CN107061613A - 多维主动控制减振装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多维主动控制减振装置，包括外盒，和置于外盒中用于放置待减振物体的内盒；外盒上设有三个维度方向的加速度传感器；内盒设有顶面、底面和侧面，内盒的底面与外盒之间、内盒的侧面与外盒之间分别连接有主动控制减振器，主动控制减振器的数量和方向保证：所述的加速度传感器的每个维度方向上，至少有一个主动控制减振器；本装置还包括微处理器和减振器驱动器，微处理器用于接收所述的加速度传感器的信号，分别分析每个维度方向的振动状态，计算每个维度对应的主动控制减振器的减振方案，分别通过减振器驱动器驱动对应的主动控制减振器。本发明能够实时适应环境振动干扰，以及主动减轻某方向振动。

Description

多维主动控制减振装置和方法

技术领域

本发明属于仪器减振领域，具体涉及一种多维主动控制减振装置和方法。

背景技术

现有的主动式陀螺稳定平台见美国专利US5922039、US52227806、US4156241和中国专利CN1305091A、CN2833206Y、CN94218035.6。这些专利均利用传感器输出反映载体姿态及其变化率的信号，经微处理器解算后，控制驱动装置保持平台姿态不变，实现对平台的稳定控制。上述专利并未对动态振动进行隔离或者减弱。

现有的陀螺减振平台分为被动式和主动式，其中被动式见 CN201210048107.4。其中，一种空间对角减振的光纤陀螺IMU台体（专利号：CN201210048107.4）设计了一种空间六面结构平台，在平台台体的空间对角布局了四个T型橡胶减振器安装支腿，使得光纤陀螺捷联系统IMU在振动条件下具由各向同性动力学响应特征。该专利采用被动减振的手段实现了台体空间多维的减振效果，通过对台体的结构设计提高了系统的稳定性，使得X、Y、Z各向具有相同的减振性能。但该专利未能考虑在实际应用情况中，来自不同方向的振动其剧烈程度不同，无法实现有针对性地减振。

一种具有高抗振性能的光纤陀螺惯性测量系统（专利号：CN200510074856.4） 和一种基于三轴一体高精度光纤陀螺的车载动态定位定向仪（专利号：CN201210114243.9）设计了一种高抗振的光纤陀螺惯性测量系统，采用薄壁加筋结构和一体化模块结构，提高整体抗振性能。

其中主动式减振平台相关专利包括中国专利CN201180045964.2和CN200810201311.9。主动减振装置、车辆、主动减振装置的控制方法（专利号：CN201180045964.2）利用辅助质量反力来抑制与起振源的起振频率成分相应的减振对象的振动。主动减振隔振装置及主动减振隔振系统（专利号：CN200810201311.9）采用密封活塞气腔和直线驱动实现对负载六自由度振动的主动控制，利用可调节气压实现隔振效果。虽然该专利可实现六自由度振动，却只能利用空气进行隔振主动控制，多路气阀将导致装置复杂，实用性差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种多维主动控制减振装置和方法，能够实时适应环境振动干扰，并主动减轻某方向振动。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种多维主动控制减振装置，其特征在于：它包括外盒，和置于外盒中用于放置待减振物体的内盒；外盒上设有三个维度方向的加速度传感器；内盒设有顶面、底面和侧面，内盒的底面与外盒之间、内盒的侧面与外盒之间分别连接有主动控制减振器，主动控制减振器的数量和方向保证：所述的加速度传感器的每个维度方向上，至少有一个主动控制减振器；

本装置还包括微处理器和减振器驱动器，微处理器用于接收所述的加速度传感器的信号，分别分析每个维度方向的振动状态，计算每个维度对应的主动控制减振器的减振方案，分别通过减振器驱动器驱动对应的主动控制减振器。

按上述方案，所述的三个维度方向为正交坐标系的X轴、Y轴和Z轴，其中Z轴与外盒的底面垂直，X轴和Y轴分别与外盒的侧面垂直；

所述的内盒的底面与外盒之间均布有若干个与Z轴相互平行的主动控制减振器；所述的内盒的侧面与外盒之间分别连接有2个X轴正方向、2个X轴负方向和2个Y轴正方向的主动控制减振器。

按上述方案，所述的主动控制减振器为压电陶瓷减振器，压电陶瓷减振器包括上夹板、下夹板和连接在上下夹板之间的第一弹簧；还包括压电材料块和控制电源，压电材料块的两侧分别通过摩擦材料块与上夹板固定连接，压电材料块的底部通过第二弹簧与下夹板连接，压电材料块的长度由所述的微处理器通过减振器驱动器控制控制电源的电压值通过负压电效应调节。

