CN102680739A - 六维加速度传感器标定平台及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布一种六维加速度传感器标定平台及标定方法，属于多维加速度传感器领域或者捷联式惯性导航领域。本发明通过两个带圆柱销的水平转盘分别带动两块带滑槽的滑移平台沿各自导轨实现往复运动；在其中一块滑移平台上安装两个齿轮，固接在齿轮上的转轴端面通过倾角斜块分别连接标准加速度传感器和待标定六维加速度传感器，另一块滑移平台上安装一个齿条，微调机构可用于调节齿轮与齿条的间距；通过控制齿轮齿条的拟合、脱离状态以及两个电机的转、停状态可以实现不同工作方式下六维加速度传感器的全面标定。

Description

六维加速度传感器标定平台及标定方法

技术领域

本发明属于多维加速度传感器领域或者捷联式惯性导航领域，涉及一种六维加速度传感器标定平台及其标定方法，更具体地说，涉及到六维加速度传感器在空间三个正交方向上线加速度以及角加速度的标定技术。

背景技术

传感器的标定是指在明确待测信号输入与输出变换关系的前提下，通过实验利用某种标准器具对传感器的量值进行标定，进而对新研制或生产的传感器进行全面的技术鉴定。航空航天、机器人、生物医疗等领域迫切需要提供运动载体加速度的全面信息以实现精确、稳定的动力学控制，六维加速度传感器即在这样的环境下诞生了。目前国内外对六维加速度传感器的研究还处于探索阶段，各项性能还远远低于应用需求，其中一个重要的原因就是缺乏满足标定要求的六维加速度传感器标定平台。六维加速度传感器的标定方法有绝对法和相对法两种：绝对法是用高精度的设备（如激光跟踪仪等）测量待测载体的位移，进而通过两次数值微分计算加速度，该方法存在动态测量性能差、数值累积误差大、信噪比小、实现困难且成本大等缺点；相对法是将全部性能参数均已知的标准加速度传感器与待标定六维加速度传感器背靠背地安装在六维加速度传感器的标定平台上，通过激励标定平台并由测量得到的输出关系辨识待标定传感器的结构参数，估计并补偿输出误差，得到传感器的各项技术性能。由于目前单轴加速度计以及陀螺仪的测量精度较高，可将其用作为标准加速度传感器，固接在标准加速度传感器与标定平台之间的倾角斜块的倾角为已知量，也即容易获取标定平台加速度的六个分量，因此六维加速度传感器的相对法标定成为首选。满足相对法标定要求的六维加速度传感器标定平台必须具备如下特点：（1）结构简单、传动件个数及类型少、装拆方便，确保标定过程中的误差源少；（2）电机台数少，且标定过程中每台电机仅做单向匀速转动；（3）平台机构传动平稳，无跳跃现象，可长时间稳定运行；（4）标准传感器和待标定传感器安装位置处感应到的六维加速度完全相同，且为简单的正余弦函数；（5）电机控制方便，仅通过调节电机转速即可实现不同幅值和频率的加速度输出；（6）能够输出多种方式的运动。

