CN107332477B - 六自由度电磁作动器装置及电磁悬浮控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种六自由度电磁作动器装置及电磁悬浮控制方法。该六自由度电磁作动器装置包括控制模块、第一平面、第二平面、至少三个作动器线圈组和至少三个永磁体。作动器线圈组包括第一导线、环形线圈和与第一导线垂直的第二导线。至少三个永磁体设置于第一平面且构成多边形。三个作动器线圈组设置于第二平面且与至少三个永磁体一一对应。控制模块根据预设规则控制每个第一导线、第二导线和环形线圈的电流，使第一平面和第二平面之间产生三个自由度的力和三个自由度的力矩，以实现对第一平面和第二平面的六自由度电磁悬浮控制。该六自由度电磁作动器装置占用资源小，结构简单，易于系统集成，可广泛用于空间微重力下的电磁悬浮、电磁对接等领域。

Description

六自由度电磁作动器装置及电磁悬浮控制方法

技术领域

本发明涉及空间技术领域，具体而言，涉及一种六自由度电磁作动器装置及电磁悬浮控制方法。

背景技术

在地面进行电磁悬浮需要克服重力，因此需要很大的代价才实现电磁悬浮。而空间载荷在轨处于微重力状态，只需微小的力就可以产生作用。非接触的电磁力比较微弱，恰恰可以在空间微重力的环境下起到作用，实现电磁悬浮隔振、电磁编队、电磁对接、非接触作用等。

电磁力和洛仑兹力都是常用的非接触式作用力。在永磁铁的磁场内放入垂直导线，将产生与磁场和电流方向均正交的洛仑兹力，而在磁场内放入圆形电流线圈，则产生和磁场同向的电磁力。

常见的电磁作动器均采用单一方向或单一电磁力或洛伦兹力的作动器线圈，而如果实现六自由度悬浮和非接触式操作控制，需要放入多个这样的作动器。例如，美国的g-Limit和STABLE系统、加拿大的MIM系统、中国的MAIS系统等都采用多个单自由度电磁作动器的组合。这种方式占用资源大，难于系统集成。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可见光定位系统及方法，以解决上述问题。

第一方面，本发明实施例提供一种六自由度电磁作动器装置，包括控制模块、第一平面、第二平面、至少三个作动器线圈组和至少三个永磁体，所述作动器线圈组包括第一导线、环形线圈和与所述第一导线垂直的第二导线，所述控制模块与每个第一导线、环形线圈和第二导线分别电连接；

所述至少三个永磁体设置于所述第一平面且构成多边形，所述三个作动器线圈组设置于所述第二平面且与所述至少三个永磁体一一对应，所述控制模块设置于所述第二平面；

所述控制模块用于根据预设规则控制每个作动器线圈组的第一导线、第二导线和环形线圈的电流，使所述第一平面和第二平面之间产生三个自由度的力和三个自由度的力矩，以实现对第一平面和第二平面的六自由度电磁悬浮控制。

本发明实施例提供的六自由度电磁作动器装置的每个作动器线圈组包括环形线圈及互相垂直的第一导线和第二导线，在磁场中每个作动器线圈组可以受到三个自由度的力，而该六自由度电磁作动器装置包括构成多边形的至少三个作动器线圈组和至少三个永磁体，则可以使第二平面受到三个自由度的力矩。通过控制模块控制每个第一导线、第二导线和环形线圈的电流，实现对第一平面和第二平面的六自由度电磁悬浮控制。该六自由度电磁作动器装置占用资源小，易于系统集成。

进一步地，所述六自由度电磁作动器装置还包括与所述控制模块电连接的至少三个测距传感器，所述至少三个测距传感器设置于所述第二平面且构成多边形；

所述至少三个测距传感器用于测量各个测距传感器分别距所述第一平面的距离并发送至所述控制模块。

进一步地，所述控制模块包括控制器、驱动电路和电源，所述控制器与所述驱动电路和测距传感器分别电连接，所述驱动电路与每个第一导线、环形线圈和第二导线分别电连接，所述电源与所述控制器电连接；

所述控制器用于接收所述至少三个测距传感器发送的各个测距传感器距所述第一平面的距离，并根据所述至少三个测距传感器分别距所述第一平面的距离获得所述第一平面和第二平面的六自由度位姿，及结合控制要求生成作动指令，并将所述作动指令发送至所述驱动电路；

