[发明专利]一种倾角传感器的圆锥运动测试方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于计量测试领域，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。

背景技术

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。

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。

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，本发明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。

发明内容

本发明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。

为了实现上述目的，本发明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。

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。

实际的绕Z轴的圆锥运动测量方法具体包括：