本發明專利技術公開了一種Stewart平臺姿態測量裝置，動平臺坐標系的三個坐標軸軸向分別為X、Y、Z，在Stewart平臺的動平臺上通過四個墊塊安裝有四個三軸向加速度傳感器，其中兩個三軸向加速度傳感器以動平臺坐標系的坐標原點Ob對稱并分別位于X軸的兩側，另外兩個三軸向加速度傳感器以X軸為對稱軸對稱安裝。本發明專利技術還公開了一種Stewart平臺姿態測量裝置采用的測量方法，通過公式求得動平臺的坐標原點Ob相對于靜平臺的坐標原點OI的加速度分量和動平臺旋轉角速度，即可獲得動平臺坐標系相對于靜平臺坐標系的位置和姿態參數。通過本發明專利技術無需復雜計算就可以直接獲得Stewart平臺的形心坐標、旋轉角度和旋轉方向參數。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種，尤其涉及一種采用全加 速度傳感器實現六自由度Stewart平臺形心位置、旋轉角度和旋轉方向的姿態參數測量的 測量裝置及測量方法，屬于運動模擬器姿態測量領域。
技術介紹
Stewart平臺又稱為并聯平臺機構，它是由動平臺、靜平臺、鉸鏈和六個驅動桿組 成，可以實現6個自由度的轉動。由于這種機構具有結構簡單、動態性能好、剛度大、承載能 力強等優點，在機器人、機床制造行業、汽車運動模擬器、航天運載工具模擬器、空間對接機 構、潛艇救援對接器及高速鐵路無砟軌道板等方面具有極高的應用價值。 Stewart平臺的位置姿態控制精度是衡量其工作質量優劣和性能高低的主要指 標，成為并聯驅動平臺應用研宄中的關鍵技術之一，平臺控制算法的核心內容是位置正解 和位置反解，即已知動平臺位姿求解驅動桿長（反解），或已知各驅動桿長求解動平臺位姿 (正解）。測量出動平臺位置姿態六參數（x，y，z，a，0， y)T，即可求解反解；相反已知桿長 變化可正解出位姿6參數。一般來說正解多采用數值分析法，比如牛頓一辛卜森法迭代求 解計算量大、速度慢、不能閉環控制，相比之下反解速度快可實現實時控制。 目前對平臺位置和姿態的精確控制常用方法主要有兩種。一是機電法，通過測量 電機的角位移或油缸的伸縮線位移進行反饋控制，該方案的優點是成本低，便于實現，缺點 是半閉環控制，精度低；二是光電法，通過單個或兩個攝像頭獲取三維定位信息，其優點是 精度高，但是造價高，可定位范圍小，對應用現場也有較高要求。這兩種方法都具有較強的 局限性，由于位置和姿態的精確控制是并聯平臺機構得以實現其應用價值的必要前提，因 而對其進行高精度的動態位姿測量就具有十分重要的意義，基于實時控制的強烈需求，本 專利技術提出一種基于無陀螺捷聯慣導系統測量方法，采用4只三軸加速度傳感器直接測量 Stewart平臺位姿參數的新方法。 無陀螺捷聯慣導是指慣性測量組合中不使用陀螺儀，而利用線加速度計得到慣性 測量的全部參數，適用于戰術導彈、智能炮彈中等利用加速度計代替陀螺實現制導的領域。 此理念國外早在1965年就提出，但此后近20年時間里一直停頓，主要原因是陀螺技術的飛 速發展。進入20世紀90年代，隨著計算機技術以及MEMS水平的提高，中國國內外對采用全 加速度計制作慣性測量的研宄方案越來越重視，使其重獲新生。1982年Shmuel J.Merhav 提出采用旋轉或振動加速度計組成無陀螺慣性測量組件，提出從加速度計的輸出信號中分 離線加速度和角速度的方法；1991年Algrain斷言最少需要六個加速度計可測量物體的線 加速度和角加速度；1999年Lee求出了利用6個加速度計測量物體旋轉運動的解法，并將 卡爾曼濾波應用在導航系統中；2000年Kirill詳細研宄了基于六加速度計配置的算法。國 內的研宄剛剛起步，主要進行此方向研宄的有哈爾濱工程大學、哈爾濱工業大學、北京理工 大學等少數高校，但目前研宄內容主要涉及到不同應用領域加速度計配置方案的研宄，及 相應角速度的優化算法等，還沒有具體應用方面的報道。通過調研，國內外學者在無陀螺捷 聯慣導加速度計方案配置方面，主要采用的是六加速度配置方案，細分又有好幾種，但都是 由加速度計輸出的比力中解出載體角加速度，再經積分得到角速度。主要缺點有些是由于 角速度項由平方根計算得到，無法確定角速度方向；或者計算量大，且角速度的誤差隨時間 累積，或者對安裝的精度要求太高，實際應用困難，由于以上原因六加速度計方式不是很理 想的方式。九加速度計配置方案是一種改進方式，利用加速度計輸出的冗余信息改進角速 度解算算法從而提高精度，通過對角加速度積分確定角速度符號消除角速度符號的不確定 性，對角速度平方項開方確定數值抑制迭代誤差，但具體算法為見公布，且從文獻上看傳感 器的安裝位置配置不適合應用于Stewart這類動平臺上。
技術實現思路
