一種多軸風(fēng)洞試驗(yàn)裝置路徑規(guī)劃與防碰撞設(shè)計(jì)

黃心躍，劉 赟，張苗苗

（中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速空氣動(dòng)力研究所，四川綿陽(yáng) 621000）

在風(fēng)洞運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，既要滿足試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛蠼嵌确秶枨?，具備模型旋轉(zhuǎn)中心與風(fēng)洞中心位置保持不變［1］的能力，又要解決模型運(yùn)動(dòng)和機(jī)構(gòu)補(bǔ)償過(guò)程中的安全隱患問題［2］。

多軸試驗(yàn)裝置在風(fēng)洞試驗(yàn)中是支撐模型姿態(tài)變化的主力設(shè)備之一，具體方案及應(yīng)用包括：利用支桿連接模型尾部以支撐模型并實(shí)現(xiàn)角度變化（尾撐），主從軸系之間涉及函數(shù)算法，具備聯(lián)動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪芰?，例如大迎角尾撐運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)前后、上下、左右3 個(gè)方向的線位移運(yùn)動(dòng)和俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)3 種角位移運(yùn)動(dòng)的一體化裝置，例如六自由度數(shù)控坐標(biāo)移測(cè)架等。這類運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是各個(gè)姿態(tài)角度控制相對(duì)獨(dú)立，軸系之間存在著位移補(bǔ)償機(jī)制［3］。

但單一的位移補(bǔ)償機(jī)制往往會(huì)限制和影響模型大角度的試驗(yàn)進(jìn)程，當(dāng)出現(xiàn)大角度、長(zhǎng)支桿、模型旋轉(zhuǎn)中心偏心等情況時(shí)，對(duì)運(yùn)動(dòng)軸的補(bǔ)償行程要求更高，甚至因補(bǔ)償行程不夠而限制模型角度變化，且極限位置還會(huì)出現(xiàn)活動(dòng)端與固定端碰撞的可能。因此，優(yōu)化此類設(shè)備的控制策略，合理規(guī)劃?rùn)C(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)路徑，是非常有必要的。

此外，試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮陲L(fēng)洞中運(yùn)動(dòng)也存在風(fēng)險(xiǎn)，特別是因人為不慎或考慮不周產(chǎn)生的錯(cuò)誤指令等情況，而傳統(tǒng)的防碰撞技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式主要是在機(jī)械結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)加裝限定位移的機(jī)械機(jī)構(gòu)和傳感器裝置來(lái)保護(hù)容易發(fā)生碰撞事故的部件或部位，該方式不宜也不易于實(shí)現(xiàn)模型全空間、全方位的防碰撞保護(hù)。

國(guó)外將運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃與防碰撞技術(shù)結(jié)合運(yùn)用于風(fēng)洞的研究材料較少。國(guó)內(nèi)的林辰龍、褚衛(wèi)華等［4-5］對(duì)4 m ×3 m 低速風(fēng)洞大迎角支撐裝置多軸聯(lián)動(dòng)速度和位置控制方法進(jìn)行了深入研究。陽(yáng)玲［6］在風(fēng)洞大慣量設(shè)備同步控制方面提出一種綜合了主從式和耦合式控制模型的新同步控制策略并開展研究。崔靜［7］設(shè)計(jì)了基于多軸同步控制技術(shù)的信封機(jī)電氣控制系統(tǒng)。趙鑫［8］證明了混合碰撞檢測(cè)算法的有效性。董向陽(yáng)［9］研究了基于定向包容盒（Oriented Bounding Bix，OBB）的碰撞檢測(cè)方法的理論價(jià)值和實(shí)際意義。郭海儒［10］提出了一種基于OBB層次包圍盒樹的實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)算法。本次研究首先需要優(yōu)化機(jī)構(gòu)軸系之間的耦合關(guān)系［11］，采用動(dòng)態(tài)定義電子凸輪曲線的方式，可根據(jù)需求靈活切換同步軸之間的運(yùn)動(dòng)軌跡，防止相互干涉；其次，設(shè)計(jì)碰撞識(shí)別功能，在程序中模擬出模型運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)位置并進(jìn)行碰撞判斷和運(yùn)動(dòng)干預(yù)，降低模型運(yùn)動(dòng)中的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成

選取具備代表性的4 m ×3 m風(fēng)洞大迎角尾撐運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)所支撐的試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮陲L(fēng)洞運(yùn)用中的坐標(biāo)系定義如圖1 所示，其中α、β 在運(yùn)動(dòng)控制體系中作為主軸，代表模型的攻角和側(cè)滑角；X、Y、Z 作為從軸，代表模型在豎、縱、橫向上的線位移。

