基于粒子群寻优理论的六自由度运动平台位姿解算方法研究

【摘要】转向架作为轨道车辆最重要的部件之一，良好的性能可以提高列车的运行品质和行车安全。随着轨道车辆运行速度的不断提高，高性能的列车对转向架的要求也越来越高，目前国内外研究的重点问题主要是提高转向架的承载能力以及车辆高速运行时的稳定性。由于转向架的结构对车辆的动力学性能有重要影响，所以在研发新型转向架的过程中需要在转向架参数测定试验台上测定其相关参数。该试验台是一个可以模拟六个自由度运动的平台机构，而平台的位姿解算是实现对平台控制的前提。因此，开发六自由度运动平台的位姿解算系统对转向架动态测试试验台的开发具有重要的现实意义。本文在广泛阅读国内外相关文献的基础上，系统介绍了六自由度平台位姿解算研究的背景和意义；提出了运用粒子群智能算法求解六自由度运动平台位姿正解的计算方法；重点研究了粒子群智能算法（PSO）的优化原理和应用；建立了基于PSO的高速列车转向架参数测定试验台位姿正解的通用模型，并对该模型进行解算与验证。具体研究内容及所取得的研究成果如下：（1）阐述了六自由度运动平台位姿解算方法的研究背景与意义，介绍了国内外转向架参数测试技术及六自由度平台位姿解算的研究现状。同时对粒子群智能算法的优化原理进行了深入研究，介绍了粒子群算法的起源、速度和位置更新公式以及算法的基本流程，并比较了两种不同版本粒子群算法的异同，另外还对粒子群算法的改进方法及其应用进行了研究。（2）介绍了转向架参数试验台的功能与结构，分析了坐标变换的数学基础，阐述了用齐次变换矩阵表示坐标变换的方法。分别建立了静坐标系、体坐标系以及各平台局部坐标系，并给出了各坐标系之间的函数关系。（3）对高速列车转向架参数测定试验台位姿正解的通用模型进行了研究。根据齐次坐标变换分别建立了三个六自由度平台的运动参考点与局部坐标系原点重合与不重合两种不同情况的基于PSO的位姿正解数学模型。其中，可以把运动参考点与局部坐标系原点重合看成是不重合的特殊情况，从而运动参考点与局部坐标系原点不重合的位姿正解模型即为高速列车转向架参数测定试验台位姿解算的通用模型。（4）对三个六自由度运动平台的单个自由度、多个自由度位姿分别进行了解算与验证。首先基于PSO工具箱及MATLAB软件编写了m文件用于六自由度运动平台的位姿正解求解计算，以获得平台的位姿参数。然后在Simulink仿真环境下建立了六自由度平台的位姿反解仿真模型，并进行了仿真计算和验证。最后将计算结果与实测值进行对比，结果表明计算误差在允许范围之内，满足精度控制要求，进而验证了所建六自由度平台位姿正解数学模型及PSO智能优化算法的正确性。
【作者】张敬师；
【导师】刘玉梅；
【作者基本信息】吉林大学，载运工具运用工程，2014，硕士
【关键词】高速列车；转向架；粒子群；优化算法；六自由度平台；位姿解算；

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