CN114084295A - 主动减少晃动的方法、系统及座椅 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了主动减少晃动的方法、系统及座椅，所述主动减少晃动的方法，用于在载具行驶过程中减少载具内支撑件的晃动，包括：获取载具行驶过程中在第一时刻的第一振动信息；基于所述载具和所述支撑件之间的运动学关系、所述第一振动信息，确定第一期望动作；基于所述第一期望动作控制执行机构带动所述支撑件相对于所述载具运动，以在所述载具行驶过程中减少所述支撑件的晃动。基于载具与支撑件之间的运动学关系和所检测的载具的振动信息，主动控制执行机构动作，以减少在所述载具行驶过程中所述支撑件的晃动，提高所述支撑件上放置物品的平稳性。
Description
技术领域
本发明涉及控制领域，进一步地涉及主动减少晃动的方法、系统及座椅。
背景技术
在船舶出海航行时，因恶劣海况剧烈风浪的影响，所有船舶均存在严重的低频大幅振动。这些振动无处不在，即使是睡在床体上也依然无法消除，因此会导致船上人员出现晕动症，包括呼吸困难、冒冷汗、恶心呕吐等症状，严重时甚至是无法下地，且恶劣情况会持续好几天，将会给船舶上的人员造成极大的不便。
船舶在海上航行时，其振动主要为横摇和纵摇。横摇即为船舶左右摇摆，纵摇则是船舶前后摇摆，垂荡为船舶上下起伏。若遇到较大的风浪，船舶会横向、纵向同时摇晃，使舰艇发生不规律的摇晃，甚至是抖动。在5级海况下，1000吨左右的船只，其横摇角度可达到20°，纵摇角可达10°。
目前，国内外市场上尚无船舶防晕座椅或设备，多数研究集中于车辆减振座椅，此类座椅只有一个自由度，主要用于减少车辆行驶时垂直方向的加速度，并不能够解决船舶的摇摆问题。在其他载具比如汽车、飞机等场景也类似，均不能够有效地解决载具摇摆的问题。
传统的船舶减少摇摆的装置包括减摇水舱、减摇舵、减摇陀螺、减摇鳍，减摇重块等。同时近年来出现的新型减摇装置，包括零航速减摇鳍、舵鳍联合减摇、舱鳍联合减摇、Magnus效应回转轴减摇、船舶姿态控制系统等。但是这些产品体积重量大、功耗大、成本高，主要用于减缓船舶整体的横摇，均不具备同时完成横摇、纵摇的减振效果，船舶经减摇装置处理后依然有较大的摇摆，无法完全解决晕船的问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供主动减少晃动的方法、系统及座椅，基于载具与支撑件之间的运动学关系和所检测的载具的振动信息，主动控制执行机构动作，以减少在所述载具行驶过程中所述支撑件的晃动，提高所述支撑件上放置物品的平稳性。
为了实现上述目的，本发明提供主动减少晃动的方法，用于在载具行驶过程中减少载具内支撑件的晃动，包括：
获取载具行驶过程中在第一时刻的第一振动信息；
基于所述载具和所述支撑件之间的运动学关系、所述第一振动信息，确定第一期望动作；
基于所述第一期望动作控制执行机构带动所述支撑件相对于所述载具运动，以在所述载具行驶过程中减少所述支撑件的晃动。
在一些优选实施例中，所述主动减少晃动的方法还包括：
获取载具行驶过程中在第二时刻的第二振动信息；
基于所述载具和所述支撑件之间的运动学关系、所述第二振动信息以及所述执行机构基于所述第一期望动作的第一执行动作，确定第二期望动作；
基于所述第二期望动作控制执行机构带动所述支撑件相对于所述载具运动。
在一些优选实施例中，步骤获取载具行驶过程中在第二时刻的第二振动信息和步骤基于所述载具和所述支撑件之间的运动学关系、所述第二振动信息，确定第二期望动作，之间还包括：
通过互补滤波算法、卡尔曼滤波算法或扩展卡尔曼滤波算法消除所述振动信号中的偏差和噪声。
在一些优选实施例中，步骤基于所述载具和所述支撑件之间的运动学关系、所述第二振动信息，确定第二期望动作，包括：
