CN103941885B - 一种基于惯性测量的操纵杆 - Google Patents

Abstract

一种基于惯性测量的操纵杆，本发明通过在基座（11）内分别设置X轴转块（3）和Y轴转块（8），可实现手柄任意方向的摇动；在X轴转块和Y轴转块的几何中心设置三轴加速度传感器（4），可测量手柄（1）摇动时的姿态，并解算得到手柄在水平两轴上位移比例数字信号，进而实现手柄摇动操作对受控对象的运动和姿态控制，本发明具有结构简单，集成度高、体积小、控制精度高，使用无磨损且寿命长的特点。

Description

一种基于惯性测量的操纵杆

【技术领域】

本发明涉及一种操纵杆，具体涉及一种基于惯性测量的操纵杆。

【背景技术】

已知的，操纵杆“又称控制手柄”作为一种常用人机交互接口，其可以将手柄在三维空间不同方向上的旋转动作转化为二维比例电信号输出，从而实现对受控对象的运动或姿态控制，由于其良好的人机工程学特性，被广泛应用于重型机械、雷达和导航系统、机器人、测量系统等领域的远程无线电控制等；目前，操纵杆按照工作原理的不同可分为三类：电位器类操纵杆、光电类操纵杆和霍尔效应类感应型操纵杆，其中电位器类操纵杆的核心器件是电位器，靠电刷在电阻体上的滑动取得与电刷位移成比例的电压输出，以此测量各轴的位移量，作为一种接触式机电元件，电位器具有易磨损，寿命短、体积大等缺点；光电类操纵杆利用光电编码器对各轴旋转运动进行编码和输出，尽管该型操纵杆具有成本低、寿命长等优点，但是其体积较大，集成度较低；霍尔效应类感应型操纵杆通过霍尔传感器感应磁场方向和强度的变化，将手柄位移量转化为霍尔电压信号输出，霍尔效应操纵杆属于非接触式设备，具有无磨损，寿命长等优点，但此类设备需要使用永磁元件、输出信号需模数转换处理，外围电路较复杂，设备体积和安装深度等指标难以得到提高等。

【发明内容】

为克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种基于惯性测量的操纵杆，本发明通过在基座内分别设置X轴转块和Y轴转块用于实现手柄的空间旋转功能，在Y轴转块上安装有电路板，电路板上的三轴加速度传感器位于X轴转块和Y轴转块的几何中心位置，即手柄的旋转中心处用于惯性测量，射频SoC用于姿态解算，旋转位移计算、编码和射频传输，进而实现手柄摇动操作对受控对象的运动和姿态控制，本发明具有体积小、控制精度高，使用无磨损的特点。

为实现如上所述的发明目的，本发明采用如下所述的技术方案：

一种基于惯性测量的操纵杆，包括手柄、上盖板、X轴转块、三轴加速度传感器、射频SOC、Y轴转块、基座和电路板，所述基座的底面上设有复位装置，所述复位装置的上端固定在Y轴转块下底面的中部，所述Y轴转块的上底面上设有电路板，所述电路板上分别设有射频SOC和三轴加速度传感器，在Y轴转块两相对边的外侧面上分别设有转轴A，所述两转轴A的外端分别活动设置在X轴转块的两相对边的侧边上，所述X轴转块的另外两相对边的外侧面上分别设有转轴B，所述两转轴B的外端分别活动设置在基座的侧边上，在Y轴转块的上面设有过渡板，所述过渡板的上端连接手柄，所述手柄通过上盖板活动设置在基座上形成所述的基于惯性测量的操纵杆。

所述的基于惯性测量的操纵杆，所述三轴加速度传感器设置在Y轴转块和X轴转块的几何中心位置。

所述的基于惯性测量的操纵杆，所述复位装置为复位弹簧或橡胶棒。

所述的基于惯性测量的操纵杆，所述X轴转块为方框形结构，在X轴转块的两相对边侧面的中部分别设有转轴安装孔，在X轴转块的另外两相对边外侧面的中部分别设有转轴B。

所述的基于惯性测量的操纵杆，所述X轴转块(3)具有包括转块A和转块B的替换结构，所述转块A为“[”形结构，在转块A开口边两侧面的外侧分别设有向外延伸的固定边A，在所述两固定边A的侧面上分别设有通孔，所述转块B为“[”形结构，在转块B开口边两侧面的外侧分别设有向外延伸的固定边B，在所述固定边B的外端的中部分别设有转轴B，在固定边B的侧面上分别设有丝孔，在转块A和转块B的底边的中部分别设有转轴安装孔。

