一种倾角传感器的圆锥运动测试方法技术

本发明专利技术公开了一种倾角传感器的圆锥运动测试方法，该方法包括：建立随动坐标系，通过运动控制器控制伺服电机驱动支链运动，生成绕Z轴的圆锥运动；通过激光跟踪仪校准Stewart平台的球铰坐标、虎克铰坐标、伸缩腿初始偏移等运动学参数，建立Stewart平台精确的位置正解模型，消除伺服电机闭环响应的振幅衰减和相位滞后影响；然后将MEMS倾角传感器安装在动平台上，通过位置正解模型解算实际的圆锥运动轨迹作为参考测量值，与倾角传感器的测量值相比较，完成对MEMS倾角传感器的测试与校准。且Stewart平台可以生成绕Z轴的圆锥运动，且锥点可根据需求进行改变，相较于一维旋转运动，圆锥运动更具有优越性。锥运动更具有优越性。锥运动更具有优越性。

【技术实现步骤摘要】
一种倾角传感器的圆锥运动测试方法


[0001]本专利技术属于计量测试领域，尤其适用于微机电系统(MEMS)倾角传感器和惯性测量单元的动态测试。

技术介绍

[0002]MEMS动态倾角传感器是一种高性能的惯性测量设备，可以测量运动载体的姿态参数，适用于运动和振动状态下的倾角测量。其主要由加速度计和陀螺仪组成，由于加速度计测量数据通常易受到外界环境干扰的影响产生噪声，而陀螺仪测量数据由于积分原因具有漂移误差，因此可通过二者的信息融合算法实现实时的动态倾角输出，以及提高工作稳定性。
[0003]为了确保测量结果的有效性，需要对MEMS倾角传感器进行测试。目前通常采用转台和分度头测试倾角传感器，通过多点翻滚法和速率测试法测试其加速度计和陀螺仪。现有测试方法主要用于确定MEMS倾角传感器的静态误差模型，包括尺度因子、偏差和非正交性等。随着日益增长的动态测量应用需求，MEMS 倾角传感器的动态性能受到更多关注。因此有必要研究针对MEMS倾角传感器动态特性的测试设备和方法。完整的倾角运动是绕水平面内正交轴的两自由度角度运动。现有的多轴转台可以生成多轴角度运动，却只能绕自身转轴转动，其运动形式受限于转台的机械结构，角度运动的原点既是转台两个正交轴的交点，位置固定无法调节。
[0004]因此，针对目前通过转台测试MEMS倾角传感器所存在的动态特性不足、运动形式单一等问题，本专利技术提出一种倾角传感器的圆锥运动测试方法，通过其两自由度的倾角运动测试倾角传感器的动态特性，获取传感器实际测量环境的响应特性，保证倾角测量系统的有效性和可靠性，满足各工程应用领域对高性能倾角传感器的迫切需求。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提出一种倾角传感器的圆锥运动测试方法，通过Stewart 平台生成两自由度的倾角运动，测试倾角传感器的动态特性，解决转台测试方法所存在的动态特性不足、运动形式单一等不足。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为通过Stewart平台生成的绕Z 轴的圆锥运动，测试MEMS倾角传感器的动态特性。该方法包括：建立随动坐标系，通过运动控制器控制伺服电机驱动支链运动，生成绕Z轴的圆锥运动；通过激光跟踪仪校准Stewart平台的球铰坐标、虎克铰坐标、伸缩腿初始偏移等运动学参数，建立Stewart平台精确的位置正解模型，消除伺服电机闭环响应的振幅衰减和相位滞后影响；然后将MEMS倾角传感器安装在动平台上，通过位置正解模型解算实际的圆锥运动轨迹作为参考测量值，与倾角传感器的测量值相比较，完成对MEMS倾角传感器的测试与校准。
[0007]Stewart平台生成绕Z轴圆锥运动方法具体包括：
[0008]绕Z轴的圆锥运动通过绕XOY平面内的矢量OL旋转一定角度α，并且OL 在XOY平面
内以角速度ω旋转而形成，采用四元数方法描述圆锥运动：
[0009][0010]绕Z轴的圆锥运动的角速度如下所示：
[0011][0012]建立动平台的随动坐标系，使坐标系的原点与圆锥运动的锥点相重合。根据球铰中心在动平台坐标系和虎克铰中心在静平台坐标系中的位置坐标，通过 Stewart平台的位置逆解实时计算得到各伸缩腿的长度命令。通过运动控制器控制伺服电机驱动运动支链伸长或缩短，带动动平台，生成绕Z轴的圆锥运动。
[0013]实际的绕Z轴的圆锥运动测量方法具体包括：
[0014]采用激光跟踪仪校准Stewart平台的球铰坐标、虎克铰坐标、伸缩腿初始偏移等运动学参数，建立Stewart平台精确的位置正解模型。实时采集各伸缩腿的编码器读书，获得真实的腿长信息，通过位置正解模型解算动平台的实际位姿，得到实际的绕Z轴的圆锥运动。消除伺服电机闭环频率响应的振幅衰减和相位滞后影响。
[0015]基于圆锥运动的MEMS倾角传感器的测试方法具体包括：
[0016]将MEMS倾角传感器安装于Stewart平台的动平台上表面，控制Stewart平台生成一系列不同频率和角度的圆锥运动。通过位置正解模型由编码器读书解算实际的圆锥运动轨迹，作为参考测量值；与倾角传感器的测量值相比较，完成对 MEMS倾角传感器的测试与校准。