所述驱动电路用于接收所述作动指令，并根据所述作动指令控制每个作动器线圈组的第一导线、第二导线和环形线圈的电流，以实现对第一平面和第二平面的六自由度电磁悬浮控制。

进一步地，所述控制器为PID控制器、鲁棒控制器、最优控制器、自适应控制器、自抗扰控制器、无源控制器或神经网络控制器。

进一步地，所述测距传感器包括依次电连接的测距模块、信号调理电路和模数转换电路，所述驱动电路包括电连接的数模转换电路和功率放大电路，所述控制器与所述模数转换电路和数模转换电路分别电连接，所述功率放大电路与每个第一导线、环形线圈和第二导线分别电连接。

进一步地，所述第一导线与所述第二导线相交且其交点与所述环形线圈的圆心重合。

进一步地，所述作动器线圈组有三组，所述永磁体有三个。

第二方面，本发明实施例还提供一种电磁悬浮控制方法，应用于六自由度电磁作动器装置，所述六自由度电磁作动器装置包括控制模块、第一平面、第二平面、至少三个作动器线圈组和至少三个永磁体，所述作动器线圈组包括第一导线、环形线圈和与所述第一导线垂直的第二导线，所述控制模块与每个第一导线、环形线圈和第二导线分别电连接，所述至少三个永磁体设置于所述第一平面且构成多边形，所述至少三个作动器线圈组设置于所述第二平面且与所述至少三个永磁体一一对应，所述控制模块设置于所述第二平面，所述方法包括：

所述控制模块根据预设规则控制每个作动器线圈组的第一导线、第二导线和环形线圈的电流，使所述第一平面和第二平面之间产生三个自由度的力和三个自由度的力矩，以实现对第一平面和第二平面的六自由度电磁悬浮控制。

本发明实施例提供的电磁悬浮控制方法，应用于六自由度电磁作动器装置。该六自由度电磁作动器装置的每个作动器线圈组包括环形线圈及互相垂直的第一导线和第二导线，在磁场中每个作动器线圈组可以受到三个自由度的力，而该六自由度电磁作动器装置包括构成多边形的至少三个作动器线圈组和至少三个永磁体，则可以使第二平面受到三个自由度的力矩。通过控制模块控制模块控制每个第一导线、第二导线和环形线圈的电流，实现对第一平面和第二平面的六自由度电磁悬浮控制。

进一步地，所述六自由度电磁作动器装置还包括与所述控制模块电连接的至少三个测距传感器，所述至少三个测距传感器设置于所述第二平面且构成多边形，所述方法还包括：

所述至少三个测距传感器测量各个测距传感器分别距所述第一平面的距离并发送至所述控制模块。

进一步地，所述控制模块包括控制器、驱动电路和电源，所述控制器与所述驱动电路和测距传感器分别电连接，所述驱动电路与每个第一导线、环形线圈和第二导线分别电连接，所述电源与所述控制器电连接，所述控制模块根据预设规则控制每个作动器线圈组的第一导线、第二导线和环形线圈的电流，使所述第一平面和第二平面之间产生三个自由度的力和三个自由度的力矩，以实现对第一平面和第二平面的六自由度电磁悬浮控制的步骤包括：

所述控制器接收所述至少三个测距传感器发送的各个测距传感器距所述第一平面的距离，并根据所述至少三个测距传感器分别距所述第一平面的距离获得所述第一平面和第二平面的六自由度位姿，及结合控制要求生成作动指令，并将所述作动指令发送至所述驱动电路；

所述驱动电路接收所述作动指令，并根据所述作动指令控制每个作动器线圈组的第一导线、第二导线和环形线圈的电流，以实现对第一平面和第二平面的六自由度电磁悬浮控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种六自由度电磁作动器装置的结构示意图；

图2为图1示出的作动器线圈组的结构示意图；

图3为图1示出的六自由度电磁作动器装置中一个永磁体和与该永磁体对应的一组作动器线圈组的空间位置示意图；

图4为图1示出的六自由度电磁作动器装置的电路连接图；

图5为本发明实施例提供的另一种六自由度电磁作动器装置的结构示意图；

图6为为本发明实施例提供的控制模块的一种方框示意图；

图7为图5示出的测距传感器的一种方框示意图；

图8为图5示出的驱动电路的一种方框示意图；

图9为本发明实施例提供的一种电磁悬浮控制方法的流程图；

图10为本发明实施例提供的另一种电磁悬浮控制方法的流程图；

图11为一实施方式中图10所示步骤S110包括的子步骤的示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-六自由度电磁作动器装置；10-控制模块；30-第一平面；40-第二平面；50-作动器线圈组；70-永磁体；51-第一导线；53-第二导线；55-环形线圈；90-测距传感器；11-控制器；13-驱动电路；15-电源；91-测距模块；93-信号调理电路；95-模数转换电路；131-数模转换电路；133-功率放大电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。

