Stewart平台姿态测量装置及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种Stewart平台姿态测量装置及测量方法，尤其涉及一种采用全加 速度传感器实现六自由度Stewart平台形心位置、旋转角度和旋转方向的姿态参数测量的 测量装置及测量方法，属于运动模拟器姿态测量领域。
【背景技术】
[0002] Stewart平台又称为并联平台机构，它是由动平台、静平台、铰链和六个驱动杆组 成，可以实现6个自由度的转动。由于这种机构具有结构简单、动态性能好、刚度大、承载能 力强等优点，在机器人、机床制造行业、汽车运动模拟器、航天运载工具模拟器、空间对接机 构、潜艇救援对接器及高速铁路无砟轨道板等方面具有极高的应用价值。
[0003] Stewart平台的位置姿态控制精度是衡量其工作质量优劣和性能高低的主要指 标，成为并联驱动平台应用研宄中的关键技术之一，平台控制算法的核心内容是位置正解 和位置反解，即已知动平台位姿求解驱动杆长（反解），或已知各驱动杆长求解动平台位姿 (正解）。测量出动平台位置姿态六参数（x，y，z，a，0， y)T，即可求解反解；相反已知杆长 变化可正解出位姿6参数。一般来说正解多采用数值分析法，比如牛顿一辛卜森法迭代求 解计算量大、速度慢、不能闭环控制，相比之下反解速度快可实现实时控制。
[0004] 目前对平台位置和姿态的精确控制常用方法主要有两种。一是机电法，通过测量 电机的角位移或油缸的伸缩线位移进行反馈控制，该方案的优点是成本低，便于实现，缺点 是半闭环控制，精度低；二是光电法，通过单个或两个摄像头获取三维定位信息，其优点是 精度高，但是造价高，可定位范围小，对应用现场也有较高要求。这两种方法都具有较强的 局限性，由于位置和姿态的精确控制是并联平台机构得以实现其应用价值的必要前提，因 而对其进行高精度的动态位姿测量就具有十分重要的意义，基于实时控制的强烈需求，本 发明提出一种基于无陀螺捷联惯导系统测量方法，采用4只三轴加速度传感器直接测量 Stewart平台位姿参数的新方法。
[0005] 无陀螺捷联惯导是指惯性测量组合中不使用陀螺仪，而利用线加速度计得到惯性 测量的全部参数，适用于战术导弹、智能炮弹中等利用加速度计代替陀螺实现制导的领域。 此理念国外早在1965年就提出，但此后近20年时间里一直停顿，主要原因是陀螺技术的飞 速发展。进入20世纪90年代，随着计算机技术以及MEMS水平的提高，中国国内外对采用全 加速度计制作惯性测量的研宄方案越来越重视，使其重获新生。1982年Shmuel J.Merhav 提出采用旋转或振动加速度计组成无陀螺惯性测量组件，提出从加速度计的输出信号中分 离线加速度和角速度的方法；1991年Algrain断言最少需要六个加速度计可测量物体的线 加速度和角加速度；1999年Lee求出了利用6个加速度计测量物体旋转运动的解法，并将 卡尔曼滤波应用在导航系统中；2000年Kirill详细研宄了基于六加速度计配置的算法。国 内的研宄刚刚起步，主要进行此方向研宄的有哈尔滨工程大学、哈尔滨工业大学、北京理工 大学等少数高校，但目前研宄内容主要涉及到不同应用领域加速度计配置方案的研宄，及 相应角速度的优化算法等，还没有具体应用方面的报道。通过调研，国内外学者在无陀螺捷 联惯导加速度计方案配置方面，主要采用的是六加速度配置方案，细分又有好几种，但都是 由加速度计输出的比力中解出载体角加速度，再经积分得到角速度。主要缺点有些是由于 角速度项由平方根计算得到，无法确定角速度方向；或者计算量大，且角速度的误差随时间 累积，或者对安装的精度要求太高，实际应用困难，由于以上原因六加速度计方式不是很理 想的方式。九加速度计配置方案是一种改进方式，利用加速度计输出的冗余信息改进角速 度解算算法从而提高精度，通过对角加速度积分确定角速度符号消除角速度符号的不确定 性，对角速度平方项开方确定数值抑制迭代误差，但具体算法为见公布，且从文献上看传感 器的安装位置配置不适合应用于Stewart这类动平台上。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种采用全加速度传感器实现 Stewart平台姿态测量装置及测量方法。
