与虚拟现实环境动感交互的赛车模拟装置研究

摘要

赛车模拟游戏，是20世纪90年代以来在世界各地逐步兴起的一种高科技娱乐项目，它是当今虚拟现实技术、机电传动技术及自动控制技术高度发展与结合的产物。赛车模拟游戏的主要奥妙，在于参与者通过适当操纵装置与虚拟环境实时动感交互，这种“实时动感交互”让参与者有更加逼真的、身临其境的、动感刺激的赛车体验。
　　 结合中山市产学研结合项目“4D动感影院关键装备的研究与开发”，本文根据赛车模拟装置的特点，分析赛车模拟装置的主要需求，设计一种结构较为简单、经济适用的2自由度赛车模拟装置游戏平台。该平台使用两套电动缸为驱动装置，通过侧倾、俯仰2个自由度的运动实现车辆弯道、斜坡的体感仿真，通过电动缸不同的输出频率实现车辆变速、碰撞的体感仿真。论文具体的研究工作如下:
　　 (1)研究了平台的运动学关系。根据平台机构的矢量关系，通过RPY角描述法，建立动平台位置反解模型，通过对位置正解中解析法和数值法的分析，选用牛顿-拉夫逊法建立位置正解模型，并以MATLAB进行仿真算例。
　　 (2)完成了平台的机械设计工作。根据平台总体设计要求和各零部件的功能，完成整个赛车模拟装置机械结构的搭建，运用PRO/E创建赛车模拟装置三维模型。
　　 (3)完成了平台的控制系统设计工作。首先，根据本文控制系统系特点，将控制系统划分主控制模块、运动控制模块、控制实施模块三个部分，并对其功能作了简单地介绍;然后，重点介绍了本文的运动控制模块和控制实施模块;最后，依据各系统模块功能的特点，完成了伺服驱动系统硬件平台的搭建，并给出控制系统原理图和实物连接图。
　　 (4)实现了平台运动控制试验工作。首先，对本文控制对象进行了分析，在分析汽车运动模模型的基础上，提出了适合本赛车模拟运动平台的控制模型;然后，针对赛车模拟装置和游戏软件在设计初期分离的特点，设计一种控制软件协调解决开发过程中不同步的问题;其次，论述了本文控制软件结构和软件开发平台，并对上、下位机程序进行了系统开发;最后，结合控制要求进行运动控制试验。

目录

摘要

CONTENTS

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景与意义

1．2 赛车模拟装置发展概况

1．3 课题研究的来源

1．4 课题主要研究内容

1．5 论文组织结构

第二章 总体方案设计

2．1 系统设计要求

2．2 系统框架及功能

2．3 系统方案分析

2．3．1 系统驱动方式

2．3．2 系统自由度分析

2．4 本章小结

第三章 运动学分析

3．1 坐标系的建立

3．2 坐标变化的关系

3．2．1 方位描述

3．2．2 平移变换

3．2．3 旋转变换

3．2．4 复合变换

3．3 位姿描述

3．4 位置分析

3．4．1 位置反解

3．4．2 位置正解

3．4．3 算法实例

3．5 本章小结

第四章 结构设计

4．1 电动缸的工作原理与选型计算

4．1．1 电动缸工作原理

4．1．2 电机选型计算

4．2 铰链设计

4．3 万向支撑机构设计

4．4 执行机构的布局设计

4．5 操纵装置的设计

4．6 显示器与座椅的布局设计

4．6．1 显示器布置

4．6．2 座椅布置

4．7 车架的设计

4．8 总体装配

4．9 本章小结

第五章 控制系统设计

5．1 控制系统的组成

5．2 运动控制模块

5．2．1 运动控制芯片

5．2．2 主要外圈电路

5．3 控制实施模块

5．3．1 交流伺服驱动系统特点

5．3．2 数字交流伺服驱动系统

5．3．3 东元TSTE系列伺服驱动系统

5．4 控制系统实物构成

5．5 本章小结

第六章 控制方案的研究与实现

6．1 控制对象分析

6．2 控制模型建立

6．2．1 汽车运动模型

6．2．2 平台控制模型

6．3 控制软件结构与开发平台

6．3．1 软件结构

6．3．2 开发平台

6．4 下位机程序开发

6．4．1 PWM生成

6．4．2 USB驱动

6．4．3 AD采样

6．5 上位机程序开发

6．5．1 USB接口通信

6．5．2 控制软件设计

6．6 实时运动控制试验

6．7 本章小结

总结与展望

全文总结

工作展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的论文

声明

致谢