CN105667350A - 防晕稳定机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防晕稳定机构，适于车、船等交通工具。该稳定机构包括：与交通工具固联的下平台、三个作动器、机构控制器、关节和与设施相固连的上平台。下平台上固定的机构控制器感知交通工具的姿态变化，并据此控制三个通过单自由度关节与下平台固联的作动器改变推杆长度，带动通过三个双自由度关节与作动器连接的上平台，使上平台在空间的姿态变化正好抵消交通工具的姿态变化，使固联在上平台的设施在交通工具颠簸晃动时始终保持空间平衡稳定，从而有效降低和缓解乘客晕车、晕船等身体不适情况的发生。
Description
一、技术领域
本发明属于工业自动化控制技术领域，尤其涉及一种高性能防晕稳定机构，适于车、船等交通工具的普及应用，避免或消除晕车、晕船等不适情况的发生。
二、背景技术
现有各类交通工具上的座椅多是刚性连接，因此，当交通工具存在剧烈颠簸或晃动时，乘客会发生晕车、晕船等严重不适反应。查询现有专利、论文等公开技术文献涉及的防晕设备，结构复杂，不具有通用性，且生产成本高，应用范围受限。
三、发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于现代测控技术的机电一体化防晕稳定机构，具有测控精确、结构易于实现、通用性强、且具有良好市场前景的防晕稳定机构。
本发明的技术方案为：将防晕稳定机构固定于交通工具和设施(如床、座椅等)之间；所述的防晕稳定机构包括：上平台、双自由度关节一、双自由度关节二、双自由度关节三、作动器一、作动器二、作动器三、机构控制器、单自由度关节一、单自由度关节二、单自由度关节三和下平台；其特征在于：下平台与交通工具固联，机构控制器固定在下平台的任意位置，用于感知下平台的空间姿态角变化，作动器一、作动器二、作动器三的基座分别通过单自由度关节一、单自由度关节二、单自由度关节三固定在下平台上，作动器一、作动器二、作动器三的另一端分别通过双自由度关节一、双自由度关节二、双自由度关节三设施固定在上平台上，机构控制器根据姿态角控制作动器一、作动器二、作动器三，通过实时改变作动器的推杆长度，使上平台的空间姿态始终平衡稳定。
所述单自由度关节一、单自由度关节二、单自由度关节三绕下平台的几何中心呈等距离均匀圆周分布，并固定在下平台上。
所述双自由度关节一、双自由度关节二、双自由度关节三绕上平台的几何中心呈等距离均匀圆周分布，并固定在上平台上。
所述作动器一、作动器二、作动器三的功能及参数完全相同，对振动和位移具有快速响应和实时调整能力，每个作动器的构成包括：电机、传动机构、丝杠、推杆、位置传感器、限位开关和基座，其工作原理为：电机固定在基座上，传动机构将电机力矩输出到丝杠上，丝杠带动推杆完成直线往复运动，位置传感器与丝杠同轴联结，用于检测推杆的位移量，并转换为控制电机的电参量反馈信号，由位置传感器反馈推杆的实时长度，限位开关固定在基座上，用于检测作动器的推杆的极点位置信息，反馈到位指示信号。
所述的机构控制器包括中央控制器、惯性敏感元件、温度传感器、信号调理单元、通信接口单元、电机驱动器及电源变换单元，惯性敏感元件监测机座的振动及位移，并转换为电参量送至信号调理单元，已调理信号输出至中央控制器采集、处理后，发出控制三个作动器的推杆长度变化指令，并与作动器一、作动器二、作动器三的推杆位移反馈量进行比较，形成三个作动器的电机驱动指令，通信接口单元实现与上位机的数据通信，温度传感器精密补偿惯性敏感元件的检测精度，电源变换单元提供整机的动力电源和控制电源。
中央控制器选择嵌入式MCU、FPGA或SOC的任意类型，惯性敏感元件为加速度传感器、陀螺仪的任意类型，或两种类型的组合应用，温度传感器为模拟温度传感器和数字温度传感器的任意类型，信号调理单元为模拟接口电路和数字接口电路的多种电路形式，通信接口单元为485、CAN、RF、ZigBee任意类型的功能模块，驱动器为直流驱动器和交流驱动器，电源变换单元为AC‐DC或DC‐DC等拓扑结构。
所述中央控制器是本发明的控制核心，利用惯性敏感元件监测下平台的姿态变化，利用温度传感器对惯性敏感元件精密补偿，通过信号调理、数据融合算法、坐标变换和编程设计，转换为控制三个作动器的推杆长度变化指令，并与作动器一、作动器二、作动器三的推杆位移反馈量进行比较，形成三个作动器的电机驱动指令，实现上平台的平衡稳定。
