WASH-OUT ALGORITMUS PRO ŘIDIČSKÉ A LETECKÉ SIMULÁTORY

Transkript

1 WASH-OUT ALGORITMUS PRO ŘIDIČSKÉ A LETECKÉ SIMULÁTORY E. Thöndel Ktedr elektrických pohonů trkce, FEL ČVUT v Prze Abtrkt Přípěvek popiuje vývoj imulčního modelu lgoritmu imulce pohybových vjemů (wh-out lgoritmu), který je vyvíjen v rámci projektu, jehož cílem je vytvořit prkticky ověřit ytém pro imulci pohybových vjemů určený pro výcvik, výzkum vývoj v oblti rozhrní člověk-troj. V článku je podrobně rozebrán implementce rozšířeného wh-out lgoritmu, která e nží o mximální využití celého rozhu pohybu šetitupňové pohyblivé zákldny. Zákldní principy význm imulce pohybových vjemů Simulční techniku její význm v oblti výcviku řidičů či pilotů není třeb zdůrzňovt. Simulce pohybových vjemů všk bývá čto opomíjen, to z důvodu reltivně vyokých nákldů při ne zcel prokztelném přínou u některých plikcí. Cílem této imulce je reprodukovt íly momenty půobící n pilot/řidiče během letu/jízdy přiblížit tk imulátor více relitě. Tyto pohybové vjemy jou zvláště význmné při nácviku zvládání krizových itucí, protože obecně předcházejí vjemům vizuálním louží tedy jko včná detekce chybového chování doprvního protředku, přetože pohybové vjemy nemuí být v tomto če právě v centru pozornoti operátor. Simulce pohybových vjemů vychází ze zákldního principu mechniky: pohybuje-li e těleo zrychleným pohybem, půobí n něj etrvčná íl, která má opčný měr než je měr jeho pohybu. Velikot této íly je podle Newtonov zákon úměrná hmotnoti těle jeho zrychlení. Cílem lgoritmů imulce pohybových vjemů je reprodukovt tyto íly vzniklé zrychleným pohybem polohou vůči grvitčnímu poli. Zřízení používná pro reprodukci pohybových vjemů mjí omezený prcovní protor, proto není možné reprodukovt všechny íly momenty v plném rozhu, le jen v omezené frekvenční oblti, či je nutné uchýlit e k určitým trikům. Tto zřízení jou obecně kontruován jko prlelní robotické mnipulátory různým tupněm volnoti. Nečtějším typem je tzv. Stewrtov plošin e šeti tupni volnoti, která byl užit i v tomto projektu. Šetitupňová pohyblivá plošin Pohyblivá plošin e šeti tupni volnoti (neboli Stewrtov plošin) je ynergický ytém prlelní robotickou trukturou, která vyniká vyokým poměrem výtupní íly k hmotnoti zřízení. Pohybová plošin e kládá z horního (pohyblivého) dolního (nepohyblivého) rámu, které jou ob pojeny šeti identickými ktuátory. Pohyblivá plošin je chopn kont pohyb do šeti zákldních měrů. Tyto měry jou rotce kolem o X, Y Z (oznčíme je po řdě, Ψ) trnlce podél těchto o (oznčíme je po řdě ΔX, ΔY ΔZ). Aktuátory jou nejčtěji relizovány pomocí hydrulických válců, i když v polední době rote tlk uživtelů n náhrdu hydrulického mechnimu elektromechnickým. Ob zmiňovné ytémy mjí vé výhody nevýhody závií především n typu plikce, který ze ytémů bude využit. Tento článek e nezbývá do detilu technickými protředky pro imulci pohybových vjemů, zájemce je odkázán npř. n publikce [] nebo [], kde je podrobně rozebrán truktur uvedeného zřízení pohledu kinemtiky, dynmiky řízení.