[0007] 本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
[0008] -种Stewart平台姿态测量装置，所述Stewart平台包括动平台和静平台，所述动 平台和所述静平台之间通过六个球铰分别与六根可伸缩的连杆相连；设动平台坐标系{0J 的三个坐标轴轴向分别为X、Y、Z，其坐标原点0 b是所述动平台的6个球铰的机械绞点组成 的圆周的圆心，设静平台坐标系1^}的坐标原点仏是所述静平台的6个球铰的机械绞点组 成的圆周的圆心；在所述动平台上安装有四个垫块，在四个所述垫块上一一对应地安装有 四个三轴向加速度传感器，其中，所述第一三轴向加速度传感器和所述第四三轴向加速度 传感器分别安装于对应的所述垫块的上表面，所述第二三轴向加速度传感器和所述第三三 轴向加速度传感器分别安装于对应的所述垫块的侧表面；四个所述三轴向加速度传感器的 三个敏感轴方向均为x、y、z，其中，第一三轴向加速度传感器与第四三轴向加速度传感器 以坐标原点〇 b对称并分别位于X轴的两侧，第二三轴向加速度传感器与第三三轴向加速度 传感器以X轴为对称轴对称安装，所述第一三轴向加速度传感器的x、y、z轴分别与所述动 平台的X、Y、Z轴平行，所述第一三轴向加速度传感器、所述第二三轴向加速度传感器、所述 第三三轴向加速度传感器、所述第四三轴向加速度传感器的包含安装方向的坐标分别为： (X^、Zj)、（_X2、5^2、乙2)、（_叉2、_y"2、乙2)、（_Xi、y"i、Zj) 〇
[0009] 具体地，所述三轴向加速度传感器为灵敏度为lOOmv/g、量程为50g、精度为 0.0 OOlg、频响范围为0. 5-4. 5KHz的低频三轴向加速度传感器。
[0010] 一种Stewart平台姿态测量装置采用的测量方法，包括以下步骤：
[0011] (1)将四个所述三轴向加速度传感器的输出简化成Ov b2……b12)，其中（bp b2、 b3)是第一三轴向加速度传感器的x、y、z三个方向输出值，（b4、b 5、b6)是第二三轴向加速 度传感器的x、y、z三个方向输出值，（b7、b8、b9)是第三三轴向加速度传感器的x、y、z三个 方向输出值，（b 1Q、bn、b12)是第四三轴向加速度传感器的x、y、z三个方向输出值；
[0012] (2)根据下面公式⑴推导求解：
[0013]
【主权项】
1. 一种Stewart平台姿态测量装置，所述Stewart平台包括动平台和静平台，所述动平 台和所述静平台之间通过六个球较分别与六根可伸缩的连杆相连；其特征在于；设动平台 坐标系{化}的S个坐标轴轴向分别为X、Y、Z，其坐标原点化是所述动平台的6个球较的机 械绞点组成的圆周的圆屯、，设静平台坐标系{〇i}的坐标原点〇1是所述静平台的6个球较的 机械绞点组成的圆周的圆屯、；在所述动平台上安装有四个垫块，在四个所述垫块上一一对 应地安装有四个=轴向加速度传感器，其中，所述第一=轴向加速度传感器和所述第四= 轴向加速度传感器分别安装于对应的所述垫块的上表面，所述第二=轴向加速度传感器和 所述第==轴向加速度传感器分别安装于对应的所述垫块的侧表面；四个所述=轴向加速 度传感器的=个敏感轴方向均为X、y、Z，其中，第一=轴向加速度传感器与第四=轴向加速 度传感器W坐标原点〇b对称并分别位于X轴的两侧，第二=轴向加速度传感器与第==轴 向加速度传感器WX轴为对称轴对称安装，所述第一=轴向加速度传感器的X、y、Z轴分别 与所述动平台的X、Y、Z轴平行，所述第一=轴向加速度传感器、所述第二=轴向加速度传 感器、所述第==轴向加速度传感器、所述第四=轴向加速度传感器的包含安装方向的坐 标分别为；（Xi、-Yi、Zi)、（-X2、Y2、Z2)、（-&、-y]、Z2)、（-Xi、Yi、Zi)。
