CN107063570B - 可全方位倾斜的运动测试台及控制方法 - Google Patents

可全方位倾斜的运动测试台及控制方法 Download PDF

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    • G01M1/14—Determining unbalance

Abstract

本发明公开了一种可全方位倾斜的运动测试台及控制方法，包括测试平台和平台倾斜运动装置，所述平台倾斜运动装置包括分别通过对应轮架安装且在水平面上圆周均布的三个全向轮，三个全向轮的轴线向下交汇于一点，各轮架上分别设有带动对应全向轮转动的伺服电机和检测对应全向轮转动角速度的绝对式编码器；所述测试平台包括上、下同轴的圆盘体和半球体，所述圆盘体和半球体的总质心位于半球体的球心处，测试平台通过半球体放置于三个全向轮上，所述圆盘体上或半球体内部设有检测测试平台姿态的陀螺仪。本发明可将全向轮设为驱动件，将测试平台设为从动件，通过三个全向轮带动测试平台运动；也可反过来以测试平台为驱动件，带动全向轮运动。

Description

可全方位倾斜的运动测试台及控制方法
技术领域
本发明涉及倾斜机构，具体为一种可全方位倾斜的运动测试台及控制方法。
背景技术
现实中的坡度可分为平坡、缓坡、斜坡，侧坡。运动机构(如自行车，独轮车)在不同的坡上运动，其坡度绝不仅仅是单一的平坡和斜坡，而且运动机构在不同坡上行驶，会受到不同程度的影响。
目前，市场上现有的汽车车体升降机构，这类结构通过液压油缸伸缩实现平台倾斜，该机构只能实现平台单一方向上的倾斜，却无法沿任意方向倾斜模拟侧坡。
发明内容
为了能够更好掌握坡度的具体倾斜度和地面平整度对运动机构的影响，发明提出了一种能够模拟不同坡度的可全方位倾斜的运动测试台及控制方法。
发明可全方位倾斜的运动测试台，其技术方案包括测试平台和平台倾斜运动装置，所不同的是所述平台倾斜运动装置包括分别通过对应轮架安装且在水平面上圆周均布的三个全向轮，三个全向轮的轴线向下交汇于一点，各轮架上分别设有带动对应全向轮转动的伺服电机和检测对应全向轮转动角速度的绝对式编码器；所述测试平台包括上、下同轴的圆盘体和半球体，所述圆盘体和半球体的总质心位于半球体的球心处，测试平台通过半球体放置于三个全向轮上，所述圆盘体上或半球体内部设有检测测试平台姿态的陀螺仪。
为形成稳定支撑，上述技术方案中还包括平台辅助支撑装置，所述平台辅助支撑装置包括间隔设于三个全向轮之间的三个牛眼轮，各牛眼轮设于对的斜撑架顶端并与半球体相接触而形成支撑方向通过半球体球心的斜向支撑，各斜撑架上均设有带动吸盘沿斜撑方向运动并使吸盘吸附半球体的移动机构。
所述移动机构的一种结构包括由步进电机驱动且平行于斜撑方向设于斜撑架上的丝杆，所述丝杆上旋合有滑座，所述滑座上设有沿斜撑方向的推杆，所述吸盘设于推杆的顶端。
为调节全向轮支撑半球体分的部位，各轮架通过对应设置的支撑架安装于基座或地面上，所述支撑架包括斜撑杆，对应的轮架设于斜撑杆上可伸缩的滑套上。
发明可全方位倾斜的运动测试台控制方法(方案一)，其过程步骤为：
1、初始状态下，所述圆盘体处于水平状态或倾斜状态。
2、所述伺服电机带动全向轮转动，所述全向轮通过摩擦力带动半球体转动，使得圆盘体在初始状态下发生倾斜。
3、圆盘体倾斜到位后，所述步进电机带动丝杆旋转而移动滑座，所述滑座带动推杆伸向半球体而使吸盘吸附住半球体，从而使圆盘体稳定在该倾斜位置。
4、可根据陀螺仪以及各绝对式编码器检测的数据结合旋转公式计算出圆盘体的倾斜角度。
发明可全方位倾斜的运动测试台控制方法(方案二)，其过程步骤为：
1、初始状态下，所述圆盘体处于水平状态或倾斜状态。
2、所述圆盘体作为主动件转动而发生倾斜，半球体依靠摩擦力带动全向轮转动。
3、圆盘体倾斜到位后，所述步进电机带动丝杆旋转而移动滑座，所述滑座带动推杆伸向半球体而使吸盘吸附住半球体，从而使圆盘体稳定在该倾斜位置。
4、可根据陀螺仪以及各绝对式编码器检测的数据结合旋转公式计算出圆盘体的倾斜角度。
本发明的有益效果：
1、本发明可全方位倾斜的运动测试台以三个全向轮为驱动件，测试平台为从动件，通过全向轮带动测试平台全方位倾斜运动；也可反过来以测试平台全方位的倾斜运动为驱动带动三个全向轮转动。
2、本发明通过三个全向轮驱动测试平台全方位倾斜运动，有效模拟坡的倾斜角度，通过绝对式编码器检测各全向轮的转角以及陀螺仪的姿态检测，再根据几何关系和坐标系关系，可得到测试平台对应的倾斜角度。
3、本发明可根据实际的检测需求伸缩调节三个全向轮与测试平台的接触位置。
4、本发明通过吸盘吸住测试平台以使测试平台稳定在某一确定的倾角位置。
5、本发明的测试平台质心落在半球体的球心处而形成多稳态机构，减少了附加载荷对全向轮的影响，同时还减少了重力矩对支撑力矩的影响。
