型不论在低海拔是高海上,对导弹气动为的近似模拟也是比较精确地,而这也是 我们希到的结果。在“向拦”的例子中, 也得到较为理的定性分析。虽 然 Rmax 发射包线可以让我们更好地理解导弹的动行为, Rim 却依赖于终止条件 ——或更具体地说,最小飞行时间条件——以于不能评
5. 总结
为少计算所需时, 六自由度导弹弹道仿真模型已经被降阶为三自由度模。 然 而,这必须不能仿真的正确性所
从一个单的三维环境中的确的质量点开始(称为 3DOF-0) ,三个显著的改善 措施将这个模型升为最终版本 (3DOF-3) , 这三个措施即:导弹速度矢量方 (β, α) , 平件和自动驾驶,以及机身动力学(或称之为向加速度时间相应) 。首先,随着 3DOF 弹的定位,侧向力在弹的总阻力计算中扮演着重要的角色,同时它可以使 3DOF 弹减速; 其次, 平条件我们引入导弹的饱和攻角, 可我们计最大侧 向加速度;最后,侧向加速度时间响应子统让 3DOF 导弹弹的转向更加平,同 时低了很大一部分导的马赫数。每一次 3DOF 型升级时,它计算度都会被 拿去和六自由度保真模型相
最终本的 3DOF 仅仅是将这些改嵌入到最初版本的 3DOF 模型中而已。它的 精确度与稳定均令人满意。实, 3DOF 模型与 6DOF 模型间最大包络算误差 范围海拔 1km 与 15km 时分仅仅只有 3% 12%。因此,们可表明,当海拔 高度处在 1km~15km范围内时, 全误差会保持在 3%~12%之
参考文献
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JTCG/ME-75-15-3, March 1979, CONFIDENTIAL.
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加大国防研究发展局 加大防御与国家
WWW.drdc-rddc.gc.ca
“慧鱼模型”三自由度机械手
湖北理工学院
“慧鱼模型”三
设
计
小
册
学院:
班级:
指
姓名:
学号:201030120130
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一、概述 ........................................................... 1 1.1机电一体
1.1.1
1.1.2机电一体化统组成 ........................................ 11.2. 慧鱼机
1.2.1慧鱼创意学组合模型简介 ................................... 2 二、机器人组成 ................................................... 3 2.1组成构件 ....................................................... 3 2.2慧鱼器人
2.2.1机
2.2.2主要成构成及功能 ........................................ 7 2.3. 机人的工作空间形式 .......................................... 9 2.4机器人的机械运形和变换控制 ................................. 11 2.5机器人的位移、速度、方向的控制
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一、概述
1.1机电
1.1.1机电一体化术
机一体化技术合应用了机械技术、计算机与信息技术、系统技术、自动控制技术、传感检测技、伺服传动技术,接口技术及系统体技术等
根据系统功能目标和优化组织结构目标,以能、力、结构、运动统的观
和知等组成要素为基础,对各成要素及相互之的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行究,使得整个系统机合与综合成,并在系统程序和微电子路的有序息控制下,形物质能量的有规则运动,在高质量、高精度、高可性、低能耗意义上实现种技术功能复合的最佳
1.1.2机电
1.机械本体 机械本体包括机架、机械接、械传动等,它是机电一
础,起着支撑统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。 2.检测传感部 检传感部分包括各种传感器及其信
检测机电一体化系统工作过程中身
化,并将信息传递给电子控制单,
的信息向执行器发
3.电子控制单元 电子控制单元是机电体化统的核心,负责将来自
的检测信号和外部输入命令进行
据信息处理结果,按照一定的程和
制整个系统有
4.执行器 执行器的作用是根据电子控单元指令驱动机械部件的运
器运动部件,常采用电力驱动、气压驱动和液压驱动等几种方式。 5.动力源 动力源电一体化产品能量供应部分,是照系统
系统提供能量和动力使系统正常运。提能量的方式包括
能和液压能。
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1.2.