按上述方案，所述的主动控制减振器为磁流变减振器，磁流变减振器包括上夹板、下夹板和连接在上下夹板之间的第一弹簧；还包括存贮在弹性套筒中的磁流变弹性体和控制电源，弹性套筒的上下安装有带有励磁线圈的夹板，夹板的上部与上夹板固定连接，夹板的下部通过第二弹簧与下夹板连接；所述的磁流变弹性体的刚度和阻尼由所述的微处理器通过减振器驱动器控制控制电源的电压值通过磁流变效应调节。

按上述方案，所述的主动控制减振器为电流变减振器，电流变减振器包括上夹板、下夹板和连接在上下夹板之间的第一弹簧；还包括存贮在弹性套筒中的电流变弹性体和控制电源，弹性套筒的上下安装有电极板，电极板的上部与上夹板固定连接，电极板的下部通过第二弹簧与下夹板连接；所述的电流变弹性体的刚度和阻尼由所述的微处理器通过减振器驱动器控制控制电源的电压值通过电流变效应调节。

利用所述的多维主动控制减振装置实现的减振方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、利用加速度传感器实时采集外盒在三个维度方向的振动信号；

S2、分析振动信号，判断各维度方向的振动强度和频域特性；

S3、依据预设的内盒中待减振物体的振动标准，评定振动状态，确立各维度方向的主动控制减振器的最优参数；

S4、将最优参数转换为控制信号，输出至对应的主动控制减振器驱动器，调节主动控制减振器。

本发明的有益效果为：能够实时采集三个维度方向的振动信号并反馈给微处理器，通过微处理器分析外盒的整体振动状态，计算筛选最优减振方案，调节主动控制减振器，针对特定方向的减振进行调整，达到实时适应环境振动干扰，以及主动减轻某方向振动的效果，以满足例如车载光纤陀螺线形测量系统的特殊隔振要求。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构原理框图。

图2为图1的俯视图。

图3为本发明的方法流程图。

图4为本发明一实施例的主动控制减振器的结构原理框图。

图5为本发明又一实施例的主动控制减振器的结构原理框图。

图中：1-内盒，2-外盒，3-主动控制减振器，4-加速度传感器，5-微处理器，6-减振器驱动器，7-下夹板，8-第一弹簧，9-第二弹簧，10-压电材料块，11-控制电源，12-摩擦材料块，13-上夹板，14-磁流变弹性体，15-弹性套筒，16-夹板。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

桥梁结构的线形可以反演出结构内力的变化，不但直观而且易于处理，是评估桥梁安全的重要指标之一。目前，桥梁结构线形测量的常用方法是使用水准仪或全站仪等工程测量仪器测量桥梁的多个离散点的高程，然后再通过拟合测量数据以实现对桥梁结构的线形测量。然而这类采用人工观测的“点式”测量方法，不但测量效率非常低、测量周期非常长，更是难以准确捕捉到挠度形变的具体位置，尤其是位于未布点的潜在病害，常常会因为被拟合的线形所淹没，进而带来较大的安全隐患，现有的测量手段难以满足对桥梁结构线形检测的要求。桥梁线形测量的特点是对于线形的跨中的下挠值精度要求非常高，需达到毫米量级。

光纤陀螺是惯性导航系统中重要的组成部件，主要测量空间物体运动的角速度。车载光纤陀螺线形测量系统利用光纤陀螺测得车姿俯仰角和航向角，基于这两个方向的角速度迭代计算得到车体行驶轨迹，进面重构所测路面线形。其中，由于桥梁线形测量的特殊性，测量对象的上下起伏线形为重点关注维度。

在线形测量过程中，由于道路的不平整以及载体的振动，不可避免地会引起车载线形测量系统的振动，这些振动会通过影响对角速度的测量，进而影响到上下起伏线形的测量精度。

车载仪器的冲击与振动来源复杂，例如路面平整度、路面障碍、汽车悬架系统和车速波动均对车载仪器产生冲击和干扰，严重影响仪器的稳定性。并且这些振动包含多个维度方向，对车载线形测量系统的产生多维度的干扰。传统车载仪器减振方法主要采纳被动减振法，减振装置的设计一般涵盖多种复杂路况和车况导致的多方向振动，缺乏对振动的维度方向针对性和主动性，减振效果往往不是很理想。

基于光纤陀螺的线形测量系统振动需要捕捉车姿俯仰角和航向角来重构测量对象线形。根据所测量对象的线形特点，各方向振动对准确性的影响程度并不完全一致。当重点关注测量对象的上下起伏线形时，俯仰角度为重点测量维度，针对该维度的减振将引起测量线形的失真，而航向和横滚方向的振动将为光纤陀螺引入相应方向的失准角误差。可见不同测量对象的线形维度关注重点不同时，其他方向的振动对该测量影响较大。如果采用统一标准减轻三方向振动时，对于振动装置的设计要求较高，效果有限。因此需要综合考虑测量对象的关注维度对减振装置和方法进行改进。