申请号为201010236968.6的发明专利公布了一种六维加速度传感器标定平台，回转平台的往复圆周运动为传感器提供六维加速度场，通过改变位姿平台在回转平台上的位置来改变加速度幅值。通过分析，该发明存在如下3点不足：（1）标定角加速度时，电机需要做恒角加速度转动，由于发热量较大，电机受损较严重；（2）由于对应安装位置的不同，利用该平台不能实现线加速度和角加速度的同步标定，也即缺少完整的标定信息；（3）位姿变换平台上仅能放置一个传感器，对比信息完全来自回转平台的输入，无其它参考输出量，故标定精度较低。文献《一种压电式六维加速度传感器的校准方法研究》提出一种标定方法，即首先将六维加速度传感器固定在线激振设备上，通过分析各加速度计的输出幅值解算其输出误差和安装姿态误差；接着将传感器固定在角激振设备上，通过分析各加速度计的输出幅值解算其安装位置误差。通过分析，该方法存在如下2点不足：（1）线加速度标定和角加速度标定分别在不同的标定设备上进行，对应的静态输出漂移量不同，故标定效果不够理想；（2）由于标定平台无法输出空间六维运动，仅能对各单轴线加速度计进行标定，故无法标定单元之间的尺度系数以及耦合关系。综述所述，六维加速度传感器在相对法标定过程中普遍存在三个难点问题：（1）标准传感器与待标定传感器在标定平台上的安装坐标系无法保持重合，从而导致两者感应到的六维加速度（尤其是线加速度）不一致；（2）标定过程中通常需要单频率或多频率标准正余弦函数加速度的激励，驱动电机会由于频繁的往复变速转动而遭到严重破损；（3）线加速度以及角加速度需要分别激励，无法实现六维加速度传感器的同步标定。从目前报道出的六维加速度传感器的标定平台或标定方法来看，还没有能够同时解决以上三个问题的有效设计思路或方案。有学者试图利用已有的六维力传感器标定平台来标定六维加速度传感器，但仅仅能够实现静态标定，而无法实现六维加速度传感器的动态标定。因此，迫切需要提出一种合理的可供使用的六维加速度传感器标定平台来实现六维加速度传感器的全面标定，以推动六维加速度传感器的实用化和仪器化进程。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种工作稳定、标定信息全面、标定精度高的六维加速度传感器标定平台以及利用该平台实现六维加速度传感器的标定方法。

一种六维加速度传感器标定平台，其特征在于：包括水平基座、第一直线驱动机构、第二直线驱动机构；上述第一直线驱动机构和第二直线驱动机构结构相同，均由一个安装于水平基座上的电机、通过联轴器与电机输出轴相联的水平转盘、安装于水平转盘上的圆柱销，安装于水平基座上分别位于电机两侧的一对水平导轨，安装于该对水平导轨上的滑移平台组成；该滑移平台上还具有与水平导轨垂直的水平滑槽，水平转盘上的圆柱销与该水平滑槽配合。 上述第一直线驱动机构的滑移平台固定有一支撑台，支撑台上安装有两个转动机构；每个转动机构结构相同，均由通过轴承安装于支撑台上的转轴、固定于转轴上的齿轮组成；上述两个转动机构中共两个齿轮它们的齿轮中心连线平行于水平导轨；上述两个转动机构中其中一个转动机构的转轴上端安装有倾角斜块和标准加速度传感器，另一个转动机构的转轴上端安装有倾角斜块和待标定六维加速度传感器；上述共两个倾角斜块倾角相等。上述第二直线驱动机构的滑移平台上固定有固定板，固定板上安装有调整板，调整板上固定有与水平导轨平行的齿条；上述固定板上还安装有用于调节调整板相对固定板距离的螺钉。所述调整板上开有圆柱式通孔，固定板上开有滑槽式通孔，两板在通孔处配合。所述调整板、螺钉以及固定板组合成用于调节齿轮与齿条间距的微调机构。

利用所述标定平台的六维加速度传感器标定方法，其特征在于包括以下过程：

（一）基本过程：

第一直线驱动机构的电机和第二直线驱动机构的电机分别以角速度ω₁、ω₂驱动相应水平转盘匀速转动，水平转盘上的圆柱销在所述滑移平台上的水平滑槽内移动，进而推动滑移平台沿导轨往复运动。

第一直线驱动机构的滑移平台和第二直线驱动机构的滑移平台的线位移函数分别为s₁=r₁cos(ω₁t)和s₂=r₂cos(ω₂t)，其中r₁ 、r₂分别表示圆柱销轴心与对应水平转盘转轴轴心在水平转盘平面上投影的间距。

第一直线驱动机构的滑移平台和第二直线驱动机构的滑移平台的线加速度函数分别为a₁=r₁ω₁ ²cos(ω₁t)和a₂=r₂ω₂ ²cos(ω₂t)；显然，a₁ 也代表转轴轴心的线加速度， a₂也表示齿条（7）的线加速度。通过替换不同倾角的倾角斜块使得三个正交方向上加速度分量大小比例变化，用于获取全面的标定信息。