6、本发明可通过全向轮与测试平台之间的数学模型关系得到测试平台与全向轮的运动关系，从而实现了测试平台在任意方位运动的角度。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的立体结构示意图。
图2为图1实施方式的俯视图。
图3为图1实施方式中平台倾斜运动装置的结构示意图。
图4为图1实施方式中平台辅助支撑装置的结构示意图。
图5图1实施方式控制方法的建模图。
图6为图5建模方案的速度图。
图号标识：1、圆盘体；2、半球体；3、轮架；4、全向轮；5、伺服电机；6、绝对式编码器；7、牛眼轮；8、斜撑架；9、吸盘；10、步进电机；11、丝杆；12、滑座；13、推杆；14、平台倾斜运动装置；15、陀螺仪；16、平台辅助支撑装置；17、斜撑杆；18、滑套；19、机座；20、锁紧机构。
具体实施方式
下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明可全方位倾斜的运动测试台，包括测试平台和平台倾斜运动装置14以及平台辅助支撑装置16。
所述测试平台包括上、下同轴的圆盘体1和半球体2，所述圆盘体1和半球体2的总质心位于半球体2的球心处，所述半球体2的球心处设有检测测试平台姿态参数的陀螺仪15，如图1、图2所示。
所述平台辅助支撑装置16包括在同一水平面上圆周均布的三个牛眼轮7，各牛眼轮7基于对应的斜撑架8设置，所述斜撑架8的底部铰连在地面的机座19上(斜撑架8的架体由反方向的斜架支撑)，斜撑架8的顶部安装牛眼轮7，所述半球体2放置于三个牛眼轮7上由牛眼轮7形成对其的斜向支撑，各牛眼轮7的斜撑方向通过半球体2的球心，所述斜撑架8上设有沿斜撑方向的丝杆11(由安装于斜撑架8上的步进电机10驱动)，所述丝杆11上旋合有带锁紧机构20的滑座12，所述滑座12上设有沿斜撑方向的推杆13，所述推杆13的顶部设有吸盘9，如图4所示。
所述平台倾斜运动装置14包括在同一水平面上圆周均布的三个全向轮4，三个全向轮4间隔在三个牛眼轮7之间并与半球体2相接触，各全向轮4基于对应的支撑架设置，所述支撑架包括斜撑杆17，所述斜撑杆17的底部铰连在地面的机座19上(斜撑杆17的杆体由反方向的斜杆支撑)，斜撑杆17的上部套装有可伸缩调节的滑套18，所述滑套18顶部通过“U”型轮架3安装全向轮4，安装就位的三个全向轮4的轴线向下交汇于一点；所述轮架3上设有伺服电机5和绝对式编码器6，所述伺服电机5的输出轴连接全向轮4的一转轴轴端，所述绝对式编码器6的转轴连接全向轮4的另一转轴轴端，如图3所示。
本发明可全方位倾斜的运动测试台控制方法(方案一)，其过程步骤为：
1、初始状态下，所述圆盘体1处于水平状态或已发生倾斜。
2、所述伺服电机5带动全向轮4转动，所述全向轮4通过摩擦力带动半球体2转动，使得圆盘体1在初始状态下发生倾斜。
3、圆盘体1倾斜到位后，所述步进电机10带动丝杆11旋转而移动滑座12，所述滑座12带动推杆13伸向半球体2而使吸盘9吸附住半球体2，锁紧结构锁定滑座12于丝杆11上，从而使圆盘体1稳定在该倾斜位置。
4、可根据陀螺仪15以及各绝对式编码器6检测的数据结合不同坐标系之间的旋转公式计算出圆盘体1的倾斜角度。
本发明可全方位倾斜的运动测试台控制方法(方案二)，其过程步骤为：
1、初始状态下，所述圆盘体1处于水平状态或倾斜状态。
2、所述圆盘体1作为主动件转动而发生倾斜到某一确定角度，半球体2依靠摩擦力带动全向轮4转动。
3、圆盘体1倾斜到位后，所述步进电机10带动丝杆11旋转而移动滑座12，所述滑座12带动推杆13伸向半球体2而使吸盘9吸附住半球体2，从而使圆盘体1稳定在该倾斜位置。
4、可根据陀螺仪15以及各绝对式编码器6检测的数据结合旋转公式计算出全向轮4应转过的角度。
上述方案一和方案二中，可同步伸缩调节三个全向轮4以改变全向轮其与半球体2接触的位置，三个全向轮4施加给测试平台的驱动力矩会随着全向轮4与半球体2接触位置的不同而变化。
根据半球体2与全向轮4运动位置的数学关系，本发明实现了半球体2转动进而带动全向轮4的控制方法，其具体数学关系如下所述：
步骤1、建立描述测试台装置与大地的坐标系和描述各个点的几何关系如图5所示。
①、设大地坐标系为0系，半球体2的半径为R，全向轮4的半径为r，三个全向轮4的几何中心坐标为(O1、O2、O3)，球心为O，点O1O2O3构成等边三角形。
②、等边三角形三个高的交点为E、过点O2作高交于边O1O3，该交点为D，以O2D上的E点作垂线；以球心O为坐标系1的坐标原点，OO1、OO2、OO3两两呈一个相同的角度，该角度记为α，α的取值范围为0度到180度；坐标系1的x轴与边ED平行，y轴与过点E的垂线平行，根据右手定则得出z轴的方向向上。