请参阅图1，本发明实施例提供一种六自由度电磁作动器装置1。该六自由度电磁作动器装置1包括控制模块10、第一平面30、第二平面40、至少三个作动器线圈组50和至少三个永磁体70。

请参阅图2，所述作动器线圈组50包括第一导线51、环形线圈55和与所述第一导线51垂直的第二导线53。优选地，所述第一导线51与所述第二导线53相交且其交点与所述环形线圈55的圆心重合。具体实施时，第一导线51、第二导线53可以是一根、两根或者多根导线。

所述至少三个永磁体70设置于所述第一平面30且构成多边形。例如，当所述永磁体70为三个，该三个永磁体70构成三角形。当永磁体70有四个或五个时，该四个或五个永磁体70可以构成三角形、四边形或五边形。所述至少三个作动器线圈组50设置于所述第二平面40且与所述至少三个永磁体70一一对应。如图3所示，图3为一个永磁体70和与该永磁体70对应的一组作动器线圈组50的空间位置示意图。优选地，所述作动器线圈组50有三组，所述永磁体70有三个。所述控制模块10设置于所述第二平面40。

请参阅图4，所述控制模块10与每个第一导线51、环形线圈55和第二导线53分别电连接。所述控制模块10用于根据预设规则控制每个作动器线圈组50的第一导线51、第二导线53和环形线圈55的电流。其中，所述预设规则可以是根据所述控制模块10存储的每个作动器线圈组50的第一导线51、第二导线53和环形线圈55的电流和第一平面30和第二平面40的六自由度的位姿等的标定结果。

通过上述设置，由于每个作动器线圈组50包括环形线圈55及互相垂直的第一导线51和第二导线53，则每个作动器线圈组50在磁场中可以受到三个自由度的力。而该六自由度电磁作动器装置1包括构成多边形的至少三个作动器线圈组50和至少三个永磁体70，则可以使第二平面40受到三个自由度的力矩。通过控制模块10控制每个第一导线51、第二导线53和环形线圈55的电流，就可以控制每个作动器线圈组50受到的各个自由度的力的大小，继而控制第二平面40受到的各个自由度的力矩的大小，根据作用力与反作用力，从而实现对第一平面30和第二平面40的六自由度电磁悬浮控制。

请参阅图5，优选地，所述六自由度电磁作动器装置1还包括至少三个测距传感器90。所述至少三个测距传感器90设置于所述第二平面40且构成多边形。请参阅图6，所述控制模块10包括控制器11、驱动电路13和电源15。

所述控制器11与所述驱动电路13和测距传感器90分别电连接。所述驱动电路13与每个第一导线51、环形线圈55和第二导线53分别电连接。所述电源15与所述控制器11电连接，用于为所述六自由度电磁作动器装置1供电。

所述测距传感器90用于测量所述测距传感器90距所述第一平面30的距离并发送至所述控制器11。所述测距传感器90可以采用各类通用距离或位移测量器件，如红外线测距传感器90、激光位移传感器等等。优选地，所述测距传感器90可以包括依次电连接的测距模块91、信号调理电路93和模数转换电路95，如图7所示。所述控制器11与所述模数转换电路95电连接。所述信号调理方法可以采用卡尔曼滤波、平均值滤波等方法。

在进行电磁悬浮控制前，对六自由度位姿和电流进行遍历，测量相应点的力的值，以此作为结果作为标定结果存入控制器11中。所述控制器11用于接收所述至少三个测距传感器90发送的各个测距传感器90距所述第一平面30的距离，并根据所述至少三个测距传感器90分别距所述第一平面30的距离获得所述第一平面30和第二平面40的六自由度位姿，及结合控制要求生成作动指令，并将所述作动指令发送至所述驱动电路13。优选地，所述控制器11为PID控制器11、鲁棒控制器11、最优控制器11、自适应控制器11、自抗扰控制器11、无源控制器11或神经网络控制器11。