圖1 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系定義

大迎角尾撐機(jī)構(gòu)硬件組成如圖2 所示，采用模塊化分層式疊裝結(jié)構(gòu)，主要包括Z 向偏航機(jī)構(gòu)（含Z 向隨動(dòng)密封伺服驅(qū)動(dòng)）、β 側(cè)滑角機(jī)構(gòu)、Y 向升降機(jī)構(gòu)、α攻角機(jī)構(gòu)等，各機(jī)構(gòu)相互獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)4 個(gè)自由度的單獨(dú)運(yùn)動(dòng)。

圖2 大迎角尾撐機(jī)構(gòu)硬件組成

軸系之間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系是通過(guò)計(jì)算尾支桿長(zhǎng)度，設(shè)為L(zhǎng)尾支桿，構(gòu)建三角函數(shù)模型，核心公式如下：

通過(guò)組合運(yùn)動(dòng)［12］，實(shí)現(xiàn)縱、橫向位置補(bǔ)償能力，達(dá)到模型姿態(tài)變化時(shí)模型中心可始終保持在風(fēng)洞軸線上的目的。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于電子凸輪技術(shù)的路徑規(guī)劃

規(guī)劃路徑功能主要運(yùn)用于涉及電子凸輪的多軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的大角度試驗(yàn)中，其主要目的是當(dāng)跟隨（補(bǔ)償）軸行程逼近極限位置時(shí)，其位置信息將被定義為停止補(bǔ)償點(diǎn)，此時(shí)軸系之間的耦合關(guān)系發(fā)生改變，跟隨軸停止繼續(xù)補(bǔ)償且保持不動(dòng)，聯(lián)動(dòng)形式調(diào)整為引導(dǎo)軸單動(dòng)，從而繼續(xù)完成模型需求角度。這項(xiàng)工作主要依賴于動(dòng)態(tài)定義下的電子凸輪曲線實(shí)現(xiàn)［13］，電子凸輪數(shù)學(xué)函數(shù)計(jì)算公式為

式中：l為補(bǔ)償軸的直線位移；A0、A1、…、An為待定系數(shù)；x為引導(dǎo)軸值換算的比例；B0、B1、B2均為三角函數(shù)的系數(shù)。

2.1.1 動(dòng)態(tài)定義凸輪曲線

由于多軸支撐系統(tǒng)的模型支桿或等效桿長(zhǎng)（虛擬支桿）根據(jù)試驗(yàn)不同而有所變化，坐標(biāo)系偏移量等參數(shù)也會(huì)發(fā)生改變，此外，試驗(yàn)過(guò)程中需要在涉及結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉的某個(gè)指定位置停止補(bǔ)償，且停止補(bǔ)償點(diǎn)由人為設(shè)定，因此，整條凸輪曲線需要由多個(gè)凸輪區(qū)段插補(bǔ)拼湊在一起，故采用在程序中對(duì)凸輪曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)修改的方式，以匹配設(shè)置的各項(xiàng)參數(shù)，這被稱為動(dòng)態(tài)定義多項(xiàng)式。

2.1.2 凸輪區(qū)段的縮放與偏移

在可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）計(jì)算過(guò)程中，當(dāng)給定x ＝xmin時(shí)，視式中的x為0，當(dāng)給定x ＝xmax時(shí)，視式中的x 為1，在實(shí)際計(jì)算中，將x縮放到（0，1）的區(qū)間來(lái)進(jìn)行計(jì)算［14］，而ymin、ymax則是將公式結(jié)果在y 方向上進(jìn)行縮放。根據(jù)區(qū)段定義凸輪盤時(shí)，可以縮放到因子1 的標(biāo)準(zhǔn)形式提供各個(gè)凸輪區(qū)段，這意味著取值范圍和定義的范圍對(duì)應(yīng)閉區(qū)間［0，1］。

將真實(shí)凸輪盤區(qū)段映射到縮放后的范圍如圖3 所示。

圖3 凸輪區(qū)段的縮放

在4 m ×3 m風(fēng)洞大迎角尾撐運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)縱向補(bǔ)償過(guò)程中，為防止機(jī)構(gòu)縱向補(bǔ)償軸與風(fēng)洞頂蓋固定端發(fā)生碰撞，設(shè)置停止補(bǔ)償點(diǎn)，并將其位置信息寫入YS（PLC系統(tǒng)內(nèi)部寄存），設(shè)Lα為支桿在攻角方向上的等效桿長(zhǎng)，α0為坐標(biāo)系在模型攻角上的偏移量，α 為試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷墓ソ墙嵌?，Y為跟隨軸需要補(bǔ)償?shù)木嚯x，則補(bǔ)償公式為