（二）通过以下五种标定方式之一实现相应标定：

第一种标定方式：通过螺钉调节齿条和齿轮间的距离，实现齿轮齿条的拟合，两个齿轮获得了相同大小和方向的角加速度，两个齿轮角加速度函数为ε=( a₁- a₂)/ r₃=(r₁/ r₃)ω₁ ²cos(ω₁t)- (r₂/ r₃)ω₂ ²cos(ω₂t)，其中，r₃为齿轮的节圆半径；待标定六维加速度传感器线加速度a=r₁ω₁ ²cos(ω₁t)，待标定六维加速度传感器角加速度ε= (r₁/ r₃)ω₁ ²cos(ω₁t)- (r₂/ r₃)ω₂ ²cos(ω₂t)，该工作方式用于实施多频率线加速度和角加速度的同步标定。

第二种标定方式：第一直线驱动机构中的电机正常运转，第二直线驱动机构中的电机抱闸，即满足ω₂=0，齿轮齿条保持拟合关系，此时标准传感器和待标定六维加速度传感器的加速度相同，其中待标定六维加速度传感器的线加速度和角加速度分别为a=r₁ω₁ ²cos(ω₁t)、ε= (r₁/ r₃)ω₁ ²cos(ω₁t)，该工作方式用于实施单频率线加速度和角加速度的同步标定。

第三种标定方式：第一直线驱动机构中的电机正常运转，第二直线驱动机构中的电机抱闸，使得齿轮与齿条脱离拟合关系，则标准传感器和待标定六维加速度传感器的角加速度大小均为0，线加速度大小均为a=r₁ω₁ ²cos(ω₁t)，该工作方式用于实施线加速度的单独标定。

第四种标定方式：第二直线驱动机构中的电机正常运转，第一直线驱动机构中的电机抱闸，即ω₁=0，齿轮齿条保持拟合关系，此时标准传感器和待标定六维加速度传感器的线加速度大小均为0，角加速度大小均为ε= (r₂/ r₃)ω₂ ²cos(ω₂t)，该工作方式用于实施角加速度的单独标定。

第五种标定方式：第一直线驱动机构和第二直线驱动机构中的电机均抱闸，即满足ω₁=ω₂=0，此时标准传感器和待标定六维加速度传感器的线加速度和角加速度均为0，该工作方式用于实施线加速度和角加速度的静态标定。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）标定精度完全由倾角斜块的加工精度来保证，待标定六维加速度传感器和标准加速度传感器装拆方便，且两者感应到的加速度信息（包括大小和方向）完全相同，真正解决了安装坐标系无法一致的难题。（2）驱动电机仅需做单向匀速转动，即可实现单频率或多频率正余弦函数加速度的标定，且通过调节电机的转速，即可方便改变标定信号的幅值和频率，保证了标定平台能够长时间稳定工作，这样在同一环境下即可以获取更多组实验数据。（3）不但可以单独实现线加速度标定、单独实现角加速度标定，而且可以实现线加速度和角加速度的同步标定；不但可以实现静态标定，而且可以实现动态标定；不但可以实现单频率加速度激励标定，而且可以实现多频率加速度激励标定。这样，标定信息全面，可以覆盖六维加速度传感器的所有工作方式，保证了标定的精度较高。综上可见，本发明涉及到的一种六维加速度传感器标定平台及其标定方法能够真正解决传统相对法标定过程中普遍存在的难点问题，能够有效突破六维加速度传感器在实用化、仪器化进程中遇到的技术瓶颈。

附图说明

图1为本发明的六维加速度传感器标定平台模型的前视图；

图2为本发明的六维加速度传感器标定平台模型的后视图；

图3为本发明的传动系统；

图4为本发明的驱动系统；

图5为本发明的微调机构；

图中标号名称：1、水平转盘，2、圆柱销，3、水平导轨，4、联轴器，5、电机，6、滑移平台，7、齿条，8、调整板，9、螺杆，10、倾角斜块，11、标准加速度传感器，12、待标定六维加速度传感器，13、转轴，14、齿轮，15、支撑台，16、固定板。