③、通过陀螺仪15能测量出三个欧拉角q1,q2,q3，由旋转变换公式RPY(q1，q2，q3)＝Rot(Z，q1)Rot(Y，q2)Rot(X，q3)可计算出坐标系0系转换到1系的姿态矩阵为：
Figure GDA0001343443000000041
步骤2、描述各个点在1系下的坐标和描述半球体2在1系下的位置与速度关系。
①、如图5所示，在1系下确定点O1、O2、O3、P的坐标值，OO1、OO2、OO3两两构成三个等腰三角形，记OO1、OO2、OO3的长度为L(L＝R+r)，转轴
Figure GDA0001343443000000042
的坐标为(Kx,Ky,Kz)，三个全向轮4的圆心分别为O1、O2、O3，全向轮4的轴线矢量在1系下分别为：/>
Figure GDA0001343443000000051
②、如图6所示，半球体2在1系下绕轴
Figure GDA0001343443000000052
在时间t内旋转一个角度为φ，对应的角速度ω＝φ/t，矢量/>
Figure GDA0001343443000000053
的表达式分别为：/>
Figure GDA0001343443000000054
Figure GDA0001343443000000055
(向量/>
Figure GDA0001343443000000056
为向量/>
Figure GDA0001343443000000057
的单位化矢量)，半球体2的角速度在轴/>
Figure GDA0001343443000000058
下的表达式为：
Figure GDA0001343443000000059
半球体2与全向轮4接触点的速度表达式分别为：
Figure GDA00013434430000000510
步骤3、描述半球体2与全向轮4的运动关系。
①、半球体2在时间t内绕轴K倾斜倾角φ，通过摩擦力的作用，对应的三个全向轮4转过一定的角度，记1号全向轮转过的角度为θ1，2号全向轮转过的角度为θ2，3号全向轮转过的角度为θ3，对应的角速度分别为ω1，ω2，ω3。
②、初始时刻，半球体2的位置姿态有两种情况。第一种情况：半球体2处于水平位置，无任何倾角，它的位置姿态矩阵为R01。通过陀螺仪15测量出三个欧拉角q1、q2、q3，根据旋转变换公式
RPY(α，β，γ)＝Rot(Z，q1)Rot(Y，q2)Rot(X，q3)得出R01的表达式：
Figure GDA00013434430000000511
半球体2运动到某一确定位置，半球体2在该位置的最终姿态矩阵为R02，同理也可以通过陀螺仪15得出R02。半球体2绕轴
Figure GDA00013434430000000512
倾斜一定倾角φ的姿态矩阵通式为：
Figure GDA00013434430000000513
由公式R01·R(K,φ)＝R02可得出R(K,φ)＝(R01)-1·R02，由此解出Kx，Ky，Kz，φ，再由步骤2可以得出半球体2的角速度ω；第二种情况：半球体2已倾斜一定的角度，其相对于水平位置的姿态矩阵为R′12，平台的姿态矩阵相对大地坐标系0的姿态矩阵R02已知，由关系式R01·R′12＝R02得出姿态矩阵R′12。在2系下，平台绕轴/>
Figure GDA00013434430000000514
倾斜一定倾角φ到另一个位置，其最终姿态矩阵为R′03，他们关系为R01·R′12·R(K,φ)＝R′03，轴/>
Figure GDA00013434430000000515
此时是描述在2系上，因此通过公式：/>
Figure GDA00013434430000000516
将轴/>
Figure GDA00013434430000000517
变换到坐标系1下，类似的再由公式R01·R(K′,φ)＝R03，解出Kx，Ky，Kz，φ，再由步骤2可以求解球的角速度ω。
③、全向轮4在转动的过程中，半球体2与全向轮4接触点的速度大小相等。其中，三个全向轮4的转轴矢量为
Figure GDA00013434430000000518
矢量/>
Figure GDA00013434430000000519
分别与对应转轴矢量/>
Figure GDA0001343443000000061
叉积得一个新矢量，并对该矢量单位化。(他们的数学表达式：
Figure GDA0001343443000000062
该矢量的方向与全向轮4的轮面的线速度矢量方向平行。全向轮4与半球体2一起运动，他们的速度满足以下的关系：
Figure GDA0001343443000000063
即半球体2与全向轮4接触点的速度矢量在新矢量上的投影等于全向轮的速度矢量在新矢量上的投影。对应的速度表达式分别为
Figure GDA0001343443000000064
由半球体的转轴和半球体绕转轴的角速度，可以得对应的三个全向轮的角速度
Figure GDA0001343443000000065
/>