2 3 Rozšířený wh-out lgoritmu jeho implementce v protředí Mtlb- Simulink Jk již bylo řečeno, je prcovní protor pohyblivé plošiny omezený, proto je hlvním úkolem dále popného lgoritmu, věrohodně reprodukovt íly momenty půobící n řidiče/pilot zároveň repektovt kinemtické dynmické limity pohybového zřízení. Whout Filter Out Poition Velocity trnltion gin Integrtor Integrtor -Krottion gin In Accelertion Rottion B() A() Low p filter /g in -K- In Hydrulic pltform Mthemticl model Obr. : Principiální chém wh-out lgoritmu. Tto omezení e projeví zejmén při imulci trnlčního zrychlení, neboť rozh lineárního pohybu zákldny je omezen řádově n cc 3 5 cm. V tomto rozhu je možné imulovt jen krátkodobá zrychlení. Dlouhotrvjící zrychlení by způobil vyjetí zákldny mimo omezený rozh, proto je v tomto přípdě využito mlého triku. Vetibulární ytém člověk totiž nedokáže rozlišit zrychlený pohyb od ituce, kdy je kbin imulátoru otočen o vhodný úhel (toto pltí z předpokldu, že člověk nemá vizuální kontkt okolím imulátoru je uzvřen v kbině). Tto ituce je znázorněn n obrázku. g k φ g g Obr. : Simulce trnlčního zrychlení náklonem zákldny. N řidiče půobí grvitční íl chrkterizovná grvitčním zrychlením g. Dále n řidiče půobí etrvčná íl dná zrychlením (obrázek popiuje ituci, kdy vozidlo brzdí). Řidič pociťuje zrychlení k. Z předpokldu, že << g pltí k g. To znmená, že výledek bude tejný, pokud kbinu pootočíme o úhel φ. Polední tvrzení můžeme vyjádřit mtemticky: rcin g () Předchozí podmínk přibližně pltí ž do zrychlení 5 m/. Odpovídjící úhel je v tomto přípdě φ = 3. Rotce kbiny všk muí probíht dottečně pomlu (nejlépe pod prhem citlivoti člověk), by člověk uvnitř kbiny jen minimálně cítil pohyb zákldny. Popišme dále celý lgoritmu n implementci pomocí nátroje MATLAB-Simulink (viz obrázek 3). Trnlční vektor zrychlení vtupující do lgoritmu je rozdělen n vyokofrekvenční čát, která je imulován trnlčním pohybem zákldny, nízkofrekvenční čát, která je imulován

3 náklonem zákldny. V klickém pojetí lgoritmu e používá lineárního filtru druhého i vyššího řádu. Zde je použito jiného přítupu, jk je vidět n obrázku 3, kde je využito pro rozdělení vtupního vektoru zrychlení nelineárního filtru jedním integrátorem, jehož mtemtický popi je uveden níže. d dt d dt K K x g in x, low x, high g y y g co in y, low y, high () V této rovnici určuje kontnt K rychlot náklonu kbiny v záviloti n imulovném (vtupním) zrychlení. Tuto kontntu lze rovněž interpretovt jko proporcionální ložku klického PID regulátoru. Ve chémtu (obrázek 3) je uveden nvíc turční blok, který udržuje rychlot náklonu pod prhem citlivoti člověk. Tento nelineární filtr vznikl kombincí rovnice lineárního filtru prvního řádu, což má v prxi řdu výhod:. Řád filtru je velmi mlý, tedy i doprvní zpoždění je velmi mlé.. Odtrnění neperiodické funkce rkuinu, která v prktické implementci způobovl problémy e tbilitou lgoritmu. 3. Sndnější interpretce ldění kontnt filtru; jediná kontnt K mezní hodnoty turčního bloku umožňují ndné nldění lgoritmu ohledem n kinemtické dynmické vltnoti pohybové zákldny. Nízkofrekvenční čát zrychlení je tedy tímto potupem převeden n náklon zákldny, vyokofrekvenční čát je po dvojité integrci převeden n trnlční pohyb zákldny. V této čáti lgoritmu je nutné do chémtu zvézt zpětnou vzbu, která po odeznění ignálu nvrátí zákldnu do její výchozí polohy připrví ji tk pro dlší mnévr. Tento pohyb e opět muí odehrávt pod prhem citlivoti člověk. Podle této funkce dotl tké tento lgoritmu vé jméno (wh-out = vymývání). Tento filtr je možné relizovt různým způobem. Popišme zde způob vycházející z teorie dynmických ytémů. Lplceův obrz přenoové funkce vyokofrekvenční čáti tvořené dvojicí integrátorů má tvr: G h Rozšiřme uvedený ytém o tvovou zpětnou vzbu, by výledný ytém byl tbilní. Dlším poždvkem je, by přechodová chrkteritik byl bez překmitu návrt do tbilního nulového bodu e odehrávl pod prhem citlivoti člověk. Ntvme proto tvovou zpětnou vzbu tk, by výledný přeno měl jeden dvojnáobný reálný kořen ležící v záporné polorovině komplexní roviny: G h (4) Poloh pólu λ n reálné oe určuje rychlot filtrce je tnoven empiricky při relizci lgoritmu. Uveďme, že čím menší bude dný pól, tím rychlejší bude filtrce. (3)