1.2.1慧鱼创意
1964年,慧鱼创意教学组合模(fischertechnik)生于德国,是由德国发明家Arthur Fischer 博士在 1964 年从其专利“六面拼接体”的基础上发明的。它是技术含高的工程技术智趣装模型,是展示科学原理和技术过程的理想教具,是体现世界最先进教育理念学具,为创新教育和创
慧创意组合模型的主要部件采优质尼龙塑胶制造,尺寸精确,不易磨损,可以保证反复装的同时不影响模型结合的精确度;构件的工业燕尾槽专设计使六面都可拼接,独特的设计可实现随心所的组合扩充。它由各种型号和规格的零件构成,似于木。零件的种类很多,乎包括了程和日常生活中的所有零件,如机械零件: 连杆、凸轮、齿(普通齿轮、锥齿轮、斜齿轮、啮合齿轮、外啮合齿等)、蜗轮、蜗 杆、螺杆、链、带、链条、轴(直轴和曲轴)、联轴器、弹簧、减速器、齿轮箱、车轮等;电气零件:直电机、灯泡、磁阀、行程开关、传感器(光敏、、磁、触敏)、可调直流变压器、电脑接口板、PLC 口板、红线发射接收装置等;动零:储气、汽缸、活塞、气弯头、手动气阀、电磁气阀、气管等。由这些零件的不同合便可构造出各式各的模型,这模型主要可分为两大类:技组和机器人组。技术组又包括传感器技术组、气技术组、汽车技术组、太阳能术组、万能组合包。机器人组又包括3D 机器人、计算机
在鱼实验过程中,通过对各类型的认识和组装,从而可以熟悉并掌握各类机械设备和自动化装置的常用结构和工作原理。在模型的建,将运用机械加工、气动技术、电子路和软件等知识,从而深对这些相关课程的理解。另外通过慧鱼模型的建和组装也培养了实际手的能力、解决实际
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二、机器人的组成
2.1组成构件
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湖北理工学院 毕业设计(论文) 2.2慧鱼机器
此机电一体化创新计项目,我们所完成的是慧鱼工业机器人中的三自由度机械手,能够通过能控制接口盒的程控制实现三个由方向(旋转、水平、垂直)的夹取或放置物品,因此操作范
2.2.1机
如2.1所示,该机器人为三由度机械手,其机手爪有夹紧和松开物件的功能,由三个电机驱动三个自由度的运动,由一个电机控制爪的紧和松开。可实现整体的旋转、水平、直运动及爪夹紧、松开动。机械人可通过PC对控制芯片进行编程,从而输控制信号到各电机,驱机械人的运动方向或行
图2.1 机
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2.2.2主要
1、机械手基
图2.2.1机械手基座
该运动主要构件有电动机、速
2.机械手
图2.2.2机械手水
该运动主要构件有主要运动构件有电动机、减速
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3、机械手
图2.2.3机械手垂
该运动主要构件有主要运动构件有电动机、速箱、丝杆、螺旋传动块、连
4、机械手爪夹
图2.2.4机械手爪夹紧松
该运动主构件有主要运动构件有电动机、减速箱、传动轴、万向铰链、螺旋传动块、
湖北理工学院 毕业设计(论文) 2.3. 机器人的工作空
该机器人的工作空间形式主要有三个自由的动和机械手爪的夹松
、自由度一:机械手基座的旋转动,
图2.3.1 机械
电输出动,经减速箱调节速度并传递到蜗杆,蜗杆与齿啮合传,齿轮转动带动整个底座进行旋
2、自由度二:机械手的水运
图2.3.1机
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电机输出能,经减速箱调节速度并传递到丝杆,再过链条螺旋机构转化为工作台的前
、自由度三:机械
图2.3.2机
电输出动能,经减速箱调节速度并传递到丝杆,再通过链条和螺旋机构化为水平后运动,最后经连杆机构转化机械手
4、机械手爪的
图2.3.3通过上
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图2.3.4机械手
电输出动能,减速箱调节速度并传递到传动轴,不同轴线的各传动杆通过万向铰链进行连接传递动力,近杆件的旋转运动通过螺旋机构转化手爪的夹紧
2.4机器人的机械运
1、机械手基
如下图所示,传动方式为:控制信号—电—
电动机 减速箱
图2.4.1机械手基的
湖北理工学院 毕业设计(论文) 2、机械手的水
如下图所示,传动方式为:控制信号—
电动机 减速箱
图2.4.2机械手的
3、机械手
如下图所示,传动方式为:控制信号—电机—速箱—螺旋机构—连杆机构—机
电动机 减速箱
图2.4.3机械手
湖北理工学院 毕业设计(论) 4、机械手爪夹紧与放
如图所示,传动方式为:控制信号—电机—减速箱—传动—万向链—传动轴—螺旋机构—连杆机
电动机 夹紧气缸
图2.4.4机械手爪夹与
2.5机器人的位移、速
该机人整体与控制芯片盒连接,并通PC的程序编制与载,将控制信号输送电机。其中速度控制信号将控制电的速度从而实现机器人的动速度转变,并且时控制号将于速度制信号配合实现机器人的运动位移可调。为了防出行程,各主要械运构件附近安装有限位行程开关,以限制运动的极限位置,同也是运动的起始位置;当各动构件运动碰到两边的限位
1、机械手基座的转
动源(电机)接收控制芯片的移速度控制信号后动作,由于电机转速较高,通过减速箱作用,节电机转速到较低的适量。动力输出通蜗轮机构将动力转换为基座齿轮的转动。躯干的
2.机械手的水
动源(电机)接到控制芯片的速度位移控制信号后动作,由于电机转速较,通过减速箱的作用,节电机转速到较合适量。然后动力轴的转动通过螺旋机转化为机架
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3、机械手的垂直运
动源(电机)接收到能控制接口盒速度位移控制信号后动作,由于电机转速较高,通过减速箱的用,调节机转速到较低的合适。减速输出动力到杆,再通过螺旋机构转化为机架的前后水平运动,最后通连杆机构转化为
4、机械手爪夹紧与放运
动源(电机)接收到控制片的速度位移制信号后动作,由于电机转速较高,通过减速箱的作用,调节电机转速较的合适。减速箱输出动力到传动,各传因轴线不在一平线上故需通过万向铰链连接,最后传递到螺旋机构,带动连机构从而形成机械
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