面向测试、训练及娱乐应用的飞行模拟器运动控制
仿真体验的真实感强弱主要取决于图像、声音以及运动元素与原始场景的相似程度以及它们之间的协调度。具有六自由度的动态运动平台在实现逼真仿真体验方面发挥着关键作用。SANLAB 公司所打造的这些平台，其核心构成要素为专为各类应用需求量身定制的伺服驱动器、伺服电机以及用于实现实时控制的工业 PC，这些组件均由倍福一站式提供，从而确保了各组件之间能够实现无缝衔接与完美匹配。
总部位于伊斯坦布尔的土耳其公司 SANLAB 始终聚焦于实时机器人技术领域，，成功研发出具备六自由度（6DOF）的运动平台，能够满足具有仿真和测试需求行业在生产和研发阶段的运动仿真需要。在航空航天、汽车制造、测试与仿真等行业中，六自由度运动平台技术能够缩短原型设计和研发时间，助力企业实现产品制造与测试环节的高度精确、零误差运行。例如，这项技术能够被用于构建驾驶员在环（DIL）模拟器，进而为汽车行业中的数学模型以及人工智能系统测试提供支持。此外，SANLAB 公司还依托其 SANLAB Learning Technologies 品牌，积极开展用于培训合格专业人员的仿真系统的研发工作。这些精心研发的仿真系统广泛应用于大学研究，以及商会、工业联合会、市政机构、大学、隶属于教育部的职业培训机构以及私营企业的培训活动中。
六自由度运动平台的工作原理
六自由度运动指的是任意物体在 X 轴、Y 轴和 Z 轴方向上的平移和旋转运动。在仿真技术领域，为精准复现此类复杂运动，通常会使用一种被称作并联机械手或斯图尔特平台的机械结构。借助特定的执行器，可将伺服电机所产生的旋转运动高效转化为直线运动，此类执行器能够依据实际应用场景的需求实现不同行程、速度以及加速度的运动曲线。为确保平台所生产的运动能够被人类感知为真实场景下的运动，必须运用运动提示算法。这些算法的构建紧密依托于基于前庭系统（人体负责感知平衡的器官）的功能原理。
特别是在飞机动态仿真等系统中，系统必须实时求解复杂的运动学方程，并据此计算执行器的位置信息，进而生成满足实际飞行需求的速度和加速度值，对系统的计算能力提出了严苛要求。在动态结构中，电机的目标位置值需借助伺服驱动器精准无误地传输至电机。应用要求伺服电机具备较低的转动惯量，并能够在低电流条件下输出高扭矩值。基于上述对动态系统性能的严苛要求，SANLAB 的专业团队经过审慎分析与深入探讨后一致认为，对于飞行模拟这类高动态系统，从控制系统中的工业 PC 到伺服驱动器和伺服电机，所有组件均必须选用具备卓越性能的高品质产品。因此，他们最终决定采用倍福基于 PC 和 EtherCAT 的控制与驱动技术。
全方位满足苛刻的控制技术要求
据 SANLAB 介绍，系统所需的高动态性要求所有使用的控制和驱动组件都具备高性能，而这仅仅只是满足系统要求的一个方面。此外，鉴于不同应用领域的需求不断变化，所制定的控制方案在成本与性能优化层面必须具备高可扩展性和灵活性，这一点非常重要。由于 SANLAB 基于 C++ 自主开发控制算法，这就要求开发环境必须构建起一套能够切实保障算法可靠实时运行的架构。为全力推进项目开发进程、缩短交货周期并确保交付高质量的产品，当前亟需一套能够有效缩短工程时间、借助 EtherCAT 实现高硬件兼容性同时营造一个灵活的开发环境的解决方案。
作为一家专注于根据多样化需求开发不同轴数系统的专业公司，SANLAB 联合创始人 Evren Emre 指出，倍福可扩展的产品系列 — 尤其是在搭载从 Arm® 到 Xeon® 处理器的工业 PC 产品领域 — 对控制优化大有助益。他继续说道：“通过向 EtherCAT 基础设施的迁移，我们得以充分利用倍福基于 PC 的自动化技术提供的强大计算能力，使我们能够成功打造出具备更高动态性能的系统。尤其是在我们控制算法的开发过程中，TwinCAT 软件平台通过 C++ 基础架构实现了算法的实时运行，不仅显著节省了工程时间，还让我们能够端到端地使用该开发环境，甚至以更短的周期时间打造出动态性能更强、控制精度更高的算法。依托基于以太网的通信协议以及用于兼容各类现场总线的完整软硬件解决方案，我们成功构建了一个具备高传输速度与高度可靠性的系统，用于与外部系统和仿真软件进行通信。”
基于 PC 的端到端自动化解决方案
该飞行模拟器应用基于仿真应用程序所生成的遥测数据，在六自由度模拟平台上实现实时数据回放。系统选用了搭载 Intel® Core™ i5 处理器的 C6025 超紧凑型工业 PC，该工业 PC 与仿真软件实现了无缝集成，将接收到的遥测数据转换为运动指令。该处理器以 4 kHz 的时钟频率稳定运行，将来自仿真系统的数据实时转换为执行器的相应运动。
在六自由度运动平台的案例中，必需精确且实时地完成运动学以及雅可比矩阵等高维矩阵计算。能否高速且稳定地完成所有相关运算，将直接影响平台的灵敏度、响应速度以及整体性能。同时对六个轴进行同步且精确的控制，这一过程蕴含着极高的技术挑战；因此，必须引入具备强大处理能力以及高度稳定性的先进控制技术。这一目标的实现得益于 AX5206 双通道伺服驱动器的应用，Evren Emre 在解释该驱动器所具备的优势时说道：“除系统必须具备的高动态性能外，倍福伺服驱动器凭借其紧凑精巧的设计脱颖而出，成为我们的不二之选。得益于这一独特的设计优势，在配备六个伺服电机的系统中，仅需配置三个伺服驱动器即可满足需求，因此整个系统结构极为紧凑。伺服驱动器在优化性能与可追溯性方面表现出色，这一特性为那些对便携性有着严苛要求的系统构筑了更为坚实的优势根基。与此同时，AM8041 伺服电机凭借其低转动惯量的优势，能够为运动平台的高动态性能提供强有力的支持。”
据 Evren Emre 介绍，倍福控制技术其中一项显著特点是在实时应用场景中能够实现高达 16 kHz 的高循环速率。尤其是在仿真应用中，鉴于作为关键参考依据的遥测数据需以极高逼真度生成，这么高的循环速度能够产生显著影响。倍福丰富的产品线，结合其伺服驱动器、伺服电机以及 I/O 卡所提供的全面的优化与整定选项，为 SANLAB 搭建兼具成本效益与性能的系统配置提供了有力支撑。此外，所构建的系统能够通过 EtherCAT 通信协议，使用各类参数以及丰富的功能进行全面监测。Evren Emre 补充道：“TwinCAT 软件支持开发者使用 C++ 语言进行高效开发，其内置的丰富现成模块、库以及函数极大地缩短了开发周期。鉴于 EtherCAT 架构的有效性和高市场占有率，该方案在必要时也可无缝应用于第三方产品，因此其应用特别灵活。此外，于我们而言，自动化组件绝非单纯的采购产品，它更像是一个完整的解决方案，其中技术支持与售后服务是不可或缺的关键组成部分。倍福伊斯坦布尔办事处同样深刻理解并秉持这一理念。”