具体工作过程为：惯性敏感元件监测下基座的姿态变化，通过参量变换、信号调理和接口单元，传送至中央控制器并进行数据比较、处理，实时控制三个驱动电机。过程控制如下：惯性敏感元件，如三轴加速度传感器、双轴陀螺仪和温度补偿传感器的输出作为二阶闭环系统的反馈信号。通过对双轴陀螺仪的速度信号进行积分，可得到下平台的粗精度空间姿态角，对三轴加速度传感器的输出信号解算可得到下平台的高精度姿态角，通过对三轴加速度计的输出信号解算可得到的下平台的高精度空间姿态角，用高精度空间姿态角定时修正低精度空间姿态角值，并结合温度反馈进行温度补偿，即可得到高实时性高精度的下平台空间姿态角，对该姿态角进行坐标变换可以得到三个作动器推杆的实时长度指令，再通过位置闭环算法控制三个电机驱动器带动电机改变作动器的推杆长度，实现上平台的空间平衡稳定，通讯接口用于接收外部指令并向外输出机构的运行状态。
本发明与现有技术比较，具有如下特点：
(1)基于现代测控原理的数字控制机电一体化稳定机构，具有技术先进、测控精度高的明显特点。
(2)适于车、船防晕座椅、防晕床等多种用途。
(3)结构简化，轮廓较低，易于生产和安装。
(4)生产成本较低，具有较强的市场竞争力，应用前景广阔。
四、附图说明
图1是防晕稳定机构的结构示意图；
图2是作动器的组成框图；
图3是机构控制器的组成框图；
图4三轴加速度信号调理应用电路实例；
图5陀螺仪信号调理及接口电路应用电路实例；
图6基于32位嵌入式微处理器的键盘显示多机操控应用电路实例；
图7基于32位嵌入式微处理器的单机执行机构控制电路应用实例。
五、具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明：参见图1—图3：一种防晕稳定机构，包括上平台1、双自由度关节一2、双自由度关节二3、双自由度关节三4、作动器一5、作动器二6、作动器三7、机构控制器9、单自由度关节一、10、单自由度关节二11、单自由度关节三12和下平台8；其特征在于：下平台8与交通工具固联，机构控制器9固定在下平台8上，作动器一5、作动器二6、作动器三7的基座分别通过单自由度关节一、10、单自由度关节二11、单自由度关节三12固定在下平台8上，作动器一5、作动器二6、作动器三7的另一端分别通过双自由度关节一2、双自由度关节二3、双自由度关节三4设施固定在上平台1上，机构控制器9固定在下平台8的任意位置，用于感知下平台8的空间姿态角变化，根据姿态角控制作动器一5、作动器二6、作动器三7，通过实时改变作动器一5、作动器二6、作动器三7的推杆长度，使上平台1的空间姿态始终平衡稳定。
自由度关节一2、双自由度关节二3、双自由度关节三4绕上平台1的几何中心呈等距离均匀圆周分布，并固定在上平台1上。
单自由度关节一、10、单自由度关节二11、单自由度关节三12绕下平台8的几何中心呈等距离均匀圆周分布，并固定在下平台8上。
作动器一、作动器二6、作动器三7的构成分别包括电机、传动机构、丝杠、推杆、位置传感器、限位开关和基座，且3个作动器的功能及参数完全相同。
电机固定在基座上，传动机构将电机力矩输出到丝杠上，丝杠带动推杆完成直线往复运动，位置传感器与丝杠同轴联结，用于检测作动器的推杆位移量，并转换为控制电机的电参量反馈信号，限位开关固定在基座上，用于检测作动器的推杆极点位置信息。
机构控制器包括中央控制器、惯性敏感元件、温度传感器、信号调理单元、通信接口单元、电机驱动器及电源变换单元，惯性敏感元件监测机座的振动及位移，并转换为电参量送至信号调理单元，已调理信号输出至中央控制器采集、处理后，发出驱动电机的控制指令，电机驱动器带动作动器的推杆动作；中央控制器同时接收作动器的推杆的位置反馈信号，感知推杆当前的位移并实时控制；通信接口单元实现与上位机的数据通信，温度传感器精密补偿惯性敏感元件的检测精度，电源变换单元提供整机的动力电源和控制电源。
所述机构控制器的特征在于，中央控制器选择嵌入式MCU、FPGA或SOC的任意类型，惯性敏感元件为加速度传感器、两自由度陀螺仪的任意类型，或两种类型的组合应用，温度传感器为模拟温度传感器和数字温度传感器的任意类型，信号调理单元为模拟接口电路和数字接口电路，或其组合电路形式，通信接口单元为通用功能模块(如485、CAN总线)或专用功能模块(如RF、ZigBee)，驱动器为直流驱动器和交流驱动器，电源变换单元包括AC‐DC或DC‐DC等拓扑结构。
