[发明专利]一种球形电机多自由度姿态测量系统及方法

说明书

本发明提供了一种球形电机多自由度姿态测量系统及方法，属于传感器技术领域，测量系统包括：传感器固定模块、霍尔传感器和球关节；霍尔传感器安装在传感器固定模块，且关于球关节中心对称分布；球关节支持绕三轴转动；电机中的转子用于在转子永磁体与定子线圈之间的力矩驱动下三自由度转动；测量磁体用于根据转子的转动发生姿态变化，进而影响霍尔传感器处的磁场值发生变化；霍尔传感器用于采集其所在位置的磁场值；磁场值用于实时计算转子永磁体的姿态。本发明避免了现有球形电机由于存在磁场的影响以及偏航角不易测量导致位姿控制非常困难且控制精度极差的问题。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，更具体地，涉及一种球形电机多自由度姿态测量系统及方法。

背景技术

球形电机是一种可以通过直驱控制的三自由度旋转系统，与传统的多自由度旋转系统相比，具有结构紧凑，易于实现精确位姿控制的优点。为了控制球形电机的姿态，必须对球形电机的姿态进行实时地准确地测量。

理论上来说，三轴加速度计，三轴陀螺仪和三轴地磁计均可以解算球形电机的姿态。但是，三轴加速度计对振动比较敏感容易受到高频干扰，且加速度计不能测量自转角度；三轴陀螺仪由于漂移的存在，测量球形电机姿态的误差会随着时间累积。因此一般使用九轴惯性测量单元进行姿态融合，但是在电机使用环境下，由于通过电机线圈和永磁体产生的磁场远大于地磁场，地磁计将不能使用。若使用6轴的惯性测量单元进行姿态融合，则由于加速度计不能测量偏航角，因此不能对偏航角进行融合，偏航角的测量由于陀螺仪的漂移会随着时间累积。且对于偏航角而言，陀螺仪的测量属于相对测量，也不便于在控制过程中寻找到偏航角的初始位置。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种球形电机多自由度姿态测量系统及方法，旨在解决现有的球形电机由于存在磁场的影响以及偏航角不易测量导致位姿控制非常困难且控制精度极差的问题。

为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种球形电机多自由度姿态测量系统，包括：传感器固定模块、霍尔传感器、测量磁铁和球关节；霍尔传感器安装在传感器固定模块；其分为两组，每组有若干个，组间对应的两霍尔传感器关于球关节中心对称分布，采用差分方式抵消干扰磁场的影响；球关节支持绕三轴转动；

球形电机包括定子、定子线圈、转子、转子永磁体和输出轴；最外层的转子和/或定子呈球形；定子线圈与转子永磁体关于球关节中心对称分布；输出轴、转子与球关节固连；关于球关节中心对称分布的两转子永磁体为一组，则同组的两转子永磁体的充磁方向相同，相邻两组的转子永磁体充磁方向相反；测量磁铁的磁化方向与输出轴垂直；其中，干扰磁场为转子永磁体和线圈共同作用在霍尔传感器上产生的磁场；

转子用于在转子永磁体与定子线圈之间的力矩驱动下三自由度转动；测量磁铁用于根据转子的转动发生姿态变化，进而影响霍尔传感器处的测量磁场值发生变化；霍尔传感器处的测量磁场值为输出轴自转产生的磁场在霍尔传感器处的磁场值；霍尔传感器用于采集其所在位置的测量磁场值；测量磁场值用于实时计算转子永磁体的姿态。

优选地，球形电机的转子与定子同心设置，定子位于转子的内侧；转子的内表面设置有转子永磁体；在定子的外表面设置有定子线圈；输出轴贯穿球关节，与测量磁铁固连；

优选地，定子线圈均匀分布于定子外表面，且转子永磁体均匀分布于转子内表面；

优选地，传感器固定模块为PCB；

优选地，测量磁铁在不发生干涉的前提下，尽可能靠近传感器；

优选地，球关节材料不易被磁化；

优选地，霍尔传感器为三轴霍尔传感器；

优选地，测量磁铁的形状为圆柱形磁铁、方形磁铁或者球形磁铁。

另一方面，基于本发明提供了一种球形电机多自由度姿态测量系统，本发明提供了相应的球形电机多自由度姿态测量方法，包括以下步骤：