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六自由度运动多参数综合测试技术的研究

迟晓珠  
【摘要】:六自由度平台是各种飞行及航海等领域操作模拟器的重要组成部分,可由数字计算机实时控制提供俯仰、偏航、滚转、升降、纵向和横向平移的六自由度瞬时运动仿真。仿真的基础是建立不同类型载体的运动特性关系,即力→加速度→速度→位置、力矩→角加速度→角速度→姿态,另外还要计入多种影响因素,才能使运动仿真平台较真实地模拟实船的运动,在实验室中最大限度地对运动系统、预报软件等进行测试及完善。 近年来,为保证平台运动控制精度,人们开发并使用了很多种传感器,但尚无针对液压并联六自由度平台运动特性的专用测试设备,多借用捷联惯导测试组合进行评估和分析,但角速率量不能直接反映运动特性,而且它与力矩间复杂而不确定的映射关系,使控制复杂化。基于此本文提出研制了基于并联六自由度运动仿真平台的运动综合测试系统。 与一般载体运动测量不同,六自由度平台运动仿真及操纵系统需要的可能是平台任一点处的运动参数,这些参数是由平台特征点的加速度矢量推算而来,因此要求特定点处测得的线加速度与角加速度其作用点及作用轴线应完全重合,传感器基准坐标要明确,并且对各维灵敏度及维间耦合系数等指标有严格要求。对于这种线加速度和角加速度信号的复合测量技术,因其能更真实地反映载体的运动情况,确定载体运动的状态、位姿和轨迹,是仿真平台控制、中低精度导航控制等领域的首选参数,成为各国研究人员多年一直努力探索的目标。 本文针对六自由度运动测试技术的国内外现阶段研究状况,在理论和实验技术方面进行了探索性研究,主要创新成果及结论如下: 在推导平台上任意一点的加速度矢量与特征点的线加速度和角加速度间输出的关系基础上,本文设计的多运动参数测量组合可提供平台质点沿横滚、俯仰、航向轴的线加速度信息和角加速度信息,及平台上任意一点的加速度矢量。通过坐标转换矩阵的解算,可得到加速度、积分所得六维速度等运动矢量沿大地坐标系的分量。 针对平台运动测试特点,提出一种全新的压阻式复合惯性加速度传感器 哈尔滨工程大学博士学位论文 的设想。围绕复合加速度传感器的设计、分析和处理等相关问题,重点对其 敏感结构进行了分析,详细给出了其结构、工作原理及信号获取方式,通过 应力集中槽的设计,可方便地调整系统参数,并使结构具有解祸性。文章用 广义板理论和有限元平板壳元素与三维实体元素的组合方法,建立了弹性体 的有限元分析模型,通过静力和模态分析,证明此结构具有良好的结构灵敏 度、线性度及很小的交叉祸合,并给出结构振动及动力特性计算结果 为避免由运动参数实时计算变换矩阵及动态误差补偿,而对系统响应造 成的影响,本文设计了基于一维测距的位姿跟踪系统。现有的超声波3D测 量系统只能提供提供运动系统的平动信息,而本文提出的超声测距阵列,通 过采用基于假设检验的数据融合技术,可对平台运动进行全行程六自由度跟 踪测量。并通过实验及结果分析,得出在运动伺服系统影响下,六自由度平 台运动跟踪精度的一些规律。 针对平台运动高分辨率、超低频响应测试要求,本文采用激光干涉绝对 法,运用随机信号分析原理,对线加速度与角加速度复合传感器的频带特性、 阻尼特性和动态响应、灵敏度、横向灵敏度、线性度等指标设计并进行了完 整的标定及评估方案。根据传感器件分立标定结果,分别对平台在规则运动 和随机加速度信号激励下的运动仿真情况进行了测试,证明所设计的运动测 量系统对平台规则运动成分有良好的追随能力,同时也可以较好地复现随机 加速度环境。 关键词:六自由度平台;复合加速度计;位姿跟踪;动态标定;运动仿真


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