基于冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)的壓電式六維加速度傳感器研究.pdf

1、生物醫(yī)學(xué)、慣性導(dǎo)航、機(jī)器人等領(lǐng)域正朝著高、精、尖的性能方向發(fā)展,迫切需要六維加速度傳感器這類能夠同時(shí)獲取載體多自由度運(yùn)動(dòng)信息的測量系統(tǒng),目前國內(nèi)外對(duì)其研究尚處于原理探索階段,主要技術(shù)瓶頸在于解耦難度與結(jié)構(gòu)復(fù)雜度之間存在矛盾。針對(duì)該現(xiàn)狀,本文提出了一種基于冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)的壓電式六維加速度傳感器,擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),從構(gòu)型設(shè)計(jì)、解耦算法、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、參數(shù)辨識(shí)四個(gè)方面對(duì)其作了深入的研究和探討。
　　提出了一種基于四面體構(gòu)型的9-SPS冗余并聯(lián)

2、機(jī)構(gòu),運(yùn)用螺旋理論、拓?fù)淅碚摰痊F(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)理論對(duì)其展開分析,結(jié)果表明新型并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有初始位姿空間內(nèi)零奇異、運(yùn)動(dòng)學(xué)正解封閉、冗余信息可用于處理次級(jí)噪聲、解耦特性優(yōu)越以及拓?fù)錁?gòu)型緊湊且對(duì)稱等眾多優(yōu)點(diǎn)。鑒于此,用該構(gòu)型的并聯(lián)機(jī)構(gòu)充當(dāng)六維加速度傳感器的彈性體結(jié)構(gòu),另外,壓電陶瓷同時(shí)充當(dāng)敏感元件和移動(dòng)副,彈性球鉸鏈充當(dāng)球面副。在上述方案的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)了六維加速度傳感器的原理樣機(jī),并制作了一臺(tái)加工成本和安裝精度要求都較低的實(shí)物樣機(jī)。
　　分別在位

3、形空間內(nèi)運(yùn)用矢量力學(xué)方法以及在相空間內(nèi)運(yùn)用分析力學(xué)方法推導(dǎo)出系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程;在同倫思想的啟發(fā)下,通過引入輔助角速度,解決了牛頓-歐拉方程中輸入輸出量耦合程度高的問題;通過挖掘出姿態(tài)四元數(shù)與其對(duì)應(yīng)的廣義動(dòng)量之間“隱藏”著的正交關(guān)系,在不破壞原動(dòng)力學(xué)方程平衡性的前提下,解決了涉及到哈密頓約束正則方程的指標(biāo)-3問題;構(gòu)建了六維加速度傳感器的兩類解耦算法,它們均具有解耦效率高和算法適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)?？紤]到兩類解耦算法在數(shù)值性態(tài)上存在較大差異,從

4、定性和定量兩個(gè)角度進(jìn)行了全面地對(duì)比,并分析了造成兩者差異的原因,對(duì)比結(jié)果可用于指導(dǎo)傳感器在具體應(yīng)用場合下對(duì)解耦算法的合理選取。
　　通過以定義出的結(jié)構(gòu)矩陣為乘子的迭代運(yùn)算,同時(shí)獲取到系統(tǒng)的基頻和一階主振型,巧妙避開傳統(tǒng)算法中需要求解高次方程的復(fù)雜工作,具有計(jì)算效率高和絕對(duì)收斂的優(yōu)點(diǎn)。通過添加關(guān)于構(gòu)型自身冗余約束關(guān)系的協(xié)調(diào)方程,解算了超靜定反向動(dòng)力學(xué)方程,從而推導(dǎo)出靈敏度關(guān)于結(jié)構(gòu)參數(shù)的解析表達(dá)式,同時(shí)得出所設(shè)計(jì)傳感器理論靈敏度各向同

5、性的結(jié)論。提出并證明了關(guān)于誤差區(qū)間寬度的三個(gè)定理,據(jù)此揭示并量化了六維加速度傳感器的誤差傳遞關(guān)系,一定程度上拓展了區(qū)間分析法的應(yīng)用領(lǐng)域。為解決多目標(biāo)優(yōu)化過程中普遍存在的三大問題,在基頻、靈敏度及誤差傳遞模型的基礎(chǔ)上提出了一種綜合性能函數(shù),據(jù)此繪制了六維加速度傳感器的性能圖譜,對(duì)傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及定量評(píng)價(jià)具有較大的參考價(jià)值。
　　通過深入剖析解耦算法中間參量的形成機(jī)理后發(fā)現(xiàn),在線閾頻和角閾頻之下分別激勵(lì)外殼做純線運(yùn)動(dòng)和純角運(yùn)動(dòng)時(shí),

6、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程可以簡化成只關(guān)于部分解耦參數(shù)的線性代數(shù)方程。據(jù)此提出了一種可用于對(duì)并聯(lián)式六維加速度傳感器的25個(gè)解耦參數(shù)實(shí)施分組辨識(shí)的“四步法”?？紤]到目前市場上還沒有能夠與“四步法”相匹配的外部激勵(lì)設(shè)備,研制了基于雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的新型試驗(yàn)平臺(tái),且同樣擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。將傳感器實(shí)物樣機(jī)安裝在試驗(yàn)平臺(tái)上,并運(yùn)用自行開發(fā)的虛擬儀器控制參數(shù)辨識(shí)試驗(yàn)的全過程。試驗(yàn)結(jié)果顯示,參數(shù)辨識(shí)之后解耦誤差降低了1個(gè)數(shù)量級(jí),表明“四步法”是有效的、可行的。