2. 根据权利要求1所述的Stewart平台姿态测量装置，其特征在于：所述=轴向加速 度传感器为灵敏度为lOOmv/g、量程为50g、精度为0.OOOlg、频响范围为0. 5-4. 5KHZ的低频 =轴向加速度传感器。
3. -种如权利要求1或2所述的Stewart平台姿态测量装置采用的测量方法，其特征 在于；包括W下步骤： (1) 将四个所述S轴向加速度传感器的输出简化成化i，b2……612)，其中化1、62、63)是 第一S轴向加速度传感器的x、y、zS个方向输出值，化4、be、be)是第二S轴向加速度传感 器的x、y、z立个方向输出值，（b,、b8、bg)是第立立轴向加速度传感器的x、y、z立个方向输 出值，化K)、bii、b。）是第四S轴向加速度传感器的x、y、zS个方向输出值； (2) 根据下面公式（1)推导求解：
式（1)中，未知变量ai、32、a]、a*、as、ag、a?、as、ag、aio、a。、a。分别为 对应的A,、Ay、Az、Wy、W,.，、c4、紅巧、￡t^、w|、Wji.Wz、^^,￡也，求解式（1)可推导出平 台旋转参数，如W下公式（2)~（13)所示，其中，Ay、Ay、A,分别是动平台的坐标原点〇b相 对于静平台的坐标原点OI在x、y、zS个方向的加速度分量，叫^、itir、￡4分别是动平 台旋转角速度在X、y、Z立个方向的角加速度，通过该角加速度可快速判断出旋转角方向， 分别是动平台旋转角速度在x、y、z=个方向的幅值平方，通过该幅值平 方可快速计算出旋转角度大小，《,?,、《,?,、《,?,为误差分析参数，由《4、（^3-、^也7、 ;m|、；wf、WXWy、《XWZ、《yWZ九个变量准确获得在X、y、ZS个方向的动平台旋转 角速度《y、的幅值和旋转方向：
上面公式中的Xi、Yi、Zi、X2、y2、Z2分别为对应s轴向加速度传感器相对于动平台的坐 标原点化的距离，可自定义其数值； 通过上述公式（2)-(13)求得Ay、Ay、A,、即可获得动平台坐标系相对于静 平台坐标系的位置和姿态参数，即动平台的坐标原点化即形屯、在静平台坐标系中的位置坐 标P= (X，y，Z)和旋转参数摇摆角a、纵摇角P及偏摆角丫。
【专利摘要】本发明公开了一种Stewart平台姿态测量装置，动平台坐标系的三个坐标轴轴向分别为X、Y、Z，在Stewart平台的动平台上通过四个垫块安装有四个三轴向加速度传感器，其中两个三轴向加速度传感器以动平台坐标系的坐标原点Ob对称并分别位于X轴的两侧，另外两个三轴向加速度传感器以X轴为对称轴对称安装。本发明还公开了一种Stewart平台姿态测量装置采用的测量方法，通过公式求得动平台的坐标原点Ob相对于静平台的坐标原点OI的加速度分量和动平台旋转角速度，即可获得动平台坐标系相对于静平台坐标系的位置和姿态参数。通过本发明无需复杂计算就可以直接获得Stewart平台的形心坐标、旋转角度和旋转方向参数。
【IPC分类】G01C21-16, G01B21-00
【公开号】CN104848818
【申请号】CN201510282513
【发明人】张毅, 张 荣, 周继昆, 陈颖
【申请人】中国工程物理研究院总体工程研究所
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年5月28日