CN112699506A - 一种光电二维反射镜的动力学仿真验证方法 - Google Patents

一种光电二维反射镜的动力学仿真验证方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光电二维反射镜的动力学仿真验证方法，方法包括：在simscape仿真软件中构建光电二维反射镜结构模型，所述光电二维反射镜结构模型为两连杆机械臂结构；分别设定每一个机械臂上旋转轴的运动轨迹参数，通过仿真输出每一个旋转轴的力学信息；将通过仿真输出的每一个旋转轴的力学信息与对应的理论力学信息进行比对，根据比对结果确定仿真的正确性。本发明借助于simscape中丰富的物理组件模型，可实现快速搭建物理模型，简化数学建模的数学公式推导过程，帮助测试控制系统性能，控制算法的仿真以及优化，并且基于simscape的二维反射镜动力学仿真可以生成可视化仿真界面，使得控制更加生动形象。

Description

一种光电二维反射镜的动力学仿真验证方法
技术领域
本发明涉及运动控制领域，更具体地，涉及一种光电二维反射镜的动力学仿真验证方法。
背景技术
常见的光电二维反射镜具有方位和俯仰两个轴系，且相互垂直，在俯仰轴上安装一个光电二维反射镜。控制方位俯仰电机可以实现光电设备的搜索、警戒以及跟踪功能，相比传统的光电设备，二维反射镜结构具有结构尺寸小，转动惯量小等优点，因此在光电设备中广泛应用。
由于目前国内对光电设备的伺服性能要求越来越高，因此传统的基于误差反馈的PID控制无法满足更高精度的控制，因此对光电二维反射镜提出基于模型的控制。
基于模型的控制必须要建立精确的动力学模型，然而影响动力学模型的因素有很多，目前牛顿欧拉法，拉格朗日能量方程法等是目前最常见的动力学方程解算方法，这些动力学方程解算方法均比较复杂。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种光电二维反射镜的动力学仿真验证方法，包括：在simscape仿真软件中构建光电二维反射镜结构模型，所述光电二维反射镜结构模型为两连杆机械臂结构；分别设定每一个机械臂上旋转轴的运动轨迹参数，通过仿真输出每一个旋转轴的力学信息；将通过仿真输出的每一个旋转轴的力学信息与对应的理论力学信息进行比对，根据比对结果确定仿真的正确性。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。
可选的，每一个机械臂能简化为一个刚体模型和一个旋转轴模型，所述在simscape仿真软件中构建光电二维反射镜结构模型包括：在simscape仿真软件的Body组件中构建刚体模型，并设置所述刚体模型的质量、惯性张量和质心位置；在simscape仿真软件的Revolute Joint组件中构建旋转轴模型，并设定所述旋转轴模型的旋转方向。
可选的，所述旋转轴包括方位轴和俯仰轴。
可选的，所述分别设定每一个机械臂上旋转轴的运动轨迹参数，通过仿真输出每一个旋转轴的力学信息包括：在simscape仿真软件的JointActuator组件中分别设定所述方位轴和俯仰轴的速度、角速度和角加速度；通过Joint Sensor组件输出所述方位轴和所述俯仰轴的力矩大小。
可选的，所述将通过仿真输出的每一个旋转轴的力学信息与对应的理论力学信息进行比对，根据比对结果确定仿真的正确性之前还包括：建立每一个旋转轴与方位轴和俯仰轴的驱动力之间的动力学模型：
Figure BDA0002871036680000021
其中，ini代表机械臂i在i坐标系的驱动力，iwi代表机械臂i在i坐标系的角速度，
Figure BDA0002871036680000022
代表机械臂i在i坐标系的角加速度，
Figure BDA0002871036680000023
代表机械臂i在i坐标系的线加速度，
Figure BDA0002871036680000024
代表第i和i+1机械臂的姿态旋转矩阵，ioIi代表机械臂i在i坐标系原点的惯性张量，ipi+1代表第i与机械臂i+1坐标原点的距离向量，irci代表关节i在i机械臂坐标系下的质心向量，i+1fi+1代表机械臂i+1对关节i的作用力；
其中，俯仰轴属于末端机械臂，存在：
Figure BDA0002871036680000025