此時(shí)補(bǔ)償距離Y的區(qū)間由攻角運(yùn)算得到，但是由于在指定位置Y ＝Y(jié)S時(shí)，需要停止補(bǔ)償，涉及縱向聯(lián)動(dòng)關(guān)系的凸輪曲線以停止補(bǔ)償點(diǎn)為中心劃分為兩個(gè)凸輪區(qū)段并拼湊在一起，其中設(shè)停止補(bǔ)償點(diǎn)的坐標(biāo)為α停（攻角），由Y ＝Y(jié)S提前計(jì)算得到：

設(shè)機(jī)構(gòu)攻角范圍為-90° ～10°，則對(duì)應(yīng)圖3 中坐標(biāo)軸x的區(qū)間為（-90，10），但在機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)行中，其實(shí)際補(bǔ)償方向剛好相反，當(dāng)攻角為-90°時(shí)，Y 需要為L(zhǎng)α，而在凸輪曲線公式中，攻角為-90°，定義域內(nèi)視x為0，則y為0，映射到補(bǔ)償軸Y為0，顯然不符合要求，因此需要對(duì)（0，1）的曲線進(jìn)行縮放與偏移［14］，使之對(duì)應(yīng)到區(qū)間（xmin，xmax）。

首先開展聯(lián)動(dòng)補(bǔ)償段曲線對(duì)應(yīng)關(guān)系的探討。

由補(bǔ)償公式（4）可確定攻角和補(bǔ)償軸分別在坐標(biāo)系上x和y的最小值（xmin＝-90°、ymin＝Y(jié)S），以及最大值（）。

調(diào)用電子凸輪公式（3）的三角函數(shù)部分，進(jìn)行方向取反設(shè)定（B0＝-Lα），隨后需要將（0，1）的曲線縮放到定義域區(qū)段內(nèi)，再整體偏移到（-90°，）區(qū)段內(nèi)。故設(shè)定：

實(shí)際計(jì)算中存在定義域與閉區(qū)間［0，1］之間的映射關(guān)系，故電子凸輪公式中的變量x 是通過(guò)比例換算得到的。將上述擬合參數(shù)代入公式，通過(guò)實(shí)時(shí)讀取和更新，完成大迎角機(jī)構(gòu)攻角角度在定義域（-90°，arcsin內(nèi)與Y 軸（補(bǔ)償軸）的縱向聯(lián)動(dòng)。

然后討論停止補(bǔ)償段部分。

xmin為前一段曲線的xmax，ymin、ymax恒為停止補(bǔ)償?shù)狞c(diǎn)位，xmin則為10°，A0為跟隨軸斷開的常數(shù)，其余部分均為0。故攻角角度在定義域10°）內(nèi)時(shí)，補(bǔ)償軸Y 始終作為一個(gè)設(shè)定值YS，故其關(guān)系為：xmin＝-α0，xmax＝10°，ymin＝y(tǒng)max＝Y(jié)S，A0＝Y(jié)S。

綜上，整條縱向補(bǔ)償曲線由兩個(gè)凸輪區(qū)段組成，以YS（根據(jù)需求，人為設(shè)定）作為“分水嶺”，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)狀態(tài)與主軸單動(dòng)之間的靈活切換。此外，由于攻角實(shí)際行程需要在-90° ～10°之間，若曲線只到-90°或10°，則會(huì)在到達(dá)該點(diǎn)后脫開曲線，為了避免該情況發(fā)生，應(yīng)將曲線的端點(diǎn)值改為-90.001°與10.001°。

對(duì)于Z補(bǔ)償，其補(bǔ)償公式為

可見，Z的補(bǔ)償值與側(cè)滑角與攻角均相關(guān)，在控制過(guò)程中，由于不存在側(cè)滑角與攻角同時(shí)運(yùn)行的情況，所以將Z的補(bǔ)償分為2 種情況，即定α動(dòng)β或定β動(dòng)α，在這2 種情況下，不運(yùn)動(dòng)的軸將被視為常數(shù)并作為參數(shù)存在于公式中，另一個(gè)軸則是公式中的變量x。Z向補(bǔ)償軸的正負(fù)方向也存在停止補(bǔ)償點(diǎn)ZS（PLC 系統(tǒng)內(nèi)部寄存），具體參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，通過(guò)提前計(jì)算得到補(bǔ)償曲線中對(duì)應(yīng)的側(cè)滑角角度。根據(jù)對(duì)稱原理，橫向補(bǔ)償曲線最終可分為3 個(gè)區(qū)段，前后兩段為正負(fù)向兩端停止補(bǔ)償段，中間段為基于橫向補(bǔ)償式（8）的聯(lián)動(dòng)補(bǔ)償段，具體關(guān)系為