所述的基于惯性测量的操纵杆，所述手柄上设有电源开关，所述电源开关连接电路板。

所述的基于惯性测量的操纵杆，所述上盖板的中部设有手柄安装孔。

所述的基于惯性测量的操纵杆，所述手柄的下端设有半球形连接件，在手柄的中部设有内孔，所述内孔连接过渡板。

所述的基于惯性测量的操纵杆，所述基座的前侧面的中部设有转轴固定孔，在基座的后侧面设有后盖板，所述后盖板的中部设有与基座前侧面相对应的转轴固定孔，在基座的上端设有上盖板。

所述的基于惯性测量的操纵杆，所述电路板14上设有晶振和电源插头，所述电源插头通过线路连接电源，所述电源设置在过渡板内或设置在基座的外部。

采用如上所述的技术方案，本发明具有如下所述的优越性：

本发明所述的一种基于惯性测量的操纵杆，本发明通过在基座内分别设置X轴转块和Y轴转块，可实现手柄任意方向的摇动；在X轴转块和Y轴转块的几何中心设置三轴加速度传感器，可测量手柄摇动时的姿态，并解算得到手柄在水平两轴上位移比例数字信号，进而实现手柄摇动操作对受控对象的运动和姿态控制，本发明具有结构简单，集成度高、体积小、控制精度高，使用无磨损且寿命长的特点。

【附图说明】

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明的爆炸结构示意图；

图3是本发明涉及刚体动力学及惯性测量原理的示意图；

图4是本发明涉及操纵杆中手柄绕基座旋转时姿态变化示意图；

图5是本发明涉及操纵杆工作流程实施例示意图；

在图中：1、手柄；2、上盖板；3、X轴转块；4、三轴加速度传感器；5、射频SOC；6、转轴A；7、复位弹簧；8、Y轴转块；9、转轴B；10、过渡板；11、基座；12、转轴固定孔；13、后盖板；14、电路板；15、晶振；16、电源插头。

【具体实施方式】

通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面的实施例；

结合附图1～2所述的一种基于惯性测量的操纵杆，包括手柄1、上盖板2、X轴转块3、三轴加速度传感器4、射频SOC5、Y轴转块8、基座11和电路板14，所述基座11的底面的中部设有沉孔，所述沉孔内设有用于手柄1复位的复位装置，所述复位装置为复位弹簧7或橡胶棒，其中优选复位弹簧7，所述复位装置的上端固定在Y轴转块8下底面的中部，为了提高复位装置的稳定性，在Y轴转块8下底面的中部设有向下延伸环形凸台，所述复位装置的上端套接在环形凸台的外缘面上或插接在环形凸台的内孔中，所述Y轴转块8的上底面上设有电路板14，所述电路板14上分别设有射频SOC5、三轴加速度传感器4、晶振15和用于连接电源的电源接头16，所述三轴加速度传感器4用于手柄1摇动过程中的惯性测量和姿态计算，射频SoC5用于三轴加速度传感器4输出的采样、解算、编码和传输；在Y轴转块8两相对边的外侧面上分别设有转轴A6，所述两转轴A6的外端分别活动设置在X轴转块3的两相对边的侧边上，所述X轴转块3为方框形结构，在X轴转块3的两相对边侧面的中部分别设有转轴安装孔，在X轴转块3的另外两相对边外侧面的中部分别设有转轴B9，为了更好的实施本发明，所述X轴转块(3)具有包括转块A和转块B的替换结构，所述转块A为“[”形结构，在转块A开口边两侧面的外侧分别设有向外延伸的固定边A，在所述两固定边A的侧面上分别设有通孔，所述转块B为“[”形结构，在转块B开口边两侧面的外侧分别设有向外延伸的固定边B，在所述固定边B的外端的中部分别设有转轴B9，在固定边B的侧面上分别设有丝孔，在转块A和转块B的底边的中部分别设有转轴安装孔；