Claims (4)

1.可全方位倾斜的运动测试台，包括测试平台和平台倾斜运动装置(14)，其特征在于：
所述平台倾斜运动装置(14)包括分别通过对应轮架(3)安装且在水平面上圆周均布的三个全向轮(4)，三个全向轮(4)的轴线向下交汇于一点，各轮架(3)上分别设有带动对应全向轮(4)转动的伺服电机(5)和检测对应全向轮(4)转动角速度的绝对式编码器(6)；所述测试平台包括上、下同轴的圆盘体(1)和半球体(2)，所述圆盘体(1)和半球体(2)的总质心位于半球体(2)的球心处，测试平台通过半球体(2)放置于三个全向轮(4)上，所述圆盘体(1)上或半球体(2)内部设有检测测试平台姿态的陀螺仪(15)；
还包括平台辅助支撑装置(16)，所述平台辅助支撑装置(16)包括间隔设于三个全向轮(4)之间的三个牛眼轮(7)，各牛眼轮(7)设于对应的斜撑架(8)顶端并与半球体(2)相接触而形成支撑方向通过半球体(2)球心的斜向支撑，各斜撑架(8)上均设有带动吸盘(9)沿斜撑方向运动并使吸盘(9)吸附半球体(2)的移动机构；
所述移动机构包括由步进电机(10)驱动且平行斜撑方向设于斜撑架(8)上的丝杆(11)，所述丝杆(11)上旋合有滑座(12)，所述滑座(12)上设有沿斜撑方向的推杆(13)，所述吸盘(9)设于推杆(13)的顶端。
2.根据权利要求1所述的可全方位倾斜的运动测试台，其特征在于：各轮架(3)通过对应设置的支撑架安装于基座或地面上，所述支撑架包括斜撑杆(17)，对应的轮架(4)设于斜撑杆(17)上可伸缩的滑套(18)上。
3.可全方位倾斜的运动测试台控制方法，其特征在于采用如权利要求1所述的可全方位倾斜的运动测试台，其过程步骤为：
①、初始状态下，所述圆盘体(1)处于水平状态或倾斜状态；
②、所述伺服电机(5)带动全向轮(4)转动，所述全向轮(4)通过摩擦力带动半球体(2)转动，使得圆盘体(1)在初始状态下发生倾斜；
③、圆盘体(1)倾斜到位后，所述步进电机(10)带动丝杆(11)旋转而移动滑座(12)，所述滑座(12)带动推杆(13)伸向半球体(2)而使吸盘(9)吸附住半球体(2)，从而使圆盘体(1)稳定在该倾斜位置；
④、可根据陀螺仪(15)以及各绝对式编码器(6)检测的数据结合旋转公式计算出圆盘体(1)的倾斜角度。
4.可全方位倾斜的运动测试台控制方法，其特征在于采用如权利要求1所述的可全方位倾斜的运动测试台，其过程步骤为：
①、初始状态下，所述圆盘体(1)处于水平状态或倾斜状态；
②、所述圆盘体(1)作为主动件转动而发生倾斜，半球体(2)带动全向轮(4)转动；
③、圆盘体(1)倾斜到位后，所述步进电机(10)带动丝杆(11)旋转而移动滑座(12)，所述滑座(12)带动推杆(13)伸向半球体(2)而使吸盘(9)吸附住半球体(2)，从而使圆盘体(1)稳定在该倾斜位置；
④、可根据陀螺仪(15)以及各绝对式编码器(6)检测的数据结合旋转公式计算出圆盘体(1)的倾斜角度。
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