可选的，所述建立每一个旋转轴与方位轴和俯仰轴的驱动力之间的动力学模型之后包括：根据公式(1)推算出俯仰轴的动力学方程：
Figure BDA0002871036680000031
根据所述俯仰轴的动力学方程以及俯仰轴的角度、角速度和角加速度，计算出俯仰轴的理论力矩大小。
可选的，所述将通过仿真输出的每一个旋转轴的力学信息与对应的理论力学信息进行比对，根据比对结果确定仿真的正确性包括：将通过Joint Sensor组件输出的俯仰轴的力矩大小与计算出的理论力矩大小进行比对；如果两者相同，则仿真是正确的，否则，仿真不正确。
本发明提供的一种光电二维反射镜的动力学仿真验证方法，借助于simscape中丰富的物理组件模型，可实现快速搭建物理模型，简化数学建模的数学公式推导过程，帮助测试控制系统性能，控制算法的仿真以及优化，并且基于simscape的二维反射镜动力学仿真可以生成可视化仿真界面，使得控制更加生动形象。
附图说明
图1为本发明提供的一种光电二维反射镜的动力学仿真验证方法流程图；
图2为本发明提供的一种光电二维反射镜的简化结构示意图；
图3为利用本发明的仿真方法和传统的计算方法得出的俯仰轴驱动力矩大小比较示意图；
图4为利用本发明提供的仿真方法得到方位轴驱动力矩大小示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明提供的一种光电二维反射镜的动力学仿真验证方法流程图，如图1所示，方法包括：101、在simscape仿真软件中构建光电二维反射镜结构模型，光电二维反射镜结构模型为两连杆机械臂结构；102、分别设定每一个机械臂上旋转轴的运动轨迹参数，通过仿真输出每一个旋转轴的力学信息；103、将通过仿真输出的每一个旋转轴的力学信息与对应的理论力学信息进行比对，根据比对结果确定仿真的正确性。
可以理解的是，基于背景技术中的缺陷，本发明提供了一种利用simscape仿真软件对光电二维反射镜进行动力学进行仿真和验证的方法。具体为，在simscape仿真软件中构建光电二维反射镜结构模型，其中，通常将光电二维反射镜结构简化为一个两连杆机械臂结构，每一个机械臂包括一个旋转轴。在simscape仿真软件中构建了光电二维反射镜结构模型后，分别设置每一个机械臂上旋转轴的运动轨迹参数。simscape仿真软件根据设置的每一个旋转轴的运行轨迹参数，输出每一个旋转轴的力学信息。
对于仿真后得到的每一种旋转轴的力学信息，需要对其进行验证，来验证该仿真方法的正确性。在验证的过程中，通过建立每一个旋转轴的动力学方程，通过对动力学方程的解算，解算出每一个旋转轴的理论力学信息。将通过仿真输出的每一个旋转轴的力学信息与解算出的理论力学信息进行比对，根据比对结果的一致性判断仿真方法的正确与否。
本发明借助于simscape中丰富的物理组件模型，可实现快速搭建物理模型，简化数学建模的数学公式推导过程，帮助测试控制系统性能，控制算法的仿真以及优化，并且基于simscape的二维反射镜动力学仿真可以生成可视化仿真界面，使得控制更加生动形象。
在一种可能的实施例方式中，每一个机械臂能简化为一个刚体模型和一个旋转轴模型，在simscape仿真软件中构建光电二维反射镜结构模型包括：在simscape仿真软件的Body组件中构建刚体模型，并设置所述刚体模型的质量、惯性张量和质心位置；在simscape仿真软件的Revolute Joint组件中构建旋转轴模型，并设定所述旋转轴模型的旋转方向。
可以理解的是，在simscape仿真软件中构建光电二维反射镜结构模型的具体方法为，通过光电二维反射镜的实物确定二维反射镜方位俯仰的质量和惯性张量。然后在simscape软件中建立二连杆机械臂结构，两个机械臂旋转方向垂直，旋转轴方向为大地中心加速度方向的为方位轴，旋转轴为水平方向的为俯仰轴，并且设定每一个机械臂的质量以及惯性张量。
其中，针对一个机械臂可以简化成一个刚体和一个旋转轴，刚体通过质量、惯性张量和质心位置来确定，旋转轴只需要确定轴系方向。
可以通过simscape仿真软件中的Body组件构建刚体，设定刚体的参数，主要包括质量m、惯性张量I[Ixx Ixy Ixz；Iyx Iyy Iyz；Izx Izy Izz]以及质心位置(x，y，z)，通过设置这几个参数构建刚体的具体模型。旋转轴通过simscape仿真软件中的Revolute Joint组件表示，并设置旋转轴的旋转方向。