具体实施方式

第一直线驱动机构的电机5和第二直线驱动机构的电机5分别以角速度ω₁、ω₂驱动相应水平转盘1匀速转动，水平转盘1上的圆柱销在所述滑移平台6上的水平滑槽内移动，进而推动滑移平台6沿导轨往复运动。第一直线驱动机构的滑移平台6和第二直线驱动机构的滑移平台6的线位移函数分别为s₁=r₁cos(ω₁t)和s₂=r₂cos(ω₂t)，其中r₁ 、r₂分别表示圆柱销轴心与对应水平转盘转轴轴心在水平转盘平面上投影的间距。第一直线驱动机构的滑移平台6和第二直线驱动机构的滑移平台6的线加速度函数分别为a₁=r₁ω₁ ²cos(ω₁t)和a₂=r₂ω₂ ²cos(ω₂t)；显然，a₁ 也代表转轴13轴心的线加速度， a₂也表示齿条7的线加速度。通过替换不同倾角的倾角斜块10使得三个正交方向上加速度分量大小比例变化，用于获取全面的标定信息。通过控制齿轮齿条的拟合、脱离状态以及两个电机的转、停状态实现不同工作方式下六维加速度传感器的全面标定。

第一种标定方式：通过螺钉9调节齿条7和齿轮14间的距离，实现齿轮齿条的拟合，两个齿轮获得了相同大小和方向的角加速度，两个齿轮角加速度函数为ε=( a₁- a₂)/ r₃=(r₁/ r₃)ω₁ ²cos(ω₁t)- (r₂/ r₃)ω₂ ²cos(ω₂t)，其中，r₃为齿轮的节圆半径；待标定六维加速度传感器线加速度a=r₁ω₁ ²cos(ω₁t)，待标定六维加速度传感器角加速度ε= (r₁/ r₃)ω₁ ²cos(ω₁t)- (r₂/ r₃)ω₂ ²cos(ω₂t)，该工作方式用于实施多频率线加速度和角加速度的同步标定。

第二种标定方式：第一直线驱动机构中的电机正常运转，第二直线驱动机构中的电机抱闸，即满足ω₂=0，齿轮齿条保持拟合关系，此时标准传感器和待标定六维加速度传感器的加速度相同，其中待标定六维加速度传感器的线加速度和角加速度分别为a=r₁ω₁ ²cos(ω₁t)、ε= (r₁/ r₃)ω₁ ²cos(ω₁t)，该工作方式用于实施单频率线加速度和角加速度的同步标定。

第三种标定方式：第一直线驱动机构中的电机正常运转，第二直线驱动机构中的电机抱闸，使得齿轮与齿条脱离拟合关系，则标准传感器和待标定六维加速度传感器的角加速度大小均为0，线加速度大小均为a=r₁ω₁ ²cos(ω₁t)，该工作方式用于实施线加速度的单独标定。

第四种标定方式：第二直线驱动机构中的电机正常运转，第一直线驱动机构中的电机抱闸，即ω₁=0，齿轮齿条保持拟合关系，此时标准传感器和待标定的六维加速度传感器的线加速度大小均为0，角加速度大小均为ε= (r₂/ r₃)ω₂ ²cos(ω₂t)，该工作方式用于实施角加速度的单独标定。

第五种标定方式：第一直线驱动机构和第二直线驱动机构中的电机均抱闸，即满足ω₁=ω₂=0，此时标准传感器和待标定六维加速度传感器的线加速度和角加速度均为0，该工作方式用于实施线加速度和角加速度的静态标定。

Claims (2)

1.一种六维加速度传感器标定平台，其特征在于：

包括水平基座、第一直线驱动机构、第二直线驱动机构；上述第一直线驱动机构和第二直线驱动机构结构相同，均由一个安装于水平基座上的电机（5）、通过联轴器（4）与电机输出轴相联的水平转盘（1）、安装于水平转盘上的圆柱销（2），安装于水平基座上分别位于电机（5）两侧的一对水平导轨（3），安装于该对水平导轨上的滑移平台（6）组成；该滑移平台（6）上还具有与水平导轨（3）垂直的水平滑槽，水平转盘（1）上的圆柱销（2）与该水平滑槽配合；

上述第一直线驱动机构的滑移平台（6）固定有一支撑台（15），支撑台上安装有两个转动机构；每个转动机构结构相同，均由通过轴承安装于支撑台（15）上的转轴（13）、固定于转轴（13）上的齿轮（14）组成；上述两个转动机构中共两个齿轮（14）它们的齿轮中心连线平行于水平导轨（3）；上述两个转动机构中其中一个转动机构的转轴上端安装有倾角斜块（10）和标准加速度传感器（11），另一个转动机构的转轴上端安装有倾角斜块（10）和待标定六维加速度传感器（12）；上述共两个倾角斜块（10）倾角相等；

