[發明專利]一種球形電機多自由度姿態測量系統及方法

有效

• 申請號: 202110914438.0
• 申請日: 2021-08-10
• 公開（公告）號: CN113726099B
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 白坤;李習銀;李孟軻;丁耀武;唐明章;闕子歆
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H02K11/215
• 分類號: H02K11/215
• 代理公司: 武漢華之喻知識產權代理有限公司 42267
• 代理人: 李君;廖盈春

本發明提供了一種球形電機多自由度姿態測量系統及方法，屬于傳感器技術領域，測量系統包括：傳感器固定模塊、霍爾傳感器和球關節；霍爾傳感器安裝在傳感器固定模塊，且關于球關節中心對稱分布；球關節支持繞三軸轉動；電機中的轉子用于在轉子永磁體與定子線圈之間的力矩驅動下三自由度轉動；測量磁體用于根據轉子的轉動發生姿態變化，進而影響霍爾傳感器處的磁場值發生變化；霍爾傳感器用于采集其所在位置的磁場值；磁場值用于實時計算轉子永磁體的姿態。本發明避免了現有球形電機由于存在磁場的影響以及偏航角不易測量導致位姿控制非常困難且控制精度極差的問題。

技術領域

本發明屬于傳感器技術領域，更具體地，涉及一種球形電機多自由度姿態測量系統及方法。

背景技術

球形電機是一種可以通過直驅控制的三自由度旋轉系統，與傳統的多自由度旋轉系統相比，具有結構緊湊，易于實現精確位姿控制的優點。為了控制球形電機的姿態，必須對球形電機的姿態進行實時地準確地測量。

理論上來說，三軸加速度計，三軸陀螺儀和三軸地磁計均可以解算球形電機的姿態。但是，三軸加速度計對振動比較敏感容易受到高頻干擾，且加速度計不能測量自轉角度；三軸陀螺儀由于漂移的存在，測量球形電機姿態的誤差會隨著時間累積。因此一般使用九軸慣性測量單元進行姿態融合，但是在電機使用環境下，由于通過電機線圈和永磁體產生的磁場遠大于地磁場，地磁計將不能使用。若使用6軸的慣性測量單元進行姿態融合，則由于加速度計不能測量偏航角，因此不能對偏航角進行融合，偏航角的測量由于陀螺儀的漂移會隨著時間累積。且對于偏航角而言，陀螺儀的測量屬于相對測量，也不便于在控制過程中尋找到偏航角的初始位置。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種球形電機多自由度姿態測量系統及方法，旨在解決現有的球形電機由于存在磁場的影響以及偏航角不易測量導致位姿控制非常困難且控制精度極差的問題。

為實現上述目的，一方面，本發明提供了一種球形電機多自由度姿態測量系統，包括：傳感器固定模塊、霍爾傳感器、測量磁鐵和球關節；霍爾傳感器安裝在傳感器固定模塊；其分為兩組，每組有若干個，組間對應的兩霍爾傳感器關于球關節中心對稱分布，采用差分方式抵消干擾磁場的影響；球關節支持繞三軸轉動；

球形電機包括定子、定子線圈、轉子、轉子永磁體和輸出軸；最外層的轉子和/或定子呈球形；定子線圈與轉子永磁體關于球關節中心對稱分布；輸出軸、轉子與球關節固連；關于球關節中心對稱分布的兩轉子永磁體為一組，則同組的兩轉子永磁體的充磁方向相同，相鄰兩組的轉子永磁體充磁方向相反；測量磁鐵的磁化方向與輸出軸垂直；其中，干擾磁場為轉子永磁體和線圈共同作用在霍爾傳感器上產生的磁場；

轉子用于在轉子永磁體與定子線圈之間的力矩驅動下三自由度轉動；測量磁鐵用于根據轉子的轉動發生姿態變化，進而影響霍爾傳感器處的測量磁場值發生變化；霍爾傳感器處的測量磁場值為輸出軸自轉產生的磁場在霍爾傳感器處的磁場值；霍爾傳感器用于采集其所在位置的測量磁場值；測量磁場值用于實時計算轉子永磁體的姿態。

優選地，球形電機的轉子與定子同心設置，定子位于轉子的內側；轉子的內表面設置有轉子永磁體；在定子的外表面設置有定子線圈；輸出軸貫穿球關節，與測量磁鐵固連；

優選地，定子線圈均勻分布于定子外表面，且轉子永磁體均勻分布于轉子內表面；

優選地，傳感器固定模塊為PCB；

優選地，測量磁鐵在不發生干涉的前提下，盡可能靠近傳感器；

優選地，球關節材料不易被磁化；

優選地，霍爾傳感器為三軸霍爾傳感器；

優選地，測量磁鐵的形狀為圓柱形磁鐵、方形磁鐵或者球形磁鐵。

另一方面，基于本發明提供了一種球形電機多自由度姿態測量系統，本發明提供了相應的球形電機多自由度姿態測量方法，包括以下步驟：