进一步，所述X轴转块3的另外两相对边的外侧面上分别设有转轴B9，所述两转轴B9的外端分别活动设置在基座11的侧边上，所述三轴加速度传感器4设置在Y轴转块8和X轴转块3的几何中心位置的电路板14上，在Y轴转块8的上面设有过渡板10，所述过渡板10的上端连接手柄1的下端，所述手柄1的下端设有半球形连接件，在手柄1的中部设有内孔，所述内孔连接过渡板10，手柄1通过上盖板2活动设置在基座11上，所述上盖板2的中部设有手柄安装孔，手柄1下端的半球形连接件在手柄安装孔内活动设置，所述基座11的前侧面的中部设有转轴固定孔12，在基座11的后侧面设有后盖板13，所述后盖板13的中部设有与基座11前侧面相对应的转轴固定孔12，在基座11的上端设有上盖板2，所述手柄1上设有电源开关，所述电源开关连接电路板14，所述电路板14上设有晶振15和电源插头16，所述电源插头16通过线路连接电源，所述电源设置在过渡板10内或设置在基座11的外部形成所述的基于惯性测量的操纵杆，所述电源设置在过渡板10内时电源为干电池，电源设置在基座11的外部时为干电池或经过变压后的市电。

本发明中所述的三轴加速度传感器4安装于手柄1绕基座11旋转的中心处，由于该位置处复合加速度为0，基于加速度计比力输出可解算得到手柄1在任意位置时的姿态。

结合附图3，进一步说明本发明相关解算的原理：

本发明可以将手柄看作一刚性载体，在其上建立载体坐标系O_bX_bY_bZ_b，坐标原点O_b在手柄旋转中心处，手柄长轴方向为Z向，则载体系与地平坐标系O_lX_lY_lZ_l间的坐标变换关系可用以下方向余弦矩阵表示：C＝[c_x c_y c_z] (1)

其中：

(1)式中，φ,θ,ψ分别表示载体系相对地平系旋转的横滚角、仰俯角和偏航角，用于描述手柄的运动姿态。

对于手柄上某一定点P，如图3所示，以下矢径方程在地平坐标系下成立：

R_lp＝R_lb+L_bp(2)

对(2)式两端求二阶导数，根据哥氏定理有：

(3)式中，为手柄P点处的复合加速度，为手柄旋转中心的对地线加速度，ω_lb为手柄对地旋转角速度。

由于方向余弦矩阵C非奇异，对(3)式两端左乘C^T，并记L＝C^TL_bp、ω＝C^Tω_bp可将(3)式在载体系下重写为：

在P点处安装三轴加速度传感器4，设其比力输出值为F＝[f_x f_y f_z]^T，当地重力加速度为G＝[0 0 g]^T，则有：

代入(4)式，得：

三轴加速度传感器4安装在手柄1旋转中心处，即P点与载体系坐标原点重合，故有：L＝[0 0 0]^T；此外，手柄相对基座仅有旋转运动作，故即：杆体旋转中心无对地加速度。此时(5)式可简化为：

F＝C^TG (6)

将(1)式代入(6)式得：

由于-π/2＜φ,θ＜π/2，根据(7)式可得：

根据操纵杆的机械结构可知，手柄1旋转过程中偏航角无变化，即：ψ＝0，故方向余弦矩阵可化简为：

结合附图4，进一步说明手柄1空间位置在地平坐标系X轴、Y轴上投影长度的计算：

假设本发明的手柄1与地平坐标系X、Y、Z三轴的夹角分别为：α,β,γ，并将手柄1上载体系Z轴看作一单位向量，则该向量在地平坐标系三坐标轴上的投影可用向量[cosα cosβ cosγ]^T表示，且根据(9)式，以下关系成立：

取地平坐标系下X、Y轴分量：d＝[cosφsinθ -sinφ]^T作为有效水平线性位移度量，根据(8)式可得d的解析式：

本发明水平放置或安装时，基座11与水平面不一定完全平行，故计算得到的水平线性位移存在一个常值误差ε＝[ε_x ε_y]^T，该误差对应操纵杆静止时装置的输出d₀，因此有：

其中，为装置静止时加速度计的三轴输出值。故校准后的水平线性位移量可表示为：

d'＝d-d₀ (12)

通过设置机械限位，可将手柄1的可旋转角度限定在一特定范围范围[-ω,ω]，其中，ω∈(0,π/2)。故水平线性位移量d'在地平坐标系X轴、Y轴分量d_x'、d_y'的取值范围为[-sinω,sinω]。根据USB HID规范，假设本发明X轴位移信号由左至右、Y轴由上至下采用无符号N位编码，本发明两轴输出量out_x,out_y∈[0,2^N-1]，故有：

结合附图5，本发明中三轴加速度传感器4和射频SOC5的工作流程主要包括如下步骤：加速度数据采样，姿态角计算，手柄位移水平投影计算，数据校准，HID编码和射频输出。