基于上述理论研究，为了提高线形测量的精度，本发明提供一种针对多维度方向进行减振隔振的装置及方法。

实施例一：

本发明提供一种多维主动控制减振装置，如图1和图2所示，它包括外盒2，和置于外盒2中用于放置待减振物体的内盒1；外盒2上设有三个维度方向的加速度传感器4；内盒1设有顶面、底面和侧面，内盒1的底面与外盒2之间、内盒1的侧面与外盒2之间分别连接有主动控制减振器3，主动控制减振器3的数量和方向保证：所述的加速度传感器4的每个维度方向上，至少有一个主动控制减振器3；本装置还包括微处理器5和减振器驱动器6，微处理器5用于接收所述的加速度传感器4的信号，分别分析每个维度方向的振动状态，计算每个维度对应的主动控制减振器3的减振方案，分别通过减振器驱动器6驱动对应的主动控制减振器3。本实施例中，所述的三个维度方向为正交坐标系的X轴、Y轴和Z轴，其中Z轴与外盒的底面垂直，X轴和Y轴分别与外盒的侧面垂直；所述的内盒1的底面与外盒2之间均布有若干个与Z轴相互平行的主动控制减振器3；所述的内盒1的侧面与外盒2之间分别连接有2个X轴正方向、2个X轴负方向和2个Y轴正方向的主动控制减振器3。本实施例中微处理器5和多个减振器驱动器6安装在其他平台中，加速度传感器4设置在外盒的顶部与微处理器5连接，主动控制减振器3引出线穿出外盒2与减振器驱动器6连接。

如图4所示，所述的主动控制减振器3为压电陶瓷减振器，压电陶瓷减振器包括上夹板13、下夹板7和连接在上下夹板13和7之间的第一弹簧8；还包括压电材料块10和控制电源11，压电材料块10的两侧分别通过摩擦材料块12与上夹板13固定连接，压电材料块10的底部通过第二弹簧9与下夹板7连接，压电材料块10的长度由所述的微处理器5通过减振器驱动器6控制控制电源11的电压值通过负压电效应调节。

利用所述的多维主动控制减振装置实现的减振方法，如图3所示，它包括以下步骤：

S1、利用加速度传感器实时采集外盒在三个维度方向的振动信号；

S2、分析振动信号，判断各维度方向的振动强度和频域特性；

S3、依据预设的内盒中待减振物体的振动标准，评定振动状态，确立各维度方向的主动控制减振器的最优参数；

S4、将最优参数转换为控制信号，输出至对应的主动控制减振器驱动器，调节主动控制减振器。

本实施例中内盒1中待减振物体为用于线形测量系统的车载光纤陀螺。微处理器5分析振动信号，解算出压电陶瓷减振器的最优参数，输出控制信号给减振器驱动器6，由减振器驱动器6放大信号后传到压电陶瓷减振器。在压电陶瓷减振器接受控制信号后，通过控制控制电源11的电压值，根据负压电效应控制压电材料10的长度，因此改变压电材料块10与摩擦材料块12之间的压力大小，从而改变压电陶瓷减振器的刚度与阻尼值。

实施例二：

本实施例与实施例一的原理和结构基本相同，其不同之处在于，如图5所示，所述的主动控制减振器3为磁流变减振器，磁流变减振器包括上夹板13、下夹板7和连接在上下夹板13和7之间的第一弹簧8；还包括存贮在弹性套筒15中的磁流变弹性体14和控制电源11，弹性套筒15的上下安装有带有励磁线圈的夹板16，夹板16的上部与上夹板13固定连接，夹板16的下部通过第二弹簧9与下夹板7连接；所述的磁流变弹性体14的刚度和阻尼由所述的微处理器5通过减振器驱动器6控制控制电源11的电压值通过磁流变效应调节。

本实施例中内盒1中待减振物体为用于线形测量系统的车载光纤陀螺。微处理器5分析振动信号，解算出磁流变减振器的最优参数，输出控制信号给减振器驱动器6，由减振器驱动器6放大信号后传到磁流变减振器。在磁流变减振器接受控制信号后，通过控制控制电源11的电压值，从而控制夹板16间的磁场强度，根据磁流变效应控制磁流变弹性体14的刚度与阻尼，从而改变磁流变减振器的刚度与阻尼值。

