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作者与机构
本研究的主要作者包括Bagus Made Arthaya、Raymond Christian、Tua Agustinus Tamba和Dilek Bilgin Tükel。他们分别来自印度尼西亚的Parahyangan Catholic University、Bandung Institute of Technology以及土耳其的Dogus University。研究发表于2022年7月的《Journal of Mechatronics, Electrical Power, and Vehicular Technology》期刊上。
学术背景
本研究属于机电一体化与车辆技术领域，专注于开发一种用于汽车模拟器的二自由度（2-DOF）运动平台。随着计算机技术和仿真技术的快速发展，模拟器在工程领域中的应用越来越广泛，尤其是在驾驶训练、车辆动力学测试和人类因素分析等方面。然而，现有的运动平台大多采用复杂的多自由度结构，制造成本高且难以维护。因此，本研究旨在设计一种结构简单、成本低廉的二自由度运动平台，能够模拟车辆的俯仰（pitch）和横滚（roll）运动，同时满足人类前庭系统的感知限制。
研究目标
本研究的主要目标是开发一种二自由度运动平台，能够通过两个电机驱动实现俯仰和横滚运动，并通过数学模型验证其运动范围是否符合人类前庭系统的感知限制。此外，研究还通过实验验证了数学模型的准确性，并探讨了该平台在车辆动力学测试和驾驶训练中的应用潜力。
研究流程
研究分为以下几个步骤：
1. 运动平台的设计与建模
研究首先使用SolidWorks软件设计了一个二自由度运动平台。平台中心通过一个枢轴支撑，底部安装了两个直流电机，分别驱动俯仰和横滚运动。电机的旋转通过滑块-曲柄机构转换为平台的上下运动，从而实现平台的倾斜。为了适应平台的自由运动，研究在连接杆和电机之间引入了万向节。
数学模型的推导
研究通过运动学分析推导了平台倾斜角度与电机旋转角度之间的数学关系。具体来说，通过几何分析和余弦定理，建立了电机旋转角度（α）与平台倾斜角度（θ）之间的函数关系。该模型用于模拟平台的运动范围，并验证其是否符合人类前庭系统的感知限制（倾斜角度不超过6°）。
运动平台的仿真
使用MATLAB软件对平台的运动进行了仿真。仿真中，电机的旋转角度范围为-100°至80°，平台倾斜角度的增量为0.1°。通过仿真，研究确定了俯仰和横滚平面的电机旋转角度范围分别为-52°至54°和-26°至27°。
实验验证
研究通过实验验证了数学模型的准确性。实验中使用MPU6050传感器测量平台的倾斜角度，并使用自制的旋转编码器（TCRT5000传感器）测量电机的旋转角度。实验结果表明，仿真与实验数据之间的误差在5%以内，验证了数学模型的正确性。
平台性能测试
研究还测试了平台从不同初始位置移动到零位的能力。实验记录了平台完成移动所需的时间，并测量了平台的最大旋转速度（20°/s）。尽管该速度超过了人类前庭系统的感知限制（3.7°/s），但研究的主要目标是验证平台的运动范围，而非速度。
主要结果
1. 运动范围验证
仿真和实验结果表明，平台在俯仰和横滚平面的倾斜角度范围分别为-6°至6°，符合人类前庭系统的感知限制。
2. 数学模型准确性
仿真与实验数据之间的误差在5%以内，验证了数学模型的准确性。
3. 平台性能
平台能够在3.4至3.8秒内从不同初始位置移动到零位，最大旋转速度为20°/s。
结论与意义
本研究成功设计并验证了一种二自由度运动平台，能够模拟车辆的俯仰和横滚运动。该平台结构简单、成本低廉，适用于车辆动力学测试、驾驶训练和人类因素分析等领域。尽管平台的最大旋转速度超过了人类前庭系统的感知限制，但研究的主要目标是验证平台的运动范围，未来可以通过优化控制算法进一步降低平台速度。
研究亮点
1. 新颖的设计
本研究提出了一种仅使用两个电机驱动的二自由度运动平台，结构简单且易于制造。
2. 数学模型的推导与验证
研究通过运动学分析推导了平台倾斜角度与电机旋转角度之间的数学关系，并通过实验验证了模型的准确性。
3. 应用潜力
该平台在车辆动力学测试、驾驶训练和人类因素分析等领域具有广泛的应用潜力。
其他有价值的内容
研究还探讨了平台的重心位置对动态性能的影响，并提出了未来研究的方向，包括开发平台的动态模型和优化控制算法。
这篇报告详细介绍了研究的背景、流程、结果和意义，为其他研究人员提供了全面的参考。