第一步：加速度数据采样：微处理器通过SPI或I2C总线以一定的频率获得加速度计三轴加速度数据：F＝[f_x f_y f_z]；

第二步：姿态角计算：根据(8)式计算姿态角φ和θ；

第三步：计算手柄位移的水平投影：根据(9)式和(10)式计算手柄在地平坐标系X、Y轴上的投影，即水平位移量的比例值：d＝[cosφsinθ -sinφ]^T；

第四步：数据校准：根据(11)式，由操纵杆静态输出可计算操纵杆常值误差；然后根据(12)式对手柄水平位移量的比例值进行校正；

第五步：HID编码和射频输出：按照HID编码长度和范围，根据(13)式，对手柄水平位移量的比例值进行编码，最后经射频接口送主机USB总线。

本发明仅使用三轴加速度传感器比力输出解算得到手柄1在水平两轴上位移比例数字信号，进而实现手柄1摇动操作对受控对象的运动和姿态控制。

本发明未详述部分为现有技术。

为了公开本发明的目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。

Claims (10)

1.一种基于惯性测量的操纵杆，包括手柄(1)、上盖板(2)、X轴转块(3)、三轴加速度传感器(4)、射频SOC(5)、Y轴转块(8)、基座(11)和电路板(14)，其特征是：所述基座(11)的底面上设有复位装置，所述复位装置的上端固定在Y轴转块(8)下底面的中部，所述Y轴转块(8)的上底面上设有电路板(14)，所述电路板(14)上分别设有射频SOC(5)和三轴加速度传感器(4)，在Y轴转块(8)两相对边的外侧面上分别设有转轴A(6)，所述两转轴A(6)的外端分别活动设置在X轴转块(3)的两相对边的侧边上，所述X轴转块(3)的另外两相对边的外侧面上分别设有转轴B(9)，所述两转轴B(9)的外端分别活动设置在基座(11)的侧边上，在Y轴转块(8)的上面设有过渡板(10)，所述过渡板(10)的上端连接手柄(1)，所述手柄(1)通过上盖板(2)活动设置在基座(11)上形成所述的基于惯性测量的操纵杆。

2.根据权利要求1所述的基于惯性测量的操纵杆，其特征是：所述三轴加速度传感器(4)设置在Y轴转块(8)和X轴转块(3)的几何中心位置。

3.根据权利要求1所述的基于惯性测量的操纵杆，其特征是：所述复位装置为复位弹簧(7)或橡胶棒。

4.根据权利要求1所述的基于惯性测量的操纵杆，其特征是：所述X轴转块(3)为方框形结构，在X轴转块(3)的两相对边侧面的中部分别设有转轴安装孔，在X轴转块(3)的另外两相对边外侧面的中部分别设有转轴B(9)。

5.根据权利要求1所述的基于惯性测量的操纵杆，其特征是：所述X轴转块(3)具有包括转块A和转块B的替换结构，所述转块A为“[”形结构，在转块A开口边两侧面的外侧分别设有向外延伸的固定边A，在所述两固定边A的侧面上分别设有通孔，所述转块B为“[”形结构，在转块B开口边两侧面的外侧分别设有向外延伸的固定边B，在所述固定边B的外端的中部分别设有转轴B(9)，在固定边B的侧面上分别设有丝孔，在转块A和转块B的底边的中部分别设有转轴安装孔。

6.根据权利要求1所述的基于惯性测量的操纵杆，其特征是：所述手柄(1)上设有电源开关，所述电源开关连接电路板(14)。

7.根据权利要求1所述的基于惯性测量的操纵杆，其特征是：所述上盖板(2)的中部设有手柄安装孔。

8.根据权利要求1所述的基于惯性测量的操纵杆，其特征是：所述手柄(1)的下端设有半球形连接件，在手柄(1)的中部设有内孔，所述内孔连接过渡板(10)。

9.根据权利要求1所述的基于惯性测量的操纵杆，其特征是：所述基座(11)的前侧面的中部设有转轴固定孔(12)，在基座(11)的后侧面设有后盖板(13)，所述后盖板(13)的中部设有与基座(11)前侧面相对应的转轴固定孔(12)，在基座(11)的上端设有上盖板(2)。

10.根据权利要求1所述的基于惯性测量的操纵杆，其特征是：所述电路板(14)上设有晶振(15)和电源插头(16)，所述电源插头(16)通过线路连接电源，所述电源设置在过渡板(10)内或设置在基座(11)的外部。