左側(cè)段為：xmin＝ β最大負(fù)角度，xmax＝ arcsin，ymax＝y(tǒng)min＝-ZS。同理右側(cè)段為：xmin，xmax＝β最大正角度，ymax＝y(tǒng)min＝ZS。

2.1.3 運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃功能測(cè)試

在風(fēng)洞無(wú)風(fēng)的情況下，設(shè)定大迎角尾撐運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)縱向停止補(bǔ)償點(diǎn)YS為-109 mm，橫向停止補(bǔ)償點(diǎn)ZS為±750 mm，對(duì)聯(lián)動(dòng)狀態(tài)下各方向上的引導(dǎo)軸在行程范圍內(nèi)以一定的間隔進(jìn)行多次或正反方向運(yùn)動(dòng)，測(cè)得對(duì)應(yīng)補(bǔ)償軸（跟隨軸）實(shí)際位置并進(jìn)行檢驗(yàn)，以考核動(dòng)態(tài)規(guī)劃補(bǔ)償曲線功能是否實(shí)現(xiàn)。

縱、橫向補(bǔ)償關(guān)系曲線分別如圖4、圖5 所示。由測(cè)試結(jié)果可得，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中補(bǔ)償軸達(dá)到停止補(bǔ)償點(diǎn)后開始停止補(bǔ)償，規(guī)避了原有補(bǔ)償過(guò)程中的碰撞區(qū)段和超行程區(qū)段，也就表示軸系之間的補(bǔ)償不再是單一的耦合關(guān)系，引導(dǎo)軸不再受限于補(bǔ)償軸，可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整軸系之間的補(bǔ)償方式，從而滿足模型攻角-90° ～10°、側(cè)滑角-45° ～45°的完整試驗(yàn)角度需求。

圖4 縱向補(bǔ)償關(guān)系曲線

圖5 橫向補(bǔ)償關(guān)系曲線

多軸運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃功能可以根據(jù)試驗(yàn)需求的角度和試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的條件靈活運(yùn)用，利用停止補(bǔ)償點(diǎn)提前計(jì)算和動(dòng)態(tài)定義多項(xiàng)式的方式規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)補(bǔ)償狀態(tài)和主軸單動(dòng)模式之間的切換，解決軸系之間相互干涉的問題，避免極限位置補(bǔ)償引起的安全隱患，有效提升風(fēng)洞試驗(yàn)裝備的能力水平。

2.2 模型碰撞識(shí)別設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)開展前期，設(shè)計(jì)人員就會(huì)考慮模型在風(fēng)洞中變化姿態(tài)時(shí)的碰撞情況，當(dāng)模型能夠保持旋轉(zhuǎn)中心且系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生碰撞。防碰撞設(shè)計(jì)更多是為當(dāng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃路徑功能滿足模型極限角度需求或避開風(fēng)險(xiǎn)位置時(shí)，造成模型整體出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)中心偏移的情況和人為錯(cuò)誤指令而服務(wù)的。

為了在兼容路徑規(guī)劃功能的同時(shí)解決模型運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能存在的安全隱患問題，提出基于包圍盒的構(gòu)建策略和更新方法，并將其與實(shí)體模型結(jié)構(gòu)條件相結(jié)合，模擬出模型運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)位置并進(jìn)行碰撞判斷和運(yùn)動(dòng)干預(yù)，實(shí)現(xiàn)碰撞識(shí)別功能。

