頭盔伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、針對(duì)現(xiàn)有分辨率和對(duì)比度高、視場(chǎng)角大、專業(yè)級(jí)立體顯示的頭盔顯示器一般在使用過程中會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)不便，定位跟蹤干擾大，有沉重感、束縛感和異物感等問題，本文以高精度與短延遲跟蹤、低工作負(fù)荷的功能需求為目標(biāo)，從提高頭盔顯示器佩戴舒適性的角度出發(fā)，提出了一種主要由6URHS并聯(lián)機(jī)構(gòu)和傳統(tǒng)頭盔顯示器組成的新型虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備——頭盔伺服系統(tǒng)(Helmet Mounted Display with6 DOF Parallel Manipulator，以下簡(jiǎn)稱

2、HMDPM)，并對(duì)該系統(tǒng)的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，具體有以下幾個(gè)方面:
　　1、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)及原型樣機(jī)研制。作為系統(tǒng)的運(yùn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸將會(huì)直接影響到系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性。本文首先通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化與修正處理，得到了描述頭部運(yùn)動(dòng)范圍的六維超橢球體和頭部運(yùn)動(dòng)速度、精度的極限數(shù)值，明確了執(zhí)行機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化的性能指標(biāo);其次，對(duì)各性能指標(biāo)進(jìn)行了歸一化處理，定義了相應(yīng)的子目標(biāo)函數(shù)，建立了尺寸優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型，并提出了基

3、于Centroidal Voronoi Tesselations(CVT)的非線性最小二乘法對(duì)優(yōu)化問題進(jìn)行了解算。計(jì)算結(jié)果顯示，CVT的使用可以使參數(shù)初始值均勻覆蓋整個(gè)參數(shù)空間，可在保持非線性最小二乘法原有優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，提高算法的全局搜索能力，提供多組非劣解;再次，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，提出了穿越式的驅(qū)動(dòng)支鏈設(shè)計(jì)方案，減小了自身結(jié)構(gòu)尺寸和安裝占用空間，通過懸掛安裝驅(qū)動(dòng)支鏈保證了穿越式方案的實(shí)施，實(shí)踐證明，機(jī)構(gòu)的使用效果達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo);

4、最后，按照最優(yōu)方案完成了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研制。
　　2、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析。分析了6URHS并聯(lián)機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)空間與任務(wù)空間之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系;對(duì)螺母單獨(dú)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，推導(dǎo)了驅(qū)動(dòng)支鏈的動(dòng)力學(xué)方程，采用牛頓——?dú)W拉法建立了部件級(jí)、細(xì)粒度的6URHS并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型;采用Simulink的Simmechanics模塊建立了6URHS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)，進(jìn)行了開環(huán)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示數(shù)學(xué)模型與虛擬樣機(jī)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)基本一致，

5、數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確度與虛擬樣機(jī)相仿。對(duì)6UPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)模型與6URHS并聯(lián)機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行了能量轉(zhuǎn)化分析，分析結(jié)果證明，考慮螺母的動(dòng)力學(xué)特性，建立6URHS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型具有較高的必要性。
　　3、系統(tǒng)重要未知參數(shù)的辨識(shí)。針對(duì)含頭盔顯示器的動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量、重心位置等參數(shù)具有時(shí)變不確定性的特點(diǎn)，本文重點(diǎn)對(duì)非線性系統(tǒng)的在線辨識(shí)算法進(jìn)行了研究，通過理論分析和文獻(xiàn)資料閱讀，歸納、總結(jié)了部分辨識(shí)方法的優(yōu)、缺點(diǎn);結(jié)合待辨識(shí)參數(shù)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，

6、給出了用于參數(shù)辨識(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)空間模型和觀測(cè)函數(shù);通過在線辨識(shí)仿真，對(duì)比分析了連續(xù)-離散擴(kuò)展卡爾曼濾波(CDEKF)算法和連續(xù)-離散無味卡爾曼濾波(CDUKF)算法的辨識(shí)速度、精度和穩(wěn)定性，仿真結(jié)果顯示CDUKF在這三方面均要優(yōu)于CDEKF;采用CDUKF對(duì)HMDPM的動(dòng)平臺(tái)參數(shù)進(jìn)行了在線辨識(shí)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示CDUKF能對(duì)參數(shù)的階躍變化作出快速響應(yīng)，辨識(shí)誤差較小，且階躍變化越小，CDUKF的響應(yīng)速度和辨識(shí)精度就越高。
　　4、系統(tǒng)

7、控制策略。針對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能，提出了HMDPM的主動(dòng)柔順控制策略(ACCSH);并對(duì)策略涉及的內(nèi)容——運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃和控制器設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。鑒于螺旋副存在自鎖問題，根據(jù)六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)任務(wù)空間與關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，結(jié)合6UPS與6URHS各自驅(qū)動(dòng)支鏈的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，提出了基于6UPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)支鏈動(dòng)力學(xué)模型和力傳感器反饋數(shù)據(jù)的頭部運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)方法，該方法通過對(duì)頭部運(yùn)動(dòng)的預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃;針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能之二——減小頭盔

8、顯示器與使用者頭部間的廣義接觸力，本文基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)了帶有慣性項(xiàng)與非線性項(xiàng)補(bǔ)償?shù)目刂破?通過仿真與實(shí)驗(yàn)，對(duì)主動(dòng)柔順控制策略用于HMDPM控制的可行性與效果進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示主動(dòng)柔順控制策略可以在實(shí)施精確位置跟蹤的同時(shí)，有效地減小廣義接觸力，從而達(dá)到減小系統(tǒng)使用者工作負(fù)荷的系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)。
　　5、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及其運(yùn)行環(huán)境。按照功能劃分，采用模塊化的方法對(duì)系統(tǒng)軟件架構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，基于Visual Studio實(shí)現(xiàn)了指令

9、模塊等17個(gè)功能模塊，并根據(jù)任務(wù)需求將各模塊有機(jī)結(jié)合，開發(fā)完成了系統(tǒng)管理軟件、頭部運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)軟件、在線辨識(shí)軟件、系統(tǒng)控制軟件以及動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算軟件;基于C++Builder開發(fā)了系統(tǒng)管理軟件的可視化操作界面，基于OpenGL設(shè)計(jì)了用于動(dòng)態(tài)顯示6URHS并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的虛擬樣機(jī)，方便了測(cè)試實(shí)驗(yàn)的開展，保證了實(shí)驗(yàn)的安全性;基于Windows XP和RTX8.1搭建了系統(tǒng)軟件的運(yùn)行環(huán)境，設(shè)計(jì)了服務(wù)器(Windows)——客戶端(RTX)的

10、上、下位機(jī)控制架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了HMDPM的480Hz的高頻率實(shí)時(shí)控制。
　　6、系統(tǒng)性能測(cè)試。構(gòu)建了頭盔伺服系統(tǒng)的原型樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)硬件、軟件的聯(lián)合調(diào)試;采用仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)HMDPM的設(shè)計(jì)功能實(shí)施效果和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)等特性進(jìn)行了研究。建立了有、無金屬物體干擾兩種跟蹤性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)環(huán)境，采用慣性陀螺測(cè)量了動(dòng)平臺(tái)的位姿信息，對(duì)電磁跟蹤器與HMDPM的靜、動(dòng)態(tài)跟蹤精確度、抗干擾能力和穩(wěn)定性進(jìn)行了對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了HMDPM的良