CN107218341B - 双层主动控制减振装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双层主动控制减振装置，包括由外到内依次嵌套的密封箱、外盒和内盒，其中内盒用于放置待减振物体，内盒与外盒之间设有被动减振器，外盒上设有三个维度的加速度传感器；密封箱内设有转轴，所述的外盒与转轴连接使得外盒能够绕转轴摆动；外盒与密封箱之间充满流体主动减振材料，密封箱上设有极板；本装置还包括微处理器和控制电源；加速度传感器、微处理器、控制电源和极板依次电连接。本发明利用双层结构，内层通过传统的被动减振装置保证整个系统多维的减振效果，外层通过流体主动减振材料和加速度传感器采集数据进行反馈控制的方法，对重点维度进行主动减振隔振，从而提高减振效果。
Description
技术领域
本发明属于仪器减振领域，具体涉及一种双层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 ZL94218035.6。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，未涉及到多维度多方向的减振与隔振。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：提供一种双层主动控制减振装置和方法，能够提高减振效果。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种双层主动控制减振装置，其特征在于：它包括由外到内依次嵌套的密封箱、外盒和内盒，其中内盒用于放置待减振物体，内盒与外盒之间设有被动减振器，外盒上设有三个维度的加速度传感器；密封箱内设有转轴，所述的外盒与转轴连接使得外盒能够绕转轴摆动；外盒与密封箱之间充满流体主动减振材料，密封箱上设有极板；
本装置还包括微处理器和控制电源；加速度传感器、微处理器、控制电源和极板依次电连接。
按上述方案，所述的流体主动减振材料为磁流变材料或电流变材料。
按上述方案，所述的三个维度为正交坐标系的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。
按上述方案，所述的内盒设有顶面、底面和侧面，其中内盒的底面和侧面分别与外盒之间设有多个被动减振器。
利用所述的双层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、根据使用环境需要，安装所述的双层主动控制减振装置，使得外盒绕转轴摆动的方向为所需要特定关注的方向；
S2、利用加速度传感器实时采集外盒在多个维度的振动信号；
S3、分析振动信号，判断各维度方向的振动强度和频域特性；
S4、依据预设的待减振物体及使用环境的标准，评定振动状态，确立流体主动减振材料的最优控制参数；
S5、将最优控制参数输出至电极，调节流体主动减振材料的刚度和阻尼。
本发明的有益效果为：利用双层结构，内层通过传统的被动减振装置保证整个系统多维的减振效果，外层通过流体主动减振材料和加速度传感器采集数据进行反馈控制的方法，对重点维度（即外盒绕转轴摆动方向）进行主动减振隔振，从而提高减振效果。
附图说明
图1为本发明一实施例的结构示意图。
图2为本发明一实施例的方法流程图。
图中：1-密封箱，2-流体主动减振材料，3-外盒，4-内盒，5-被动减振器，6-加速度传感器，7-转轴，8-极板，9-微处理器，10-控制电源。
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[2]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。实验发现来自X、Y、Z三个方向的振动均会影响系统对数据的采集，造成测量精度下降。不同方向的振动对结果的影响程度不同，而传统的光纤陀螺减振方法和装置对不同方向的振动一般采取相同的设计，既没有考虑不同方向振动的具体影响方式，也未对不同方向振动应用不同的减振方法，因此测量精度难以得到突破。若能在传统减振方法的基础上，针对特定方向的振动应用减振效果更好的新型主动控制减振技术，将会实现测量精度的一次巨大提升。
基于上述理论分析，为了提高线形测量的精度，本发明设计出双层主动控制减振装置和方法进行减振隔振。
本发明提供一种双层主动控制减振装置，如图1所示，它包括由外到内依次嵌套的密封箱1、外盒3和内盒4，其中内盒4用于放置待减振物体，内盒4与外盒3之间设有被动减振器5，外盒3上设有三个维度的加速度传感器6；密封箱1内设有转轴7，所述的外盒3与转轴7连接使得外盒3能够绕转轴7摆动；外盒3与密封箱1之间充满流体主动减振材料2，密封箱1上设有极板8；本装置还包括微处理器9和控制电源10；加速度传感器6、微处理器9、控制电源10和极板8依次电连接。