2.2.1 碰撞檢測(cè)基本原理

碰撞檢測(cè)就是檢測(cè)虛擬場(chǎng)景中不同對(duì)象之間是否發(fā)生了碰撞。從幾何角度講，碰撞檢測(cè)表現(xiàn)為2 個(gè)多面體的求交測(cè)試問題［15］；所處的空間按對(duì)象可分為二維平面碰撞檢測(cè)和三維空間碰撞檢測(cè)。對(duì)于剛體運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)分為平移和旋轉(zhuǎn)兩類。當(dāng)對(duì)象進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以對(duì)其包圍盒進(jìn)行同樣的平移轉(zhuǎn)換，即可得到新位置處的包圍盒［16］。當(dāng)對(duì)象發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，其新位置處的包圍盒不能通過(guò)簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)得到，不同類型的包圍盒可以采用不同的更新方法。但是一個(gè)對(duì)象的OBB完全是由它自身的幾何屬性決定的，不受外界因素影響，因此基于OBB 的碰撞檢測(cè)算法用于活動(dòng)剛體［17］對(duì)象的處理時(shí)非常簡(jiǎn)單。

2.2.2 空間OBB距離碰撞計(jì)算

設(shè)三維包圍盒長(zhǎng)方體A的中心坐標(biāo)系為OA，Ax、Ay、Az為長(zhǎng)方體A 坐標(biāo)系的單位向量，LA、WA、HA為長(zhǎng)方體A的長(zhǎng)、寬、高的一半；d為長(zhǎng)方體A坐標(biāo)系OA到墻體B表面OB的垂直距離

三維包圍盒長(zhǎng)方體A和墻體B計(jì)算示意圖如圖6所示。

三維長(zhǎng)方體包圍盒核心公式計(jì)算如下：

｜Proj（d）｜＞｜Proj（WAAx）｜＋｜Proj（HAAy）｜＋｜Proj（LAAz）｜

式中：Proj為投影對(duì)象在直線軸上的投影計(jì)算。當(dāng)公式成立時(shí)，長(zhǎng)方體A與墻體B不發(fā)生碰撞。

2.2.3 OBB更新策略

只須根據(jù)當(dāng)前活動(dòng)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)對(duì)其進(jìn)行同樣的運(yùn)動(dòng)，就可以得到當(dāng)前活動(dòng)對(duì)象的最新OBB，通常，對(duì)象的運(yùn)動(dòng)類型可以分為旋轉(zhuǎn)和平移兩類，即對(duì)OBB的基底乘以一個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣，并加一個(gè)平移向量即可，OBB在各個(gè)基底方向上的大小保持不變。故設(shè)x 軸、y 軸和z軸的平移向量為T ＝（x，y，z）T基底，繞x 軸、y 軸和z軸的旋轉(zhuǎn)參數(shù)為θ、φ、ψ，由此可得出對(duì)應(yīng)的變化矩陣為

那么合成的旋轉(zhuǎn)矩陣為

通過(guò)N新→R總N ＋T就可以完成包圍盒旋轉(zhuǎn)平移更新得到的新包圍盒［18］。

2.2.4 基于OBB的模型防碰撞設(shè)計(jì)

在防碰撞設(shè)計(jì)中，主要組成參數(shù)分為兩類，一類由模型自身的條件、結(jié)構(gòu)形狀來(lái)確定，以模型的旋轉(zhuǎn)中心作為分割點(diǎn)，并依據(jù)試驗(yàn)規(guī)范，定義各參數(shù)在坐標(biāo)上的方向，作為模型初始狀態(tài)的給定參數(shù)（如圖8 所示）；另一類是由攻角α和側(cè)滑角β 作為系數(shù)的旋轉(zhuǎn)矩陣?；诎鼑械哪Ｐ蛥?shù)給定界面如圖7 所示。

圖7 基于包圍盒的模型參數(shù)給定界面

圖8 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜔o(wú)偏心的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

數(shù)據(jù)處理的具體流程是，由α和β分別作為R（z，ψ）、R（y，φ）旋轉(zhuǎn)矩陣的系數(shù)，按照其中對(duì)應(yīng)的算法順序，寫入矩陣A。對(duì)模型自身的對(duì)應(yīng)參數(shù)進(jìn)行組合，形成多組數(shù)組，再轉(zhuǎn)化為多組矩陣，設(shè)其中一組為矩陣B，則算法如下：設(shè)A ＝［aij］矩陣，B ＝［bij］矩陣，則矩陣A與矩陣B的乘積是矩陣C ＝［cij］，公式為

以L1（模型X 向前端距離旋轉(zhuǎn)中心距離）、H1（模型X向前端上半厚度）、W2（模型X 向前端Z 負(fù)向?qū)挾龋┙M成三維體為例：

可得矩陣C，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)置后，取Y軸、Z軸方向相關(guān)值，分別為

