CN106526218B - 一种三自由度球形转子角速度矢量检测方法 - Google Patents

一种三自由度球形转子角速度矢量检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三自由度球形转子角速度矢量检测方法，包括以下步骤：对球形转子的球面按照三个相互垂直，且经过球形转子的球心的分界面均分为八个色块，对八个色块设置不同的颜色，并根据八个色块的颜色进行编码；在球形转子的表面设置多个颜色传感器，多个颜色传感器的执行光轴均正对球形转子的球心；采集多个传感器的输出信号，根据多个传感器的输出信号的占空比和单个传感器信号的周期得到球形转子的角速度矢量。本发明具有如下优点：用于检测的装置占用体积小，后续数据处理方便，可以实现高转速测量，便于系统集成。

Description

一种三自由度球形转子角速度矢量检测方法
技术领域
本发明涉及三自由度球形转子的检测领域，具体涉及一种三自由度球形转子角速度矢量检测方法。
背景技术
相关技术中，三自由度球形转子的检测方法主要有以下几种：
1、球形转子材料磁性周期性分布，采用霍尔传感器检测；
2、球形转子表面一半涂上高反射率材料，一半低反射率材料，同时质量按照一定规律分布，使其旋转轴处于反射率分界面上，利用光电传感器检测；
3、球形转子表面涂上黑白色编码，采用光电传感器检测；
4、球形转子表面的经纬线采用伪随机码进行编码，配合机器视觉检测；
5、双鼠标传感器检测。
上述五种方法均存在局限性，具体为1、2对于球形转子的材料或者质量分布有严格要求；3、4检测系统体积过大，且适用于低转速情况之下；5、适用于转速线速度5.8m/s以下，且对球形转子表面的粗糙度有要求。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种三自由度球形转子角速度矢量检测方法，克服其他检测方法检测转速范围不高，检测系统体积大等缺点，实现了小体积内的非接触式的高速转子的检测。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种三自由度球形转子角速度矢量检测方法，包括以下步骤：S1：对球形转子的球面按照三个相互垂直，且经过所述球形转子的球心的分界面均分为八个色块，对所述八个色块设置不同的颜色，并根据所述八个色块的颜色进行编码；S2：在所述球形转子的表面设置多个颜色传感器，所述多个颜色传感器的执行光轴均正对所述球形转子的球心，其中，所述颜色传感器的数量大于等于四个；以及S3：采集所述多个传感器的输出信号，根据所述多个传感器的输出信号的占空比和单个传感器信号的周期得到所述球形转子的角速度矢量；其中，在任意时刻，所述多个传感器中存在至少三个传感器使得分别由所述至少三个传感器和所述球星转子的球心组成的至少三个向量与旋转轴向量的夹角均处于预设夹角范围内。
根据本发明实施例的一种三自由度球形转子角速度矢量检测方法，用于检测的装置占用体积小，后续数据处理方便，可以实现高转速测量，便于系统集成。
另外，根据本发明上述实施例的一种三自由度球形转子角速度矢量检测方法，还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，步骤S3进一步包括：在任意时刻，所述多个传感器中至少三个颜色传感器均经过同一分界面，且满足以下关系：设传感器坐标系三轴坐标分别为：
其中，所述球形转子的半径为1,E1＝(0 0 1),E2＝(0 1 0),E3＝(0 0 1)；
所述三个颜色传感器的坐标值：
其中，U1、U2和U3分别为所述三个颜色传感器的坐标值；
设转换矩阵为：
其中，ρ11至ρ33为转换矩阵中的参数，ρ满足：
ρ＝EU-1，
则
则角速度矢量为：
其中，α、β和γ分别是三个传感器与所述球形转子旋转轴之间的夹角，T为单个传感器信号的周期，a表示所述球形转子旋转轴与其中同时有三个传感器通过的分界面的法向量的夹角，p1至p3分别表示所述三个传感器的经过分界面产生的信号的占空比。
进一步地，所述颜色传感器的数量为四个，四个所述传感器的坐标分别为：(0,0,1)，和
进一步地，所述八个色块的颜色分别为红、绿、蓝、品红、黄、青、黑和白。
进一步地，所述预设角度范围为(35.26°，144.74°)。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明的三自由度球形转子角速度矢量检测方法的流程图；
图2是本发明一个实施例的球形转子进行颜色编码的示意图；
图3是本发明一个实施例的四个颜色传感器的安装位置示意图；
图4是本发明一个实施例的单个分界面情况的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
以下结合附图描述根据本发明实施例的三自由度球形转子角速度矢量检测方法。
请参考图1，一种三自由度球形转子角速度矢量检测方法，包括以下步骤：
S1：对球形转子的球面按照三个相互垂直，且经过球形转子的球心的分界面均分为八个色块，对八个色块设置不同的颜色，并根据所述八个色块的颜色进行编码。
在本发明的一个实施例中，对于球形转子采用三个分界面，这三个分界面相互正交，且经过球心，三个分界面的分界标准是红绿蓝三种颜色，三种颜色相互叠加，形成红、绿、蓝、品红、黄、青、黑、白八种颜色，如图2所示。在本发明的一个实施例中，颜色传感器为RGB颜色传感器。
S2：在球形转子的表面设置多个颜色传感器，多个颜色传感器的执行光轴均正对球形转子的球心，其中，颜色传感器的数量大于等于四个。
在本发明的一个实施例中，四个颜色传感器的设置位置如图3所示，四个颜色传感器的坐标分别为：(0,0,1)，和
S3：采集多个颜色传感器的输出信号，根据多个颜色传感器输出信号的占空比和单个传感器信号的周期得到球形转子的角速度矢量。其中，在任意时刻，多个传感器中存在至少三个传感器使得分别由至少三个传感器和球星转子的球心组成的至少三个向量与旋转轴向量的夹角均处于预设夹角范围内。
请参考图4，在本发明的一个示例中，采用四个传感器，四个颜色传感器的设置位置满足以下关系：四个传感器形成正四面体结构，且上述正四面体结构内切于球形转子的球面。图4中，e为旋转轴的指向，Ps是传感器的位置，α是传感器和旋转轴之间的夹角，θ是旋转轴和黑白分界面的夹角。
当α>θ，时，有其中p为白色区域的占空比，a＝π-θ。
如果有三个正交安装的传感器均通过分界面，则有
其中，β和γ是另外的两个传感器和旋转轴e的夹角，a表示球形转子旋转轴与其中同时有三个传感器通过的分界面的法向量的夹角，p1至p3分别表示三个传感器的经过分界面产生的信号的占空比。
为了保证e在空间指向变化的过程中α>θ，β>θ,γ>θ，即任意时刻均至少有三个传感器在旋转的过程中经过分界面，对于球形转子采用三个分界面，这三个分界面相互正交。
设旋转轴e和三个正交分界面夹角分别为a,b,c∈(0，π/2)，则有请再次参考图3，设四个传感器按照正四面体的四个顶点的位置安装，光轴正对球形转子的球心，与旋转轴的夹角分别为则综合可知，至少有三个传感器与旋转轴的夹角大于等于旋转轴与三个分界面的最小角。
由于四个传感中的三个经过分界面的传感器并非正交，所以旋转轴在传感器的坐标系中模唯一的这个条件需要稍微改变。
设传感器系坐标三轴坐标分别为有信号的三个传感器的坐标值其中E1＝(0 0 1),E2＝(0 1 0),E3＝(0 0 1)；E和U存在一个线性转换关系，设转换矩阵为
则有E＝ρU，故，ρ＝EU-1，所以第四个方程可以表述为|ρ×(cosα，cosβ，cosγ)T|＝1至此，解算方程组为：
进一步通过以下公式计算角速度矢量
此外，旋转轴的角速度的模可以通过单个传感器信号的周期求得ω＝60/T，T为单个传感器信号的周期。
另外，本发明实施例的三自由度球形转子角速度矢量检测方法的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (4)

