頭盔伺服系統(tǒng)的關鍵技術研究.pdf

1、針對現(xiàn)有分辨率和對比度高、視場角大、專業(yè)級立體顯示的頭盔顯示器一般在使用過程中會出現(xiàn)運動不便，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、低工作負荷的功能需求為目標，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)機構和傳統(tǒng)頭盔顯示器組成的新型虛擬現(xiàn)實設備——頭盔伺服系統(tǒng)(Helmet Mounted Display with6 DOF Parallel Manipulator，以下簡稱

2、HMDPM)，并對該系統(tǒng)的若干關鍵技術進行了研究，具體有以下幾個方面:
　　1、執(zhí)行機構的尺寸優(yōu)化設計及原型樣機研制。作為系統(tǒng)的運行執(zhí)行機構，并聯(lián)機構的結構尺寸將會直接影響到系統(tǒng)的運動特性。本文首先通過對實測數(shù)據進行量化與修正處理，得到了描述頭部運動范圍的六維超橢球體和頭部運動速度、精度的極限數(shù)值，明確了執(zhí)行機構尺寸優(yōu)化的性能指標;其次，對各性能指標進行了歸一化處理，定義了相應的子目標函數(shù)，建立了尺寸優(yōu)化問題的數(shù)學模型，并提出了基

3、于Centroidal Voronoi Tesselations(CVT)的非線性最小二乘法對優(yōu)化問題進行了解算。計算結果顯示，CVT的使用可以使參數(shù)初始值均勻覆蓋整個參數(shù)空間，可在保持非線性最小二乘法原有優(yōu)勢的同時，提高算法的全局搜索能力，提供多組非劣解;再次，在執(zhí)行機構的結構設計方面，提出了穿越式的驅動支鏈設計方案，減小了自身結構尺寸和安裝占用空間，通過懸掛安裝驅動支鏈保證了穿越式方案的實施，實踐證明，機構的使用效果達到了設計目標;

4、最后，按照最優(yōu)方案完成了執(zhí)行機構的設計研制。
　　2、執(zhí)行機構的運動學與動力學分析。分析了6URHS并聯(lián)機構關節(jié)空間與任務空間之間的運動學關系;對螺母單獨進行了動力學分析，推導了驅動支鏈的動力學方程，采用牛頓——歐拉法建立了部件級、細粒度的6URHS并聯(lián)機構動力學模型;采用Simulink的Simmechanics模塊建立了6URHS并聯(lián)機構的虛擬樣機，進行了開環(huán)動力學響應實驗，實驗結果顯示數(shù)學模型與虛擬樣機的動力學響應基本一致，

5、數(shù)學模型的準確度與虛擬樣機相仿。對6UPS并聯(lián)機構模型與6URHS并聯(lián)機構模型進行了能量轉化分析，分析結果證明，考慮螺母的動力學特性，建立6URHS并聯(lián)機構的動力學模型具有較高的必要性。
　　3、系統(tǒng)重要未知參數(shù)的辨識。針對含頭盔顯示器的動平臺質量、重心位置等參數(shù)具有時變不確定性的特點，本文重點對非線性系統(tǒng)的在線辨識算法進行了研究，通過理論分析和文獻資料閱讀，歸納、總結了部分辨識方法的優(yōu)、缺點;結合待辨識參數(shù)和執(zhí)行機構動力學模型，

6、給出了用于參數(shù)辨識的系統(tǒng)狀態(tài)空間模型和觀測函數(shù);通過在線辨識仿真，對比分析了連續(xù)-離散擴展卡爾曼濾波(CDEKF)算法和連續(xù)-離散無味卡爾曼濾波(CDUKF)算法的辨識速度、精度和穩(wěn)定性，仿真結果顯示CDUKF在這三方面均要優(yōu)于CDEKF;采用CDUKF對HMDPM的動平臺參數(shù)進行了在線辨識實驗，實驗結果顯示CDUKF能對參數(shù)的階躍變化作出快速響應，辨識誤差較小，且階躍變化越小，CDUKF的響應速度和辨識精度就越高。
　　4、系統(tǒng)

7、控制策略。針對系統(tǒng)的設計功能，提出了HMDPM的主動柔順控制策略(ACCSH);并對策略涉及的內容——運動軌跡規(guī)劃和控制器設計進行了研究。鑒于螺旋副存在自鎖問題，根據六自由度并聯(lián)機構任務空間與關節(jié)空間的運動學關系，結合6UPS與6URHS各自驅動支鏈的運動特點，提出了基于6UPS并聯(lián)機構驅動支鏈動力學模型和力傳感器反饋數(shù)據的頭部運動預測方法，該方法通過對頭部運動的預測實現(xiàn)了對執(zhí)行機構動平臺運動軌跡的規(guī)劃;針對系統(tǒng)設計功能之二——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)動力學模型，設計了帶有慣性項與非線性項補償?shù)目刂破?通過仿真與實驗，對主動柔順控制策略用于HMDPM控制的可行性與效果進行了驗證，實驗結果顯示主動柔順控制策略可以在實施精確位置跟蹤的同時，有效地減小廣義接觸力，從而達到減小系統(tǒng)使用者工作負荷的系統(tǒng)設計目標。
　　5、系統(tǒng)軟件設計及其運行環(huán)境。按照功能劃分，采用模塊化的方法對系統(tǒng)軟件架構進行了設計，基于Visual Studio實現(xiàn)了指令

9、模塊等17個功能模塊，并根據任務需求將各模塊有機結合，開發(fā)完成了系統(tǒng)管理軟件、頭部運動預測軟件、在線辨識軟件、系統(tǒng)控制軟件以及動力學與運動學計算軟件;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設計了用于動態(tài)顯示6URHS并聯(lián)機構運動狀態(tài)的虛擬樣機，方便了測試實驗的開展，保證了實驗的安全性;基于Windows XP和RTX8.1搭建了系統(tǒng)軟件的運行環(huán)境，設計了服務器(Windows)——客戶端(RTX)的

10、上、下位機控制架構，實現(xiàn)了HMDPM的480Hz的高頻率實時控制。
　　6、系統(tǒng)性能測試。構建了頭盔伺服系統(tǒng)的原型樣機，實現(xiàn)了系統(tǒng)硬件、軟件的聯(lián)合調試;采用仿真與實驗相結合的方法，對HMDPM的設計功能實施效果和系統(tǒng)動力學響應等特性進行了研究。建立了有、無金屬物體干擾兩種跟蹤性能測試實驗環(huán)境，采用慣性陀螺測量了動平臺的位姿信息，對電磁跟蹤器與HMDPM的靜、動態(tài)跟蹤精確度、抗干擾能力和穩(wěn)定性進行了對比，實驗結果證實了HMDPM的良