所述中央控制器是本发明的控制核心，利用惯性敏感元件监测下平台的姿态变化，利用温度传感器对惯性敏感元件精密补偿，通过信号调理、数据融合算法、坐标变换和编程设计，转换为控制三个作动器的推杆长度变化指令，并与作动器的推杆位移反馈量进行比较，形成三个作动器的电机驱动指令，实现上平台1的平衡稳定。
机构控制器的工作原理基于二阶闭环系统，过程控制实现基于现代数字测控技术，所述中央控制器的数据融合算法，对双轴陀螺仪的速度输出信号进行积分，得到下平台8的粗精度空间姿态角，通过对三轴振动传感器的输出信号采样、处理，得到下平台8的高精度空间姿态角，用高精度空间姿态角实时修正低精度空间姿态角，并结合温度传感器反馈信号进行温度补偿，即可得到下平台8实时、精密的空间姿态角。
参见图1，本实施例中，下平台8固定在船舱的甲板上，上平台1与座椅或床板固联，即构成了船用防晕床。其中，单自由度关节一、10、单自由度关节二11、单自由度关节三12采用单自由度铰链，距下平台8的几何中心距离都为0.55米；作动器一5、作动器二6、作动器三7的推杆最大推力设计为1500牛，行程设计为0.6米，最快速度设计为5米/秒；机构控制器9的电压输入为220伏50赫兹交流电；双自由度关节一2、双自由度关节二3、双自由度关节三4选用十字交叉铰，其距上平台1的几何中心距离都为0.45米；上述参数可保证当船体在横滚和纵摇角小于30度，乘客体重小于100公斤时，防晕床面始终保持相对惯性静止坐标系的平衡，从而避免了乘客晕船现象的发生。
如图2所示的作动器组成框图，本发明的实施实例采用的电机为高速直流伺服电机；传动机构为二级齿轮啮合传动；丝杠选用P类滚珠丝杠，位置传感器选用增量式光电编码器，并与丝杠套轴联结，其输出为A、B两相差分信号；限位开关选用磁感应接近开关，当作动器的推杆到达极限位置时，其输出高电平信号。
如图3所示的机构控制器组成框图，本发明的实施例采用Infineon公司的XMC4200ARM芯片作为中央控制器，其内部集成了多路A/D通道，可以直接采样信号调理单元输出的惯性敏感元件和温度传感器的模拟量输出信号，本实施例中的惯性敏感元件包括三轴加速度计、双轴陀螺仪；A/D采样结果经过数字滤波和角度解算，得到三个作动器的推杆长度指令；将其分别与三个作动器的推杆长度反馈信号进行PID闭环运算，得到的三路电压指令分别通过三个驱动器放大，从而带动三个作动器电机动作；作动器推杆的长度反馈信号即位置反馈，包括前述的光电编码器输出信号和接近开关输出信号，其通过XMC4200的事件检测单元进行解算；通讯接口单元利用XMC4200集成的CAN模块完成；电源变换单元将输入的220V交流电变换为高低两路直流电压，高直流电压为电机驱动器供电，低直流电压为机构控制器的其余模块供电。
附图4为三轴加速度传感器信号调理原理电路图，电路构成包括：比例求和电路U1、绝对值电路U2和U3、二阶有源低通滤波器U5，用于综合处理三轴加速度传感器任意轴向、任意角度的振动及位移信号，并通过模拟接口电路至ADC采样。
图5是双轴陀螺仪信号调理及模拟接口电路，电路构成包括：峰值保持电路U1、控制电路T1、缓冲器U2、接口电路U3及T2(两个通道相同)，实现从敏感检测→信号调理→数据采集→计算机处理→稳定过程控制的重要功能。本机构的模数、数模电路中用到多种形式的接口电路。
图6是基于CortexM3核的32位嵌入式微处理器主控电路，用于实现上位机通信、多从机通信、键操作、声提示、LCD显示等人机对话及操控功能，电路主要构成包括：主控制器U1、上位机接口芯片U5、从机通信接口插件CZ7～CZ11、LCD显示接口CZ3、键盘K1～K6、LED指示L1～L6、语音提示芯片U3、数据存储芯片U2、电源电路U4、电源控制电路CZ12及附属电路等。
图7是基于CortexM3核的32位嵌入式微处理器的从机控制电路图，用于实现单个机构控制器的敏感信号采集、数据处理、过程控制策略与算法设计、主控机通信等功能，电路主要构成包括：主控制器U1、ISP芯片U6、主控机通信接口插件CZ4、驱动接口电路T1～T5及M1～M5、LED指示L1～L6、信号检测接口电路U4、电源电路U2及U3、复位电路等。
Claims (9)