1.一种三自由度球形转子角速度矢量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对球形转子的球面按照三个相互垂直，且经过所述球形转子的球心的分界面均分为八个色块，对所述八个色块设置不同的颜色，并根据所述八个色块的颜色进行编码；
S2：在所述球形转子的表面设置多个颜色传感器，所述多个颜色传感器的执行光轴均正对所述球形转子的球心，其中，所述颜色传感器的数量大于等于四个；
S3：采集所述多个传感器的输出信号，根据所述多个传感器的输出信号的占空比和单个传感器信号的周期得到所述球形转子的角速度矢量；
其中，在任意时刻，所述多个传感器中存在至少三个传感器使得分别由所述至少三个传感器和所述球形转子的球心组成的至少三个向量与旋转轴向量的夹角均处于预设夹角范围内；
步骤S3进一步包括：
在任意时刻，所述多个传感器中至少三个颜色传感器均经过同一分界面，且满足以下关系：
设传感器坐标系三轴坐标分别为：
其中，所述球形转子的半径为1,E1＝(0 0 1),E2＝(0 1 0),E3＝(0 0 1)；
所述三个颜色传感器的坐标值：
其中，U1、U2和U3分别为所述三个颜色传感器的坐标值；
设转换矩阵为：
其中，ρ11至ρ33为转换矩阵中的参数，ρ满足：
ρ＝EU-1，
则
则角速度矢量为：
其中，α、β和γ分别是三个传感器与所述球形转子旋转轴之间的夹角，T为单个传感器信号的周期，a表示所述球形转子旋转轴与其中同时有三个传感器通过的分界面的法向量的夹角，p1至p3分别表示所述三个传感器的经过分界面产生的信号的占空比。
2.根据权利要求1所述的三自由度球形转子角速度矢量检测方法，其特征在于，所述颜色传感器的数量为四个，四个所述颜色传感器的坐标分别为：(0,0,1)， 和
3.根据权利要求1或2所述的三自由度球形转子角速度矢量检测方法，其特征在于，所述八个色块的颜色分别为红、绿、蓝、品红、黄、青、黑和白。
4.根据权利要求1所述的三自由度球形转子角速度矢量检测方法，其特征在于，所述预设角度范围为(35.26°，144.74°)。
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