[发明专利]Stewart平台姿态测量装置及测量方法

说明书

技术领域

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

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。

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究中的关键技术之一，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,α,β,γ)^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—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。

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。

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究方案越来越重视，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详细研究了基于六加速度计配置的算法。国内的研究刚刚起步，主要进行此方向研究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，但目前研究内容主要涉及到不同应用领域加速度计配置方案的研究，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

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。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：