总结，通过simscape仿真软件中的Body组件和Revolute Joint组件可分别构建每一个机械臂的刚体模型和旋转轴模型，也就构建出光电二维反射镜的结构模型。
其中，光电二维反射镜的旋转轴主要包括方位轴和俯仰轴，那么需要通过simscape仿真软件中的Body组件和Revolute Joint组件分别构建方位轴模型和俯仰轴模型，进而构建出光电二维反射镜模型。
在一种可能的实施例方式中，分别设定每一个机械臂上旋转轴的运动轨迹参数，通过仿真输出每一个旋转轴的力学信息包括：在Simscape仿真软件的JointActuator组件中分别设定所述方位轴和俯仰轴的速度、角速度和角加速度；通过Joint Sensor组件输出方位轴和俯仰轴的力矩大小。
可以理解的是，在simscape仿真软件中构建出光电二维反射镜模型后，对其进行仿真，在仿真的过程中，可通过JointActuator组件设置每一个方位轴和俯仰轴的运动轨迹信息，主要包括每一个旋转轴的角度、角速度和角加速度。Joint Sensor组件根据方位轴和俯仰轴的运动轨迹信息输出方位轴和俯仰轴的力矩大小。
具体在仿真时，可设定各种参数和仿真时间，并确定方位俯仰的运动信息以及通过scope观察方位轴和俯仰轴的力矩输出。
在一种可能的实施例方式中，可以理解的是，对于simscape仿真软件的仿真效果进行验证。其中，通常将光电二维反射镜结构简化为两连杆机械臂结构，并遵守D-H方法建立坐标系，如图2所示，光电二维反射镜结构包括两个机械臂，方位轴机械臂和俯仰轴机械臂。
描述二维反射镜的运动与方位俯仰电机驱动力之间的动态关系称为动力学模型，在角速度和角加速度的影响下，根据力，力矩平衡(牛顿欧拉法)原理，可得每一个旋转轴的动力学模型：
Figure BDA0002871036680000061
其中，ini代表机械臂i在i坐标系的驱动力，iwi代表机械臂i在i坐标系的角速度，
Figure BDA0002871036680000062
代表机械臂i在i坐标系的角加速度，
Figure BDA0002871036680000063
代表机械臂i在i坐标系的线加速度，
Figure BDA0002871036680000064
代表第i和i+1机械臂的姿态旋转矩阵，ioIi代表机械臂i在i坐标系原点的惯性张量，ipi+1代表第i与机械臂i+1坐标原点的距离向量，irci代表关节i在i机械臂坐标系下的质心向量，i+1fi+1代表机械臂i+1对关节i的作用力；
其中，俯仰轴属于末端机械臂，存在：
Figure BDA0002871036680000065
可以理解的是，方位轴的动力学模型和俯仰轴的动力学模型均可由公式(1)表示，其中，由于俯仰轴属于末端机械臂，因此，公式(1)的最后两项相加为0，即公式(2)；对于方位轴，最后两项相加不为0。
因此俯仰轴电机驱动力矩计算相对比较简单，但是如果要建立方位电机驱动力的动力学方程，那将非常复杂。故此，本发明利用Simscape中具备丰富的物理组件模型，可实现在simulink中快速搭建物理模型，简化数学建模的数学公式推导过程，帮助测试控制系统性能，控制算法的仿真以及优化，并且基于simscape的二维反射镜动力学仿真可以生成可视化仿真界面，使得控制更加生动形象。
在一种可能的实施例方式中，建立了每一个旋转轴与方位轴和俯仰轴的驱动力之间的动力学模型之后，根据公式(1)和公式(2)推算出俯仰轴的动力学方程，如下：
Figure BDA0002871036680000071
根据俯仰轴的动力学方程(3)以及俯仰轴的角度、角速度和角加速度等旋转轴的运动轨迹信息，计算出俯仰轴的理论力矩大小。将通过Joint Sensor组件输出的俯仰轴的力矩大小与计算出的理论力矩大小进行比对；如果两者相同，则仿真是正确的，后续，可采用该仿真方法进行仿真；否则，仿真不正确，需要对仿真方法进行调整。
采用本发明提供的仿真方法，比如，设定俯仰轴的主要参数包括：俯仰轴机械臂质量为1Kg，俯仰轴机械臂质心位置在大地坐标系(10cm，0cm，0cm)，俯仰轴惯性张量为[20.20.3；0.230.4；0.30.44]，可输出俯仰轴对应的力矩大小。方位和俯仰轴同时以角加速度为2rad/s的速度开始转动，通过仿真记录该实验运动过程中俯仰机械臂关节驱动力矩输出。同时根据公式(1-3)编写M文件计算得出俯仰的力矩大小，比较两者力矩的差别，如图3所示，采用仿真方法得出的力矩大小和通过上述的公式(1)、(2)和(3)计算得出的力矩大小完全重合，验证了基于simscape的二维反射镜动力学仿真方法的有效性，可以有效避免复杂的公式推导。通过Scope记录的方位轴机械臂关节驱动力如下图4所示。
