[發(fā)明專利]一種傾角傳感器的圓錐運(yùn)動(dòng)測(cè)試方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011139990.9
• 申請(qǐng)日: 2020-10-22
• 公開（公告）號(hào): CN113049002B
• 公開（公告）日: 2023-06-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉志華;符磊;蔡晨光;陶猛;張穎;葉文;夏巖
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院;貴州大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C25/00
• 分類號(hào): G01C25/00
• 代理公司: 北京睿博行遠(yuǎn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11297
• 代理人: 劉桂榮

本發(fā)明公開了一種傾角傳感器的圓錐運(yùn)動(dòng)測(cè)試方法，該方法包括：建立隨動(dòng)坐標(biāo)系，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)支鏈運(yùn)動(dòng)，生成繞Z軸的圓錐運(yùn)動(dòng)；通過(guò)激光跟蹤儀校準(zhǔn)Stewart平臺(tái)的球鉸坐標(biāo)、虎克鉸坐標(biāo)、伸縮腿初始偏移等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，建立Stewart平臺(tái)精確的位置正解模型，消除伺服電機(jī)閉環(huán)響應(yīng)的振幅衰減和相位滯后影響；然后將MEMS傾角傳感器安裝在動(dòng)平臺(tái)上，通過(guò)位置正解模型解算實(shí)際的圓錐運(yùn)動(dòng)軌跡作為參考測(cè)量值，與傾角傳感器的測(cè)量值相比較，完成對(duì)MEMS傾角傳感器的測(cè)試與校準(zhǔn)。且Stewart平臺(tái)可以生成繞Z軸的圓錐運(yùn)動(dòng)，且錐點(diǎn)可根據(jù)需求進(jìn)行改變，相較于一維旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，圓錐運(yùn)動(dòng)更具有優(yōu)越性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域，尤其適用于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傾角傳感器和慣性測(cè)量單元的動(dòng)態(tài)測(cè)試。

背景技術(shù)

MEMS動(dòng)態(tài)傾角傳感器是一種高性能的慣性測(cè)量設(shè)備，可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)載體的姿態(tài)參數(shù)，適用于運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)狀態(tài)下的傾角測(cè)量。其主要由加速度計(jì)和陀螺儀組成，由于加速度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)通常易受到外界環(huán)境干擾的影響產(chǎn)生噪聲，而陀螺儀測(cè)量數(shù)據(jù)由于積分原因具有漂移誤差，因此可通過(guò)二者的信息融合算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)傾角輸出，以及提高工作穩(wěn)定性。

為了確保測(cè)量結(jié)果的有效性，需要對(duì)MEMS傾角傳感器進(jìn)行測(cè)試。目前通常采用轉(zhuǎn)臺(tái)和分度頭測(cè)試傾角傳感器，通過(guò)多點(diǎn)翻滾法和速率測(cè)試法測(cè)試其加速度計(jì)和陀螺儀。現(xiàn)有測(cè)試方法主要用于確定MEMS傾角傳感器的靜態(tài)誤差模型，包括尺度因子、偏差和非正交性等。隨著日益增長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量應(yīng)用需求，MEMS?傾角傳感器的動(dòng)態(tài)性能受到更多關(guān)注。因此有必要研究針對(duì)MEMS傾角傳感器動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試設(shè)備和方法。完整的傾角運(yùn)動(dòng)是繞水平面內(nèi)正交軸的兩自由度角度運(yùn)動(dòng)。現(xiàn)有的多軸轉(zhuǎn)臺(tái)可以生成多軸角度運(yùn)動(dòng)，卻只能繞自身轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)形式受限于轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，角度運(yùn)動(dòng)的原點(diǎn)既是轉(zhuǎn)臺(tái)兩個(gè)正交軸的交點(diǎn)，位置固定無(wú)法調(diào)節(jié)。

因此，針對(duì)目前通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試MEMS傾角傳感器所存在的動(dòng)態(tài)特性不足、運(yùn)動(dòng)形式單一等問(wèn)題，本發(fā)明提出一種傾角傳感器的圓錐運(yùn)動(dòng)測(cè)試方法，通過(guò)其兩自由度的傾角運(yùn)動(dòng)測(cè)試傾角傳感器的動(dòng)態(tài)特性，獲取傳感器實(shí)際測(cè)量環(huán)境的響應(yīng)特性，保證傾角測(cè)量系統(tǒng)的有效性和可靠性，滿足各工程應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω咝阅軆A角傳感器的迫切需求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種傾角傳感器的圓錐運(yùn)動(dòng)測(cè)試方法，通過(guò)Stewart?平臺(tái)生成兩自由度的傾角運(yùn)動(dòng)，測(cè)試傾角傳感器的動(dòng)態(tài)特性，解決轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試方法所存在的動(dòng)態(tài)特性不足、運(yùn)動(dòng)形式單一等不足。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為通過(guò)Stewart平臺(tái)生成的繞Z?軸的圓錐運(yùn)動(dòng)，測(cè)試MEMS傾角傳感器的動(dòng)態(tài)特性。該方法包括：建立隨動(dòng)坐標(biāo)系，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)支鏈運(yùn)動(dòng)，生成繞Z軸的圓錐運(yùn)動(dòng)；通過(guò)激光跟蹤儀校準(zhǔn)Stewart平臺(tái)的球鉸坐標(biāo)、虎克鉸坐標(biāo)、伸縮腿初始偏移等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，建立Stewart平臺(tái)精確的位置正解模型，消除伺服電機(jī)閉環(huán)響應(yīng)的振幅衰減和相位滯后影響；然后將MEMS傾角傳感器安裝在動(dòng)平臺(tái)上，通過(guò)位置正解模型解算實(shí)際的圓錐運(yùn)動(dòng)軌跡作為參考測(cè)量值，與傾角傳感器的測(cè)量值相比較，完成對(duì)MEMS傾角傳感器的測(cè)試與校準(zhǔn)。

Stewart平臺(tái)生成繞Z軸圓錐運(yùn)動(dòng)方法具體包括：

繞Z軸的圓錐運(yùn)動(dòng)通過(guò)繞XOY平面內(nèi)的矢量OL旋轉(zhuǎn)一定角度α，并且OL?在XOY平面內(nèi)以角速度ω旋轉(zhuǎn)而形成，采用四元數(shù)方法描述圓錐運(yùn)動(dòng)：

繞Z軸的圓錐運(yùn)動(dòng)的角速度如下所示：

建立動(dòng)平臺(tái)的隨動(dòng)坐標(biāo)系，使坐標(biāo)系的原點(diǎn)與圓錐運(yùn)動(dòng)的錐點(diǎn)相重合。根據(jù)球鉸中心在動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系和虎克鉸中心在靜平臺(tái)坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)，通過(guò)?Stewart平臺(tái)的位置逆解實(shí)時(shí)計(jì)算得到各伸縮腿的長(zhǎng)度命令。通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)支鏈伸長(zhǎng)或縮短，帶動(dòng)動(dòng)平臺(tái)，生成繞Z軸的圓錐運(yùn)動(dòng)。

實(shí)際的繞Z軸的圓錐運(yùn)動(dòng)測(cè)量方法具體包括：