基于VR技術(shù)的動(dòng)感平臺設(shè)計(jì)與分析

熊爭

摘 要 介紹了基于標(biāo)準(zhǔn)DSP的多軸控制器的特殊設(shè)計(jì)，其他動(dòng)感平臺的主要結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)的功能，軟硬件和各種軟件構(gòu)造。系統(tǒng)的硬件設(shè)備由移動(dòng)平臺、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和系統(tǒng)控制部件組成。輸入箱的強(qiáng)信號由計(jì)算機(jī)控制，并根據(jù)生活場景的變化提出應(yīng)用軟件使用場景，該軟件可以由不同的系統(tǒng)控制。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）;并聯(lián)機(jī)構(gòu);DSP控制器

1平臺本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

并聯(lián)機(jī)構(gòu)平臺是一門新型發(fā)展中的設(shè)備，它的主要特點(diǎn)是良好的結(jié)構(gòu)剛度，較大的負(fù)載重量比，較強(qiáng)的承載能力，較高的位置精度和緊湊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。該平臺由上層平臺（移動(dòng)平臺），下層平臺（靜態(tài)平臺），三個(gè)活動(dòng)分支鏈和兩個(gè)從動(dòng)分支組成。主動(dòng)支鏈的一端通過胡克鉸鏈與靜態(tài)平臺相連，另一端通過胡克鉸鏈連接。從動(dòng)分支鏈的一端通過鉤形鉸鏈與活動(dòng)平臺相連，運(yùn)動(dòng)主分支另一端鏈通過高速旋轉(zhuǎn)鉸鏈與動(dòng)靜平臺連接，分支鏈的尾端由旋轉(zhuǎn)鉸鏈以各種方式驅(qū)動(dòng)以提供連接動(dòng)態(tài)和靜態(tài)平臺。例如安裝在盒體側(cè)壁上的折疊小葉，折疊小葉的一側(cè)與盒門可移動(dòng)地連接，盒體的底部與支架固定連接，盒體的內(nèi)壁為安裝有配電箱，配電箱的一側(cè)與支撐架相連以支撐機(jī)架的頂部與驅(qū)動(dòng)馬達(dá)固定連接，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)與藍(lán)牙芯片電連接，藍(lán)牙芯片電連接與運(yùn)動(dòng)控制器相連，顯示器組件安裝在運(yùn)動(dòng)控制器上方，并且支撐框架的上側(cè)與支撐板固定連接以支撐座椅組件安裝在面板上方。具有結(jié)構(gòu)簡單，操作實(shí)用，現(xiàn)有用戶體驗(yàn)安全性強(qiáng)，防跌倒的優(yōu)點(diǎn)。在客戶端的幫助下，直接控制設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行，節(jié)省時(shí)間和精力，效率明顯，可以滿足不同工作和娛樂用戶的實(shí)際需求[1]。

2平臺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的功能由PC技術(shù)和市場的多軸運(yùn)動(dòng)控制板，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的核心動(dòng)力單元，電子控制和編碼器共同組成。驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和控制系統(tǒng)功能跟蹤并調(diào)整工作臺的位置，編碼器，驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成了螺旋軸的閉環(huán)控制軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)控制手柄，以控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器并同時(shí)控制輸出軸的角位移。它可以控制各種軟件，將小型自行車通過其他空間場景的模擬環(huán)境轉(zhuǎn)換為平臺釋放運(yùn)動(dòng)，并從當(dāng)前的設(shè)置到下一個(gè)指定地點(diǎn)（電機(jī)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)所需的位置）計(jì)算最佳位置角度和速度，并刷新DSP控制器。

2.1 控制器芯片選型

基于高速DSP芯片的多軸控制器設(shè)計(jì)具有處理速度快、能及時(shí)響應(yīng)虛擬場景變化的特點(diǎn)?？刂破餍酒昧瞬⒙?lián)機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)剛度好、易于控制的優(yōu)點(diǎn)，由于數(shù)字信號處理器的高速運(yùn)算能力，在運(yùn)動(dòng)控制中得到了廣泛的應(yīng)用，TMS210F220是RI公司專門為數(shù)字電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制而設(shè)計(jì)的新型固定區(qū)域DSP產(chǎn)品之一。半導(dǎo)體包括一個(gè)20兆位/秒的Snapdragon835、兩個(gè)10位a/D適配器和一個(gè)專用的資源管理器，它采用傳統(tǒng)的Harvard構(gòu)造線法。程序中將存儲芯片和集成數(shù)據(jù)存儲芯片分開。TMS340F260還可以在兩個(gè)調(diào)整周期內(nèi)獲取和發(fā)出指令，DSP的速度一般提高了兩倍以上，即使所有通過語音發(fā)出命令都能在50ns的時(shí)間內(nèi)再次執(zhí)行，所以現(xiàn)代DSP以其優(yōu)異的綜合性能逐漸取代了過去常見的MCU[2]。