所述驱动电路13用于接收所述作动指令，并根据所述作动指令控制每个作动器线圈组50的第一导线51、第二导线53和环形线圈55的电流，以实现对第一平面30和第二平面40的六自由度电磁悬浮控制。所述驱动电路13包括电连接的数模转换电路131和功率放大电路133，所述控制器11与所述数模转换电路131电连接，如图8所示。所述功率放大电路133与每个第一导线51、环形线圈55和第二导线53分别电连接。

通过在六自由度电磁作动器装置1增加测距传感器90，可以实时获得第一平面30和第二平面40的六自由度的六自由度位姿，根据所述第一平面30和第二平面40的六自由度位姿并结合控制要求，实现了对第一平面30和第二平面40的六自由度电磁悬浮的精确控制。

请参阅图9，本发明实施例还提供一种电磁悬浮控制方法。应用于图1所示的六自由度电磁作动器装置1。所述方法包括：

步骤S110，所述控制模块10控制每个作动器线圈组50的第一导线51、第二导线53和环形线圈55的电流，使所述第一平面30和第二平面40之间产生三个自由度的力和三个自由度的力矩，以实现对第一平面30和第二平面40的六自由度电磁悬浮控制。

优选地，所述六自由度电磁作动器装置1还包括至少三个测距传感器90，所述至少三个测距传感器90设置于所述第二平面40且构成多边形，如图5所示。请参阅图10，所述方法还包括：

步骤S130，所述测距传感器90测量所述测距传感器90距所述第一平面30的距离并发送至所述控制器11。

优选地，所述控制模块10包括控制器11、驱动电路13和电源15，如图6所示。步骤S110还包括子步骤S111和子步骤S113，如图11所示。

子步骤S111，所述控制器11接收所述至少三个测距传感器90发送的各个测距传感器90距所述第一平面30的距离，并根据所述至少三个测距传感器90分别距所述第一平面30的距离获得所述第一平面30和第二平面40的六自由度位姿，及结合控制要求生成作动指令，并将所述作动指令发送至所述驱动电路13；

子步骤S113，所述驱动电路13接收所述作动指令，并根据所述作动指令控制每个作动器线圈组50的第一导线51、第二导线53和环形线圈55的电流，以实现对第一平面30和第二平面40的六自由度电磁悬浮控制。

由于步骤S110、步骤S130、子步骤S111和子步骤S113与上文中的实现原理类似，因此在此不作更多说明。

本发明实施例提供的六自由度电磁作动器装置1通过对控制模块10、至少三个作动器线圈组50和至少三个永磁体70的巧妙集成与设计，实现了对第一平面30和第二平面40的六自由度电磁悬浮控制。并且该六自由度电磁作动器装置1可以增加测距传感器90，以实时获得第一平面30和第二平面40的六自由度的六自由度位姿，根据所述第一平面30和第二平面40的六自由度位姿并结合控制要求，实现了对第一平面30和第二平面40的六自由度电磁悬浮的精确控制。该六自由度电磁作动器装置1占用资源小，结构简单，易于系统集成，可广泛用于空间微重力下的电磁悬浮、电磁对接、非接触控制等领域，也可以用于地面精密电磁控制的特殊场合。

本发明实施例提供的电磁悬浮控制方法，应用于上述的六自由度电磁作动器装置1，因而具有与上述六自由度电磁作动器装置1类似的有益效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种六自由度电磁作动器装置，其特征在于，包括控制模块、第一平面、第二平面、至少三个作动器线圈组和至少三个永磁体，所述作动器线圈组包括第一导线、环形线圈和与所述第一导线垂直的第二导线，所述控制模块与每个第一导线、环形线圈和第二导线分别电连接；

所述至少三个永磁体设置于所述第一平面且构成多边形，所述三个作动器线圈组设置于所述第二平面且与所述至少三个永磁体一一对应，所述控制模块设置于所述第二平面；

所述控制模块用于根据预设规则控制每个作动器线圈组的第一导线、第二导线和环形线圈的电流，使所述第一平面和第二平面之间产生三个自由度的力和三个自由度的力矩，以实现对所述第一平面和第二平面的六自由度电磁悬浮控制。