1.一种防晕稳定机构，包括上平台(1)、双自由度关节一(2)、双自由度关节二(3)、双自由度关节三(4)、作动器一(5)、作动器二(6)、作动器三(7)、机构控制器(9)、单自由度关节一、(10)、单自由度关节二(11)、单自由度关节三(12)和下平台(8)；其特征在于：下平台(8)与交通工具固联，机构控制器(9)固定在下平台(8)上，作动器一(5)、作动器二(6)、作动器三(7)的基座分别通过单自由度关节一(10)、单自由度关节二(11)、单自由度关节三(12)固定在下平台(8)上，作动器一(5)、作动器二(6)、作动器三(7)的另一端分别通过双自由度关节一(2)、双自由度关节二(3)、双自由度关节三(4)设施固定在上平台(1)上，机构控制器(9)固定在下平台(8)的任意位置，用于感知下平台(8)的空间姿态角变化，根据姿态角控制作动器一(5)、作动器二(6)、作动器三(7)，通过实时改变作动器一(5)、作动器二(6)、作动器三(7)的推杆长度，使上平台(1)的空间姿态始终平衡稳定。
2.根据权利要求1所述的一种防晕稳定机构，其特征在于：双自由度关节一(2)、双自由度关节二(3)、双自由度关节三(4)绕上平台(1)的几何中心呈等距离均匀圆周分布，并固定在上平台(1)上。
3.根据权利要求1所述的一种防晕稳定机构，其特征在于：单自由度关节一、(10)、单自由度关节二(11)、单自由度关节三(12)绕下平台(8)的几何中心呈等距离均匀圆周分布，并固定在下平台(8)上。
4.根据权利要求1所述的一种防晕稳定机构，其特征在于：作动器一(5)、作动器二(6)、作动器三(7)的构成分别包括电机、传动机构、丝杠、推杆、位置传感器、限位开关和基座，且3个作动器的功能及参数完全相同。
5.根据权利要求1或4所述的一种防晕稳定机构，其特征在于：电机固定在基座上，传动机构将电机力矩输出到丝杠上，丝杠带动推杆完成直线往复运动，位置传感器与丝杠同轴联结，用于检测推杆的位移量，并转换为电参量反馈信号，限位开关固定在基座上，用于检测推杆的极点位置信息。
6.根据权利要求1所述的一种防晕稳定机构，其特征在于：所述的机构控制器包括中央控制器、惯性敏感元件、温度传感器、信号调理单元、通信接口单元、电机驱动器及电源变换单元，惯性敏感元件监测机座的振动及位移，并转换为电参量送至信号调理单元，已调理信号输出至中央控制器采集、处理后，发出控制三个作动器的推杆长度变化指令，并与作动器一、作动器二、作动器三的推杆位移反馈量进行比较，形成三个作动器的电机驱动指令，通信接口单元实现与上位机的数据通信，温度传感器精密补偿惯性敏感元件的检测精度，电源变换单元提供整机的动力电源和控制电源。
7.根据权利要求1或6所述的一种防晕稳定机构，其特征在于：所述的中央控制器选择嵌入式MCU、FPGA或SOC的任意类型，惯性敏感元件为加速度传感器、陀螺仪，或两种类型的组合应用，温度传感器为模拟温度传感器和数字温度传感器的任意类型，信号调理单元包括模拟接口电路和数字接口电路，通信接口单元为485、CAN、RF、ZigBee任意类型的模块，驱动器为直流驱动器和交流驱动器，电源变换单元为AC‐DC或DC‐DC拓扑结构。
8.根据权利要求1、6或7所述的一种防晕稳定机构，其特征在于：所述中央控制器是本发明的控制核心，利用惯性敏感元件监测下平台的姿态变化，利用温度传感器对惯性敏感元件精密补偿，通过信号调理、数据融合算法、坐标变换和编程设计，转换为控制三个作动器的推杆长度变化指令，并与作动器一(5)、作动器二(6)、作动器三(7)的推杆位移反馈量进行比较，形成三个作动器的电机驱动指令，实现上平台(1)的平衡稳定。
9.根据权利要求1、6、7或8所述的一种防晕稳定机构，其特征在于：该稳定机构的工作原理基于二阶闭环系统，过程控制实现基于现代数字测控技术，所述中央控制器的数据融合算法，对双轴陀螺仪的速度输出信号进行积分，得到下平台(8)的粗精度空间姿态角，通过对三轴振动传感器的输出信号采样、处理，得到下平台(8)的高精度空间姿态角，用高精度空间姿态角实时修正低精度空间姿态角，并结合温度传感器反馈信号进行温度补偿，即可得到下平台(8)实时、精密的空间姿态角。
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| PB01 | Publication | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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