[0017]MEMS倾角传感器主要由三轴的加速度计和陀螺仪组成，可提供三个坐标轴轴向的角速度和加速度。
[0018]相对于倾角传感器参考坐标系，其加速度计的灵敏度为：
[0019][0020]其中，和是在圆锥运动激励下加速度计的X和Y轴振幅。
[0021]陀螺仪的灵敏度为：
[0022][0023]其中，和是在圆锥运动激励下陀螺仪的X和Y轴振幅。
[0024]倾角传感器的灵敏度由其翻滚角和俯仰角θ来表示，其灵敏度如下所示：
[0025][0026]其中和是倾斜输出的振幅。
附图说明
[0027]图1为本专利技术方法具体实施例中的Stewart平台示意图；
[0028]图2为本专利技术具体实时例中的绕Z轴的圆锥运动控制和测量流程图；
[0029]图3为本专利技术具体实施例中Stewart平台生成绕Z轴圆锥运动示意图；
[0030]图4为本专利技术具体实施例中生成绕Z轴的圆锥运动；
[0031]图5为本专利技术中的陀螺仪和加速度计的灵敏度轴坐标系；
[0032]图6为本专利技术具体实施例中的圆锥运动的陀螺仪灵敏度与传统转台测试的偏差；
[0033]图7为本专利技术具体实施例中的圆锥运动的倾角输出灵敏度与传统转台测试的偏差。
具体实施方式
[0034]为了测试倾角传感器的动态特性，解决转台测试方法所存在的动态特性不足、运动形式单一等不足，本专利技术提出一种倾角传感器的圆锥运动测试方法，通过 Stewart平台生成两自由度的倾角运动。下面结合附图和具体的实施实例对本专利技术做出详细描述。
[0035]参考图1为本专利技术方法的实施实例装置示意图，该装置主要包括：虎克铰1、移动关节2、球铰3、下支链4、上支链5、静平台6、动平台7、MEMS倾角传感器8、伺服电机9。上支链5和下支链4通过移动关节2连接，上支链5通过球铰3与动平台7链接，下支链4通过虎克铰1与静平台6连接；伺服电机9 安装在支链上，驱动支链运动，进而驱动动平台7运动，生成绕Z轴的圆锥运动，且锥点可根据需求进行改变。
[0036]MEMS倾角传感器8安装在动平台7上，对动平台7生成的圆锥运动进行实时测量。
[0037]参考图2为圆锥运动的控制和测量流程图，主要包括以下步骤：
[0038]步骤S10：设定Stewart动平台的预定圆锥运动；
[0039]步骤S20：根据预定运动轨迹，通过位置逆解计算六条运动支链长度；
[0040]步骤S30：通过运动控制器控制伺服电机旋转运动；
[0041]步骤S40：通过滚珠丝杠将旋转运动转换成运动支链的伸缩运动，由六条运动支链带动动平台运动；
[0042]步骤S50：此时MEMS倾角传感器对动平台的圆锥运动进行实时测量；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种倾角传感器的圆锥运动测试方法，其特征在于：该方法包括：建立随动坐标系，通过运动控制器控制伺服电机驱动支链运动，生成绕Z轴的圆锥运动；通过激光跟踪仪校准Stewart平台的球铰坐标、虎克铰坐标、伸缩腿初始偏移等运动学参数，建立Stewart平台精确的位置正解模型，消除伺服电机闭环响应的振幅衰减和相位滞后影响；然后将MEMS倾角传感器安装在动平台上，通过位置正解模型解算实际的圆锥运动轨迹作为参考测量值，与倾角传感器的测量值相比较，完成对MEMS倾角传感器的测试与校准；且Stewart平台生成绕Z轴的圆锥运动，且锥点根据需求进行改变。2.根据权利要求1所述的一种倾角传感器的圆锥运动测试方法，其特征在于：Stewart平台生成绕Z轴圆锥运动方法具体包括：绕Z轴的圆锥运动通过绕XOY平面内的矢量OL旋转一定角度α，并且OL在XOY平面内以角速度ω旋转而形成，采用四元数方法描述圆锥运动：绕Z轴的圆锥运动的角速度如下所示：建立动平台的随动坐标系，使坐标系的原点与圆锥运动的锥点相重合；根据球铰中心在动平台坐标系和虎克铰中心在静平台坐标系中的位置坐标，通过Stewart平台的位置逆解实时计算得到各伸缩腿的长度命令；通过运动控制器控制伺服电机驱动运动支链伸长或缩短，带动动平台，生成绕Z轴的圆锥运动。3.根据权利要求1所述的一种倾角传感器的圆锥运动测试方法，其特征在于：实际的绕Z轴的圆锥运动测量方法具体包括：采用激光跟踪仪校准Stewart平台的球铰坐标、虎克铰坐标、伸缩腿初始偏移等运动学参数，建立Stewart平台精确的位置正解模型；实时采集各伸缩腿的编码器读书，获得真实的腿长信息，通过位置正解模型解算动平台的实际位姿，得到实际的绕Z轴的圆锥运动；消除伺服电机闭环频率响应的振幅衰减和相位滞后影响。4.根据权利要求1所述的一种倾角传感器的圆锥运动测试方法，其特征在于：基于圆锥运动的MEMS倾角传感器的测试方法具体包括：将...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志华，符磊，蔡晨光，陶猛，张颖，叶文，夏岩，
申请(专利权)人：贵州大学，
类型：发明
国别省市：