本專利技術的目的就在于為了解決上述問題而提供一種采用全加速度傳感器實現 。 本專利技術通過以下技術方案來實現上述目的： -種Stewart平臺姿態測量裝置，所述Stewart平臺包括動平臺和靜平臺，所述動 平臺和所述靜平臺之間通過六個球鉸分別與六根可伸縮的連桿相連；設動平臺坐標系{0J 的三個坐標軸軸向分別為X、Y、Z，其坐標原點0 b是所述動平臺的6個球鉸的機械絞點組成 的圓周的圓心，設靜平臺坐標系1^}的坐標原點仏是所述靜平臺的6個球鉸的機械絞點組 成的圓周的圓心；在所述動平臺上安裝有四個墊塊，在四個所述墊塊上一一對應地安裝有 四個三軸向加速度傳感器，其中，所述第一三軸向加速度傳感器和所述第四三軸向加速度 傳感器分別安裝于對應的所述墊塊的上表面，所述第二三軸向加速度傳感器和所述第三三 軸向加速度傳感器分別安裝于對應的所述墊塊的側表面；四個所述三軸向加速度傳感器的 三個敏感軸方向均為x、y、z，其中，第一三軸向加速度傳感器與第四三軸向加速度傳感器 以坐標原點〇 b對稱并分別位于X軸的兩側，第二三軸向加速度傳感器與第三三軸向加速度 傳感器以X軸為對稱軸對稱安裝，所述第一三軸向加速度傳感器的x、y、z軸分別與所述動 平臺的X、Y、Z軸平行，所述第一三軸向加速度傳感器、所述第二三軸向加速度傳感器、所述 第三三軸向加速度傳感器、所述第四三軸向加速度傳感器的包含安裝方向的坐標分別為： (X^、Zj)、（_X2、5^2、乙2)、（_叉2、_y"2、乙2)、（_Xi、y"i、Zj) 〇 具體地，所述三軸向加速度傳感器為靈敏度為lOOmv/g、量程為50g、精度為 0.0 OOlg、頻響范圍為0. 5-4. 5KHz的低頻三軸向加速度傳感器。 一種Stewart平臺姿態測量裝置采用的測量方法，包括以下步驟： (1)將四個所述三軸向加速度傳感器的輸出簡化成Ov b2……b12)，其中（bp b2、 b3)是第一三軸向加速度傳感器的x、y、z三個方向輸出值，（b4、b 5、b6)是第二三軸向加速 度傳感器的x、y、z三個方向輸出值，（b7、b8、b9)是第三三軸向加速度傳感器的x、y、z三個 方向輸出值，（b 1Q、bn、b12)是第四三軸向加速度傳感器的x、y、z三個方向輸出值； (2)根據下面公式⑴推導求解：【主權項】1. 一種Stewart平臺姿態測量裝置，所述Stewart平臺包括動平臺和靜平臺，所述動平 臺和所述靜平臺之間通過六個球較分別與六根可伸縮的連桿相連；其特征在于；設動平臺 坐標系{化}的S個坐標軸軸向分別為X、Y、Z，其坐標原點化是所述動平臺的6個球較的機 械絞點組成的圓周的圓屯、，設靜平臺坐標系{〇i}的坐標原點〇1是所述靜平臺的6個球較的 機械絞點組成的圓周的圓屯、；在所述動平臺上安裝有四個墊塊，在四個所述墊塊上一一對 應地安裝有四個=軸向加速度傳感器，其中，所述第一=軸向加速度傳感器和所述第四= 軸向加速度傳感器分別安裝于對應的所述墊塊的上表面，所述第二=軸向加速度傳感器和 所述第==軸向加速度傳感器分別安裝于對應的所述墊塊的側表面；四個所述=軸向加速 度傳感器的=個敏感軸方向均為X、y、Z，其中，第一=軸向加速度傳感器與第四=軸向加速 度傳感器W坐標原點〇b對稱并分別位于X軸的兩側，第二=軸向加速度傳本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種Stewart平臺姿態測量裝置，所述Stewart平臺包括動平臺和靜平臺，所述動平臺和所述靜平臺之間通過六個球鉸分別與六根可伸縮的連桿相連；其特征在于：設動平臺坐標系{Ob}的三個坐標軸軸向分別為X、Y、Z，其坐標原點Ob是所述動平臺的6個球鉸的機械絞點組成的圓周的圓心，設靜平臺坐標系{OI}的坐標原點OI是所述靜平臺的6個球鉸的機械絞點組成的圓周的圓心；在所述動平臺上安裝有四個墊塊，在四個所述墊塊上一一對應地安裝有四個三軸向加速度傳感器，其中，所述第一三軸向加速度傳感器和所述第四三軸向加速度傳感器分別安裝于對應的所述墊塊的上表面，所述第二三軸向加速度傳感器和所述第三三軸向加速度傳感器分別安裝于對應的所述墊塊的側表面；四個所述三軸向加速度傳感器的三個敏感軸方向均為x、y、z，其中，第一三軸向加速度傳感器與第四三軸向加速度傳感器以坐標原點Ob對稱并分別位于X軸的兩側，第二三軸向加速度傳感器與第三三軸向加速度傳感器以X軸為對稱軸對稱安裝，所述第一三軸向加速度傳感器的x、y、z軸分別與所述動平臺的X、Y、Z軸平行，所述第一三軸向加速度傳感器、所述第二三軸向加速度傳感器、所述第三三軸向加速度傳感器、所述第四三軸向加速度傳感器的包含安裝方向的坐標分別為：(x1、?y1、z1)、(?x2、y2、z2)、(?x2、?y2、z2)、(?x1、y1、z1)。...
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：張毅，張榮，周繼昆，陳穎，
申請(專利權)人：中國工程物理研究院總體工程研究所，
類型：發明
國別省市：四川;51
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