2.根据权利要求1所述的六自由度电磁作动器装置，其特征在于，所述六自由度电磁作动器装置还包括与所述控制模块电连接的至少三个测距传感器，所述至少三个测距传感器设置于所述第二平面且构成多边形；

所述至少三个测距传感器用于测量各个测距传感器分别距所述第一平面的距离并发送至所述控制模块。

3.根据权利要求2所述的六自由度电磁作动器装置，其特征在于，所述控制模块包括控制器、驱动电路和电源，所述控制器与所述驱动电路和测距传感器分别电连接，所述驱动电路与每个第一导线、环形线圈和第二导线分别电连接，所述电源与所述控制器电连接；

所述控制器用于接收所述至少三个测距传感器发送的各个测距传感器距所述第一平面的距离，并根据所述至少三个测距传感器分别距所述第一平面的距离获得所述第一平面和第二平面的六自由度位姿，及结合控制要求生成作动指令，并将所述作动指令发送至所述驱动电路；

所述驱动电路用于接收所述作动指令，并根据所述作动指令控制每个作动器线圈组的第一导线、第二导线和环形线圈的电流，以实现对第一平面和第二平面的六自由度电磁悬浮控制。

4.根据权利要求3所述的六自由度电磁作动器装置，其特征在于，所述控制器为PID控制器、鲁棒控制器、自适应控制器、自抗扰控制器或神经网络控制器。

5.根据权利要求3或4所述的六自由度电磁作动器装置，其特征在于，所述测距传感器包括依次电连接的测距模块、信号调理电路和模数转换电路，所述驱动电路包括电连接的数模转换电路和功率放大电路，所述控制器与所述模数转换电路和数模转换电路分别电连接，所述功率放大电路与每个第一导线、环形线圈和第二导线分别电连接。

6.根据权利要求1-4任一项所述的六自由度电磁作动器装置，其特征在于，所述第一导线与所述第二导线相交且其交点与所述环形线圈的圆心重合。

7.根据权利要求6所述的六自由度电磁作动器装置，其特征在于，所述作动器线圈组有三组，所述永磁体有三个。

8.一种电磁悬浮控制方法，其特征在于，应用于六自由度电磁作动器装置，所述六自由度电磁作动器装置包括控制模块、第一平面、第二平面、至少三个作动器线圈组和至少三个永磁体，所述作动器线圈组包括第一导线、环形线圈和与所述第一导线垂直的第二导线，所述控制模块与每个第一导线、环形线圈和第二导线分别电连接，所述至少三个永磁体设置于所述第一平面且构成多边形，所述三个作动器线圈组设置于所述第二平面且与所述至少三个永磁体一一对应，所述控制模块设置于所述第二平面，所述方法包括：

所述控制模块根据预设规则控制每个作动器线圈组的第一导线、第二导线和环形线圈的电流，使所述第一平面和第二平面之间产生三个自由度的力和三个自由度的力矩，以实现对第一平面和第二平面的六自由度电磁悬浮控制。

9.根据权利要求8所述的电磁悬浮控制方法，其特征在于，所述六自由度电磁作动器装置还包括与所述控制模块电连接的至少三个测距传感器，所述至少三个测距传感器设置于所述第二平面且构成多边形，所述方法还包括：

所述至少三个测距传感器测量各个测距传感器分别距所述第一平面的距离并发送至所述控制模块。

10.根据权利要求9所述的电磁悬浮控制方法，其特征在于，所述控制模块包括控制器、驱动电路和电源，所述控制器与所述驱动电路和测距传感器分别电连接，所述驱动电路与每个第一导线、环形线圈和第二导线分别电连接，所述电源与所述控制器电连接，所述控制模块根据预设规则控制每个作动器线圈组的第一导线、第二导线和环形线圈的电流，使所述第一平面和第二平面之间产生三个自由度的力和三个自由度的力矩，以实现对第一平面和第二平面的六自由度电磁悬浮控制的步骤包括：

所述控制器接收所述至少三个测距传感器发送的各个测距传感器距所述第一平面的距离，并根据所述至少三个测距传感器分别距所述第一平面的距离获得所述第一平面和第二平面的六自由度位姿，及结合控制要求生成作动指令，并将所述作动指令发送至所述驱动电路；

所述驱动电路接收所述作动指令，并根据所述作动指令控制每个作动器线圈组的第一导线、第二导线和环形线圈的电流，以实现对第一平面和第二平面的六自由度电磁悬浮控制。