实施例三：

本实施例与实施例一的原理和结构基本相同，其不同之处在于，所述的主动控制减振器为电流变减振器，电流变减振器包括上夹板13、下夹板7和连接在上下夹板13和7之间的第一弹簧8；还包括存贮在弹性套筒15中的电流变弹性体和控制电源11，弹性套筒15的上下安装有电极板，电极板的上部与上夹板13固定连接，电极板的下部通过第二弹簧9与下夹板7连接；所述的电流变弹性体的刚度和阻尼由所述的微处理器5通过减振器驱动器6控制控制电源11的电压值通过电流变效应调节。

本实施例中内盒1中待减振物体为用于线形测量系统的车载光纤陀螺。微处理器5分析振动信号，解算出电流变减振器的最优参数，输出控制信号给减振器驱动器6，由减振器驱动器6放大信号后传到电流变减振器。在电流变减振器接受控制信号后，通过控制控制电源11的电压值，改变电场强度，从而改变电流变减振器的刚度与阻尼值。

本发明采用新型智能材料减振器，以上三种智能材料减振器仅为举例，其它主动控制减振器也同样适用。本发明的创新核心在于通过多维度采集和主动控制减震的原理，来满足特殊隔振要求（例如车载光纤陀螺线形测量系统），针对特定方向的减振进行调整，达到实时适应环境振动干扰，以及主动减轻某方向振动的效果。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多维主动控制减振装置，其特征在于：它包括外盒，和置于外盒中用于放置待减振物体的内盒；外盒上设有三个维度方向的加速度传感器；内盒设有顶面、底面和侧面，内盒的底面与外盒之间、内盒的侧面与外盒之间分别连接有主动控制减振器，主动控制减振器的数量和方向保证：所述的加速度传感器的每个维度方向上，至少有一个主动控制减振器；

本装置还包括微处理器和减振器驱动器，微处理器用于接收所述的加速度传感器的信号，分别分析每个维度方向的振动状态，计算每个维度对应的主动控制减振器的减振方案，分别通过减振器驱动器驱动对应的主动控制减振器。

2.根据权利要求1所述的多维主动控制减振装置，其特征在于：所述的三个维度方向为正交坐标系的X轴、Y轴和Z轴，其中Z轴与外盒的底面垂直，X轴和Y轴分别与外盒的侧面垂直；

所述的内盒的底面与外盒之间均布有若干个与Z轴相互平行的主动控制减振器；所述的内盒的侧面与外盒之间分别连接有2个X轴正方向、2个X轴负方向和2个Y轴正方向的主动控制减振器。

3.根据权利要求1所述的多维主动控制减振装置，其特征在于：所述的主动控制减振器为压电陶瓷减振器，压电陶瓷减振器包括上夹板、下夹板和连接在上下夹板之间的第一弹簧；还包括压电材料块和控制电源，压电材料块的两侧分别通过摩擦材料块与上夹板固定连接，压电材料块的底部通过第二弹簧与下夹板连接，压电材料块的长度由所述的微处理器通过减振器驱动器控制控制电源的电压值通过负压电效应调节。

4.根据权利要求1所述的多维主动控制减振装置，其特征在于：所述的主动控制减振器为磁流变减振器，磁流变减振器包括上夹板、下夹板和连接在上下夹板之间的第一弹簧；还包括存贮在弹性套筒中的磁流变弹性体和控制电源，弹性套筒的上下安装有带有励磁线圈的夹板，夹板的上部与上夹板固定连接，夹板的下部通过第二弹簧与下夹板连接；所述的磁流变弹性体的刚度和阻尼由所述的微处理器通过减振器驱动器控制控制电源的电压值通过磁流变效应调节。

5.根据权利要求1所述的多维主动控制减振装置，其特征在于：所述的主动控制减振器为电流变减振器，电流变减振器包括上夹板、下夹板和连接在上下夹板之间的第一弹簧；还包括存贮在弹性套筒中的电流变弹性体和控制电源，弹性套筒的上下安装有电极板，电极板的上部与上夹板固定连接，电极板的下部通过第二弹簧与下夹板连接；所述的电流变弹性体的刚度和阻尼由所述的微处理器通过减振器驱动器控制控制电源的电压值通过电流变效应调节。

6.利用权利要求1所述的多维主动控制减振装置实现的减振方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、利用加速度传感器实时采集外盒在三个维度方向的振动信号；

S2、分析振动信号，判断各维度方向的振动强度和频域特性；

S3、依据预设的内盒中待减振物体的振动标准，评定振动状态，确立各维度方向的主动控制减振器的最优参数；

S4、将最优参数转换为控制信号，输出至对应的主动控制减振器驱动器，调节主动控制减振器。