2.2 逆變驅(qū)動(dòng)電路

在該系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)由公司組件組成的并網(wǎng)逆變器直接驅(qū)動(dòng)，三相交流發(fā)電機(jī)中額定功率組件的電源控制電路使用DSPPWM輸出外部設(shè)備接口。Tlp250用作上部隔離電路板，以實(shí)現(xiàn)主電路系統(tǒng)與CPU之間的隔離保護(hù)。在非導(dǎo)通狀態(tài)下，輸出功率電子器件的柵極具有相反方向的5V輸出電流，可以確保輸出功率器件可靠地關(guān)斷。而且由于逆變驅(qū)動(dòng)電路所采用的專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2110是通過自舉供電方式來驅(qū)動(dòng)橋臂上管的（如圖1所示）。所以，在上、下管驅(qū)動(dòng)信號恒低或恒高時(shí)，給上管供電的自舉電容C1能量得不到補(bǔ)給。當(dāng)電容上的能量放完后，上管關(guān)斷，就會出現(xiàn)此橋臂無驅(qū)動(dòng)信號，無輸出的現(xiàn)象。

例如TMS210F220具有16位驅(qū)動(dòng)最終數(shù)據(jù)的連續(xù)輸出功能，但由于采用16位同構(gòu)驅(qū)動(dòng)最終數(shù)據(jù)的D/A轉(zhuǎn)換器價(jià)格昂貴，電路復(fù)雜，所以采用DSP的SPI口，采用16位并行接口進(jìn)行數(shù)據(jù)集成。大致分為4個(gè)輸入電壓可以輸出D/A和兩個(gè)HCPL-2630光耦集成電路，形成四個(gè)電壓輸出，可控制四軸運(yùn)動(dòng)。此外，為了改善整個(gè)電路的邏輯和電器特性，提高平臺運(yùn)動(dòng)的精度，所以設(shè)計(jì)種選用了可編程集成芯片ispLSI1048，對編碼器采集的信號進(jìn)行4倍擴(kuò)頻，辨向和計(jì)數(shù)處理后送給DSP處理，從而構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了逐步改善電路部件的基本邏輯和電氣功能特性，降低工作臺的運(yùn)動(dòng)誤差，可以選用大型可編程集成半導(dǎo)體1033。數(shù)據(jù)編碼器采集到的信號經(jīng)過四次乘法、方向識別和直接計(jì)數(shù)直接處理后，直接送入DSP直接處理，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)功能。

例如①通信設(shè)備的軟件系統(tǒng)模塊的功能最終完成，即初始化模塊完成平臺歸零動(dòng)作以及DSP運(yùn)行控制器的初始化;②完成計(jì)算機(jī)與DSP之間的串行通信設(shè)備;③數(shù)據(jù)綜合處理過程，模塊處理場景中的所有參數(shù)以將轉(zhuǎn)換過程轉(zhuǎn)換為等級升級，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的樅縱擺和橫擺。④將對運(yùn)動(dòng)中的可分解功能模塊進(jìn)行升級，將偏航分解為三個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，DSP控制器可以控制電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)平臺提供的預(yù)先安排的預(yù)定運(yùn)動(dòng)。⑤安全增強(qiáng)保護(hù)系統(tǒng)模塊通過軟件限制電機(jī)的預(yù)期角度，響應(yīng)者緊急停車直接輸入，并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)判斷模塊中的最佳位置預(yù)判，實(shí)現(xiàn)對工具軟件的需求保護(hù)[3]。

3結(jié)束語

根據(jù)推導(dǎo)出的大平臺運(yùn)動(dòng)科學(xué)建模，結(jié)合所選螺桿類型和實(shí)際工作空間的吊鉤鉸鏈，工作臺的最大縱、斜擺角可達(dá)40度，垂直行程有300mm，該平臺不僅可以模擬不同路面條件下騎行車輛的運(yùn)動(dòng)，還可以在未來模擬船舶在水中的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練或船模相關(guān)試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃真，孔令富，方躍法，等.并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論及控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018：73.

[2] 杜坤梅，李鐵才.電機(jī)控制技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2019：117.

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