將該組值疊加在相關(guān)軸系的初始值之上，取絕對(duì)值后，與試驗(yàn)段實(shí)際行程距離作比較，同理，各組計(jì)算后的多組結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一系列疊加、處理后，模擬出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)至下一個(gè)點(diǎn)的多組實(shí)際距離，對(duì)各組中對(duì)應(yīng)元素與風(fēng)洞高度、寬度的實(shí)際尺寸進(jìn)行比較、判斷并干預(yù)其運(yùn)動(dòng)，暫停執(zhí)行并提示操作人員。

具體表現(xiàn)為：當(dāng)啟用運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃功能時(shí)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)越過(guò)停止補(bǔ)償點(diǎn)后引導(dǎo)軸繼續(xù)滿足模型角度，補(bǔ)償軸放棄補(bǔ)償且處于靜默狀態(tài)，此時(shí)，模型旋轉(zhuǎn)中心會(huì)發(fā)生偏移，系統(tǒng)補(bǔ)償算法出現(xiàn)偏移量，其包圍盒縱、橫向更新策略分別為Proj（dy）＝Proj（dy）＋Ty、Proj（dz）＝Proj（dz）＋Tz，其中位移T通過(guò)共享變量的方式調(diào)用系統(tǒng)實(shí)際偏移量，從而更新包圍盒中模型旋轉(zhuǎn)平移后的實(shí)際姿態(tài)，對(duì)模型發(fā)生偏心后的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行判斷和干預(yù)。

2.2.5 防碰撞功能測(cè)試

為驗(yàn)證包圍盒更新策略，利用CATIA軟件對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃惋L(fēng)洞進(jìn)行三維實(shí)體建模，監(jiān)測(cè)和觀察模型在風(fēng)洞中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜔o(wú)偏心和發(fā)生偏心的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分別如圖8、圖9 所示。結(jié)合運(yùn)動(dòng)仿真生成軌跡曲線，測(cè)試模型旋轉(zhuǎn)中心橫向偏離風(fēng)洞中心0 mm、±500 mm、±1 000 mm、±1 500 mm 情況下在側(cè)滑角-45° ～45°變化過(guò)程中的碰撞區(qū)間，對(duì)比有無(wú)碰撞識(shí)別系統(tǒng)下的模型運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖10、圖11 所示。

圖9 試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶l(fā)生偏心的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

圖10 無(wú)碰撞識(shí)別系統(tǒng)的模型運(yùn)動(dòng)軌跡仿真

圖11 含碰撞識(shí)別系統(tǒng)的模型運(yùn)動(dòng)軌跡仿真

由數(shù)據(jù)結(jié)果可以得出結(jié)論：碰撞識(shí)別系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際需求劃分模型可運(yùn)動(dòng)區(qū)域，有效避免模型與洞壁發(fā)生碰撞。

3 結(jié)束語(yǔ)

首先對(duì)風(fēng)洞中常見的同步運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析，針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制中存在的安全隱患，提出基于停止補(bǔ)償點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃和空間包圍盒防碰撞檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡可規(guī)劃功能，降低機(jī)構(gòu)和模型在試驗(yàn)過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)。

①基于電子凸輪技術(shù)的多軸運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃。利用耦合式同步控制模型，著重對(duì)電子凸輪的運(yùn)用進(jìn)行研究，提出采用停止補(bǔ)償點(diǎn)提前計(jì)算和動(dòng)態(tài)定義多項(xiàng)式的方式規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡，從而改進(jìn)同步運(yùn)動(dòng)控制策略，并將該方法運(yùn)用到多軸機(jī)構(gòu)的橫向和縱向補(bǔ)償曲線上，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡可規(guī)劃功能。

②研究包圍盒碰撞檢測(cè)方法。簡(jiǎn)要地對(duì)包圍盒技術(shù)的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了討論，對(duì)基本幾何圖元的相交測(cè)試做出分析，主要闡述了基于OBB層次包圍盒的構(gòu)建策略和更新方法，并將其與實(shí)體模型結(jié)構(gòu)條件相結(jié)合，模擬出模型運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)位置并進(jìn)行碰撞判斷和運(yùn)動(dòng)干預(yù)，實(shí)現(xiàn)碰撞識(shí)別功能。

該設(shè)計(jì)已運(yùn)用于4 m ×3 m風(fēng)洞大迎角尾撐運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，成功完成了數(shù)項(xiàng)科研試驗(yàn)，氣動(dòng)數(shù)據(jù)良好且規(guī)律性合理，關(guān)鍵技術(shù)在機(jī)構(gòu)補(bǔ)償和模型運(yùn)動(dòng)中得到了充分應(yīng)用。