4 Obr. 3: Implementce lgoritmu wh-out v protředí MATLAB-Simulink. Vedle pohybových efektů vzniklých trnlčním zrychleným pohybem, jou zde dlší efekty vznikjící v důledku rotčního pohybu (tečné zrychlení, odtředivé zrychlení). Tyto efekty jou v lgoritmu zhrnuty imulcí vyokofrekvenční ložky úhlové rychloti, která je po integrci přičten k úhlové poloze pohybové zákldny. Obdobně jko v předchozím přípdě je zde nutné zvézt zpětnou vzbu, která po odeznění ignálu nvrcí polohu do výchozího tvu. Výledky imulcí hrnuje obrázek 4, n kterém jou zobrzeny průběhy v jednotlivých mítech lgoritmu při kokové (periodické) změně vtupního zrychlení. Je jné, že z důvodu omezeného prcovního protoru zákldny není možné imulovt vtupní zrychlení v plném rozhu, všk prktické tety ukázly dobré výledky vhodnot lgoritmu pro použití v imulátorech doprvních protředků. Obr. 4: Příkldy imulátorů: ) řidičký imulátor bojového vozidl pěchoty, b) imulátor lehkého portovního letdl.

5 ccelertion [m.ec - ] ngulr deflection [deg] deflection [m] ccelertion [m. - ] ) Deired v. imulted ccelertion b) Trnltionl deflection c) Angulr deflection d) Low frequency nd high frequency ccelertion time [ec] Obr. 4: ) Porovnání kutečného imulovné zrychlení, b) čový průběh trnlční výchylky, c) čový průběh rotční výchylky, d) rozdělení vtupního zrychlení n vyokofrekvenční nízkofrekvenční čát. 4 Závěr Uvedený článek předtvil jednu z možných implementcí lgoritmu imulce pohybových vjemů. Demontrční implementce byl proveden v protředí MATLAB-Simulink. Velká výhod uvedeného lgoritmu je ndná interpretce jednotlivých čátí tím i ndné ntvení ohledem n kinemtické omezení konkrétního pohybového ytému. Reference [] E. Thöndel. Simulting motion effect uing hydrulic pltform with ix degree of freedom. proceeding of the Second IASTED Afric Conference on Modelling nd Simultion, Gborone, Botwn, 8. [] D. Stewrt. A Pltform with Six Degree of Freedom. UK Intitution of Mechnicl Engineer Proceeding, , Vol 8. [3] Z. Šik, P. Beneš, M. Vlášek. New whout lgorithm for driving imultor. Interntionl Journl of Engineering Mechnic, 5. [4] T. Alfred Lee. Flight imultion. Alderhot, Ahgte, 5. Evžen Thöndel thondee@fel.cvut.cz