所述的流体主动减振材料2为磁流变材料或电流变材料。当流体主动减振材料为磁流变材料时，所述的极板8为带有励磁线圈的极板；微处理器9分析振动信号，解算出磁流变材料的最优控制参数，输出控制信号给控制电源10，由控制电源10输出控制电流传到极板8；在极板8接受控制电流后，通过控制电流强度改变两极板8间的磁场强度，从而控制磁流变材料的粘度，抑制外盒3围绕固定转轴7的转动。当流体主动减振材料为电流变材料时，所述的极板8为电极板；微处理器9分析振动信号，解算出电流变材料的最优控制参数，输出控制信号给控制电源10，由控制电源10输出控制电流传到电极板。在电极板接受控制电流后，通过控制电流强度改变两电极板间的电场强度，从而控制电流变材料的粘度，抑制外盒3围绕固定转轴7的转动。
所述的三个维度为正交坐标系的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。所述的内盒设有顶面、底面和侧面，其中内盒的底面和侧面分别与外盒之间设有多个被动减振器。被动减振器为弹性体，例如橡胶、弹簧等。
利用所述的双层主动控制减振装置实现的减振方法，如图2所示，它包括以下步骤：
S1、根据使用环境需要，安装所述的双层主动控制减振装置，使得外盒绕转轴摆动的方向为所需要特定关注的方向；
S2、利用加速度传感器实时采集外盒在多个维度的振动信号；
S3、分析振动信号，判断各维度方向的振动强度和频域特性；（由于外盒的运动是摆动，传感器测的是线振动，一个摆动与多个线振动有关系。因此在对摆动做减振处理的时候，需要对多个线振动进行分析）
S4、依据预设的待减振物体及使用环境的标准，评定振动状态，确立流体主动减振材料的最优控制参数；
S5、将最优控制参数输出至电极，调节流体主动减振材料的刚度和阻尼。
本实施例中，待减振物体为车载光纤陀螺线形测量系统的光纤陀螺，外盒3绕转轴7摆动的方向即所需要特定关注的方向为横向摆动，以汽车行驶方向为前后，横向指的是车的左右方向。
本发明在应用被动减振装置对内盒进行初步减振的同时，实时采集X、Y、Z三个方向的振动加速度信号并反馈给微处理器，通过微处理器分析内盒的整体振动状态，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，以满足车载光纤陀螺线形测量系统的特殊隔振要求。
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 (5)
1.一种双层主动控制减振装置，其特征在于：它包括由外到内依次嵌套的密封箱、外盒和内盒，其中内盒用于放置待减振物体，内盒与外盒之间设有被动减振器，外盒上设有三个维度的加速度传感器；密封箱内设有转轴，所述的外盒与转轴连接使得外盒能够绕转轴摆动；外盒与密封箱之间充满流体主动减振材料，密封箱上设有极板；
本装置还包括微处理器和控制电源；加速度传感器、微处理器、控制电源和极板依次电连接；
所述的微处理器具体按以下步骤控制：
利用加速度传感器实时采集外盒在多个维度的振动信号；
分析振动信号，判断各维度方向的振动强度和频域特性；
依据预设的待减振物体及使用环境的标准，评定振动状态，确立流体主动减振材料的最优控制参数；
将最优控制参数输出至电极，调节流体主动减振材料的刚度和阻尼。
2.根据权利要求1所述的双层主动控制减振装置，其特征在于：所述的流体主动减振材料为磁流变材料或电流变材料。
3.根据权利要求1所述的双层主动控制减振装置，其特征在于：所述的三个维度为正交坐标系的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。
4.根据权利要求1所述的双层主动控制减振装置，其特征在于：所述的内盒设有顶面、底面和侧面，其中内盒的底面和侧面分别与外盒之间设有多个被动减振器。
5.利用权利要求1所述的双层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、根据使用环境需要，安装所述的双层主动控制减振装置，使得外盒绕转轴摆动的方向为所需要特定关注的方向；
S2、利用加速度传感器实时采集外盒在多个维度的振动信号；
S3、分析振动信号，判断各维度方向的振动强度和频域特性；
S4、依据预设的待减振物体及使用环境的标准，评定振动状态，确立流体主动减振材料的最优控制参数；
S5、将最优控制参数输出至电极，调节流体主动减振材料的刚度和阻尼。
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