上述第二直线驱动机构的滑移平台（6）上固定有固定板（16），固定板（16）上安装有调整板（8），调整板（8）上固定有与水平导轨（3）平行的齿条（7）；上述固定板上还安装有用于调节调整板相对固定板距离的螺钉（9）。

2.根据权利要求1所述标定平台的六维加速度传感器标定方法，其特征在于包括以下过程：

（一）基本过程：

第一直线驱动机构的电机（5）和第二直线驱动机构的电机（5）分别以角速度ω₁、ω₂驱动相应水平转盘（1）匀速转动，水平转盘（1）上的圆柱销在所述滑移平台（6）上的水平滑槽内移动，进而推动滑移平台（6）沿导轨往复运动；

第一直线驱动机构的滑移平台（6）和第二直线驱动机构的滑移平台（6）的线位移函数分别为s₁=r₁cos(ω₁t)和s₂=r₂cos(ω₂t)，其中r₁ 、r₂分别表示圆柱销轴心与对应水平转盘转轴轴心在水平转盘平面上投影的间距；

第一直线驱动机构的滑移平台（6）和第二直线驱动机构的滑移平台（6）的线加速度函数分别为a₁=r₁ω₁ ²cos(ω₁t)和a₂=r₂ω₂ ²cos(ω₂t)；显然，a₁ 也代表转轴（13）轴心的线加速度， a₂也表示齿条（7）的线加速度；

通过替换不同倾角的倾角斜块（10）使得三个正交方向上加速度分量大小比例变化，用于获取全面的标定信息；

（二）通过以下五种标定方式之一实现相应标定：

第一种标定方式：通过螺钉（9）调节齿条（7）和齿轮（14）间的距离，实现齿轮齿条的拟合，两个齿轮获得了相同大小和方向的角加速度，两个齿轮角加速度函数为ε=( a₁- a₂)/ r₃=(r₁/ r₃)ω₁ ²cos(ω₁t)- (r₂/ r₃)ω₂ ²cos(ω₂t)，其中，r₃为齿轮的节圆半径；待标定六维加速度传感器线加速度a=r₁ω₁ ²cos(ω₁t)，待标定六维加速度传感器角加速度ε= (r₁/ r₃)ω₁ ²cos(ω₁t)- (r₂/ r₃)ω₂ ²cos(ω₂t)，该工作方式用于实施多频率线加速度和角加速度的同步标定；

第二种标定方式：第一直线驱动机构中的电机正常运转，第二直线驱动机构中的电机抱闸，即满足ω₂=0，齿轮齿条保持拟合关系，此时标准传感器和待标定六维加速度传感器的加速度相同，其中待标定六维加速度传感器的线加速度和角加速度分别为a=r₁ω₁ ²cos(ω₁t)、ε= (r₁/ r₃)ω₁ ²cos(ω₁t)，该工作方式用于实施单频率线加速度和角加速度的同步标定；

第三种标定方式：第一直线驱动机构中的电机正常运转，第二直线驱动机构中的电机抱闸，使得齿轮与齿条脱离拟合关系，则标准传感器和待标定的六维加速度传感器的角加速度大小均为0，线加速度大小均为a=r₁ω₁ ²cos(ω₁t)，该工作方式用于实施线加速度的单独标定；

第四种标定方式：第二直线驱动机构中的电机正常运转，第一直线驱动机构中的电机抱闸，即ω₁=0，齿轮齿条保持拟合关系，此时标准传感器和待标定的六维加速度传感器的线加速度大小均为0，角加速度大小均为ε= (r₂/ r₃)ω₂ ²cos(ω₂t)，该工作方式用于实施角加速度的单独标定；

第五种标定方式：第一直线驱动机构和第二直线驱动机构中的电机均抱闸，即满足       ω₁=ω₂=0，此时标准加速度传感器和待标定六维加速度传感器的线加速度和角加速度均为0，该工作方式用于实施线加速度和角加速度的静态标定。

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