本发明提供一种光电二维反射镜的动力学仿真验证方法，借助于Simscape中丰富的物理组件模型，可实现在simulink中快速搭建物理模型，简化数学建模的数学公式推导过程，帮助测试控制系统性能，控制算法的仿真以及优化，并且基于simscape的二维反射镜动力学仿真可以生成可视化仿真界面，使得控制更加生动形象。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种光电二维反射镜的动力学仿真验证方法，其特征在于，包括：
在simscape仿真软件中构建光电二维反射镜结构模型，所述光电二维反射镜结构模型为两连杆机械臂结构；
分别设定每一个机械臂上旋转轴的运动轨迹参数，通过仿真输出每一个旋转轴的力学信息；
将通过仿真输出的每一个旋转轴的力学信息与对应的理论力学信息进行比对，根据比对结果确定仿真的正确性。
2.根据权利要求1所述的动力学仿真验证方法，其特征在于，每一个机械臂能简化为一个刚体模型和一个旋转轴模型，所述在simscape仿真软件中构建光电二维反射镜结构模型包括：
在simscape仿真软件的Body组件中构建刚体模型，并设置所述刚体模型的质量、惯性张量和质心位置；
在simscape仿真软件的Revolute Joint组件中构建旋转轴模型，并设定所述旋转轴模型的旋转方向。
3.根据权利要求1或2所述的动力学仿真验证方法，其特征在于，所述旋转轴包括方位轴和俯仰轴。
4.根据权利要求3所述的动力学仿真验证方法，其特征在于，所述分别设定每一个机械臂上旋转轴的运动轨迹参数，通过仿真输出每一个旋转轴的力学信息包括：
在simscape仿真软件的JointActuator组件中分别设定所述方位轴和俯仰轴的速度、角速度和角加速度；
通过Joint Sensor组件输出所述方位轴和所述俯仰轴的力矩大小。
5.根据权利要求4所述的动力学仿真验证方法，其特征在于，所述将通过仿真输出的每一个旋转轴的力学信息与对应的理论力学信息进行比对，根据比对结果确定仿真的正确性之前还包括：
建立每一个旋转轴与方位轴和俯仰轴的驱动力之间的动力学模型：
Figure FDA0002871036670000021
其中，
Figure FDA0002871036670000022
代表机械臂i在i坐标系的驱动力，
Figure FDA0002871036670000023
代表机械臂i在i坐标系的角速度，
Figure FDA0002871036670000024
代表机械臂i在i坐标系的角加速度，
Figure FDA0002871036670000025
代表机械臂i在i坐标系的线加速度，
Figure FDA0002871036670000026
代表第i和i+1机械臂的姿态旋转矩阵，ioIi代表机械臂i在i坐标系原点的惯性张量，ipi+1代表第i与机械臂i+1坐标原点的距离向量，irci代表关节i在i机械臂坐标系下的质心向量，i+1fi+1代表机械臂i+1对关节i的作用力；
其中，俯仰轴属于末端机械臂，存在：
Figure FDA0002871036670000027
6.根据权利要求5所述的动力学仿真验证方法，其特征在于，所述建立每一个旋转轴与方位轴和俯仰轴的驱动力之间的动力学模型之后包括：
根据公式(1)推算出俯仰轴的动力学方程：
Figure FDA0002871036670000031
根据所述俯仰轴的动力学方程以及俯仰轴的角度、角速度和角加速度，计算出俯仰轴的理论力矩大小。
7.根据权利要求6所述的动力学仿真验证方法，其特征在于，所述将通过仿真输出的每一个旋转轴的力学信息与对应的理论力学信息进行比对，根据比对结果确定仿真的正确性包括：
将通过Joint Sensor组件输出的俯仰轴的力矩大小与计算出的理论力矩大小进行比对；
如果两者相同，则仿真是正确的，否则，仿真不正确。
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