面向虛擬焊接的定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、基于虛擬現(xiàn)實學(xué)科方向的焊接模擬器是當(dāng)前國內(nèi)外工程領(lǐng)域研究的熱點之一，其手握焊槍的空間姿態(tài)與虛擬焊接軌跡質(zhì)量的映射技術(shù)是該研究方向的關(guān)鍵難題，目前國內(nèi)外研制出的焊接模擬器都存在空間定位測量和姿態(tài)測量不精準(zhǔn)的問題。全文以電磁定位系統(tǒng)為主要研究對象，綜合運用現(xiàn)代傳感與測控技術(shù)、電子信息技術(shù)、電磁場理論、數(shù)學(xué)矩陣和優(yōu)化設(shè)計等多學(xué)科知識，改進并設(shè)計了適用于虛擬焊接手握焊槍的空間定位系統(tǒng)，主要研究成果和創(chuàng)新點如下：
　?。?）研究并設(shè)計了以電

2、磁與慣性導(dǎo)航相結(jié)合的虛擬焊接定位系統(tǒng)
　　在分析國內(nèi)外虛擬焊接模擬器的焊槍定位方法之后得出，慣性導(dǎo)航對于測量物體的姿態(tài)較為成熟，而電磁定位以其良好的空間無障礙性適用于小范圍的定位，因此文章結(jié)合兩者的優(yōu)勢，確定了虛擬焊接手握焊槍的空間定位系統(tǒng)總體設(shè)計思想和原則：以電磁定位方式獲取焊槍的空間位置，以慣性導(dǎo)航獲取焊槍的空間姿態(tài)。
　?。?）改進了現(xiàn)有三維正交式電磁定位系統(tǒng)
　　基于磁偶極子模型，對傳統(tǒng)的三維正交式電磁定位系統(tǒng)

3、進行了深入的理論研究，對其算法之中的耦合矩陣diag(2,?1,?1)修正為diag(?1,?1,2)，使得目標(biāo)空間位置的解算方法得以簡化，同時設(shè)計了雙磁場源的信號發(fā)射系統(tǒng)，增大了磁場的覆蓋空間和定位半徑。
　?。?）設(shè)計了新型陣列式電磁定位系統(tǒng)
　　在研究了現(xiàn)有的陣列式電磁定位系統(tǒng)之后，針對其在直流驅(qū)動下，磁場源與傳感器之間的耦合定位的非線性方程組求解困難，文章設(shè)計了新型雙層式陣列磁場源，極大地簡化了其定位方程組的形式，同

4、時結(jié)合高斯牛頓迭代法和二分法得到了該設(shè)計的解析算法，該設(shè)計提高了定位精度，降低了工藝要求，并能夠根據(jù)需要拓展定位系統(tǒng)的覆蓋范圍。
　?。?）完成了虛擬焊接定位系統(tǒng)的硬件設(shè)計
　　針對系統(tǒng)實時精巧的硬件要求，合理選擇了所需的傳感器和電器元件，制作了發(fā)射線圈。該系統(tǒng)以開源的Arduino開發(fā)板為系統(tǒng)的處理器，弱化了編程的要求，以 MPU-9150為接收傳感器，該傳感器同時滿足了慣性導(dǎo)航和磁信號接收的要求，并在此基礎(chǔ)之上合理設(shè)計了

5、驅(qū)動電路，滿足了系統(tǒng)的設(shè)計需求。
　?。?）完成了虛擬焊接定位系統(tǒng)的實驗仿真驗證
　　文章結(jié)合 MATLAB軟件，對所設(shè)計的虛擬焊接定位系統(tǒng)仿真研究。利用MATLAB強大的矩陣運算能力，建立磁場發(fā)射系統(tǒng)模型，模擬了磁場在空間的分布與傳感器對磁場的獲取，并針對于三維正交式電磁定位系統(tǒng)，通過多次修正優(yōu)化，得到了較為理想的結(jié)果；針對于新型雙層陣列式電磁定位系統(tǒng)，多次優(yōu)化后得到的設(shè)計，其可用區(qū)域定位精度可以達到1mm，并且響應(yīng)快，拓