[發明專利]一種三維空間運動軌跡振動合成方法

有效

• 申請號: 201710246594.8
• 申請日: 2017-04-16
• 公開（公告）號: CN107063443B
• 公開（公告）日: 2020-09-22
• 發明（設計）人: 劉志華;蔡晨光;夏巖;李京勝
• 申請（專利權）人: 中國計量科學研究院
• 主分類號: G01H17/00
• 分類號: G01H17/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

1.一種三維空間運動軌跡振動合成方法，其特性在于：該方法包括理想空間運動軌跡的空間姿態和軌跡形狀(1)的描述、目標的X軸向幅值和相位(2)的計算、目標的Y軸向幅值和相位(3)的計算、目標的Z軸向幅值和相位(4)的計算、振動控制器(5)、三軸向振動臺(6)、X軸向正弦振動(7)的生成、Y軸向正弦振動(8)的生成、Z軸向正弦振動(9)的生成和三維空間運動軌跡(10)的合成；

通過三軸向振動臺生成相互正交的X軸向正弦振動(7)、Y軸向正弦振動(8)和Z軸向正弦振動(9)，任意幅值和相位的X、Y、Z軸向正弦振動合成空間直線(15)、空間圓形和空間橢圓(14)三種類型的三維空間運動軌跡；其中空間直線(15)和空間圓形被認為是空間橢圓(14)的兩個特例；

三維空間運動軌跡合成方法包括：根據理想的空間運動軌跡的空間姿態和軌跡形狀(1)計算得出目標的X軸向幅值和相位(2)、Y軸向幅值和相位(3)和Z軸向幅值和相位(4)；振動控制器(5)上執行迭代算法，根據X、Y、Z軸向振動的目標幅值和相位以及反饋幅值和相位生成控制信號，驅動三軸向振動臺(6)生成X軸向正弦振動(7)、Y軸向正弦振動(8)和Z軸向正弦振動(9)；X、Y、Z軸向的正弦振動將實現三維空間運動軌跡(10)的合成；

同頻率的X軸向正弦振動(11)、Y軸向正弦振動(12)和Z軸向正弦振動(13)將合成空間橢圓(14)、空間圓形和空間直線(15)三種類型的三維空間運動軌跡(10)；其中空間直線(15)和空間圓形對應為當橢圓的短軸為零和長短軸長度相等兩種情況；因此，同頻率任意幅值和相位的正弦振動合成三維空間橢圓運動軌跡，橢圓的空間姿態和軌跡形狀取決于X、Y、Z軸的振動幅值和相位；

采用一組相互正交的單位向量[u,v,w]來描述空間橢圓的空間姿態：

u＝[u₁ u₂ u₃]^T,v＝[v₁ v₂ v₃]^T,w＝u×v (1)

其中：u平行于橢圓的長軸，v平行于橢圓的短軸，w垂直于空間橢圓平面，u₁、u₂、u₃為單位向量u的坐標分量，v₁、v₂、v₃為單位向量v的坐標分量；采用λ₁和λ₂來描述空間橢圓的軌跡形狀，當λ₂＝0時對應空間直線軌跡，當λ₁＝λ₂時對應空間圓形軌跡；則計算得出目標的X軸向幅值和相位Y軸向幅值和相位Z軸向幅值和相位分別為：

振動控制器(5)上執行迭代算法原理為：提前激勵系統來獲取系統的頻響函數估計(16)，對系統頻響函數求逆得到系統的阻抗矩陣(17)，控制目標為使測量的響應頻譜達到理想的參考頻譜(21)，根據參考頻譜(21)和響應頻譜(20)計算誤差頻譜(22)，根據式(5)的迭代算法(18)修正驅動頻譜(19)：

D_n+1(f)＝D_n(f)+αZ(f)(R(f)-C_n(f)) (5)

式中，D_n(f)為第n次迭代驅動譜；D_n+1(f)為所求的第n+1次迭代驅動譜；Z(f)為系統阻抗矩陣；α為迭代增益，通常選取迭代增益0＜α＜1以提高控制穩定性；通過反復迭代修正驅動頻譜(19)，使系統輸出的響應頻譜(20)不斷趨近設定的參考頻譜(21)；

通過正交矩陣來描述空間橢圓運動軌跡的空間姿態，正交矩陣的前兩個列向量分別平行于橢圓的長軸和短軸，第三個列向量垂直于橢圓平面；通過長軸和短軸的長度來描述空間運動軌跡的軌跡形狀。

2.根據權利要求1所述的一種三維空間運動軌跡振動合成方法，其特征在于：根據空間橢圓的姿態和形狀計算目標的X軸向幅值和相位(2)、Y軸向幅值和相位(3)和Z軸向幅值和相位(4)；振動控制器(5)通過反復迭代修正驅動頻譜(19)，使反饋的響應頻譜(20)達到理想的參考頻譜(21)，控制三軸向振動臺(6)生成特定幅值和相位的X軸向正弦振動(7)、Y軸向正弦振動(8)和Z軸向正弦振動(9)。