基于所述第二振动信息中的纵摇角和转动角，确定需要校正的姿态角和角速度；
基于所述载具和所述支撑件之间的运动学关系、所述姿态角以及所述角速度，进行运动学逆解得到第二期望位移和第二期望速度。
在一些优选实施例中，步骤基于所述第二振动信息中的纵摇角和转动角，确定需要校正的姿态角和角速度中，基于所述纵摇角和转动角确定
后，采用数值积分确定需要校正的姿态角和角速度；
其中，采用下述公式计算
在一些优选实施例中，步骤基于所述载具和所述支撑件之间的运动学关系、所述姿态角以及所述角速度，进行运动学逆解得到第二期望位移和第二期望速度，采用公式qt＝fINV(xt-1+Δxt),
确定关节空间期望位移，采用公式
确定关节空间期望速度，其中xt-1是所述支撑件在所述第一时刻的任务空间位置信息，xt是所述支撑件在所述第二时刻的任务空间位置信息。
在一些优选实施例中，步骤基于所述载具和所述支撑件之间的运动学关系、所述第二振动信息以及所述执行机构基于所述第一期望动作的第一执行动作，确定第二期望动作中，采用设置于所述执行机构中的编码器检测所述第一执行动作。
在一些优选实施例中，采用安装于所述载具的惯导单元获取所述载具的所述第一振动信息和所述第二振动信息。
根据本发明的另一方面，本发明进一步提供主动减少晃动的系统，用于在载具行驶过程中减少载具内支撑件的晃动，包括：
振动信息获取单元，用于获取载具行驶过程中的振动信息；
期望动作计算单元，用于基于所述载具和所述支撑件之间的运动学关系、所述第一振动信息，确定第一期望动作；
执行控制单元，用于基于所述第一期望动作控制执行机构带动所述支撑件相对于所述载具运动，以在所述载具行驶过程中减少所述支撑件的晃动。
根据本发明的另一方面，本发明进一步提供主动减少晃动的座椅，包括：
底座，适于固定于载具；
惯导单元，安装于所述底座或所述载具，用于检测所述载具的振动信息；
执行机构，包括若干伸缩件和连接于所述伸缩件的驱动件，所述驱动件能够带动所述伸缩件伸缩；
座椅，所述执行机构安装于所述底座和所述座椅之间，所述底座和所述座椅之间具有预设的距离，所述伸缩件的两端分别通过转动副和球铰的方式可转动地连接于所述底座和所述座椅；
控制器，所述控制器适于基于所述振动信息、所述底座和所述座椅之间的运动学关系主动控制所述执行机构动作，以在所述载具行驶过程中减少所述座椅的晃动。
与现有技术相比，本发明所提供的主动减少晃动的方法、系统及座椅具有以下至少一条有益效果：
1、本发明所提供的主动减少晃动的方法、系统及座椅，基于载具与支撑件之间的运动学关系和所检测的载具的振动信息，主动控制执行机构动作，以减少在所述载具行驶过程中所述支撑件的晃动，提高所述支撑件上放置物品的平稳性；
2、本发明所提供的主动减少晃动的方法、系统及座椅，在获取振动信息后，通过互补滤波算法、卡尔曼滤波算法、扩展卡尔曼滤波算法等消除信号中偏差和噪声；
3、本发明所提供的主动减少晃动的方法、系统及座椅，基于惯导单元所检测到的振动信息和执行机构的具体执行情况确定当前时刻的期望动作，能够较为实时地并且较为精确地控制。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本发明的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1是本发明的优选实施例的主动减少晃动的方法的流程图；
图2、图3以及图4是本发明的优选实施例的座椅的结构示意图；
图5是本发明的优选实施例的主动减少晃动的方法所建立的坐标系的示意图；
图6和图7是本发明的优选实施例的主动减少晃动的方法的控制流程图；
图8是本发明的优选实施例的主动减少晃动的系统的结构框图。
附图标号说明：
振动信息获取单元10，期望动作计算单元20，执行控制单元30，底座1，执行机构2，伸缩件21，驱动件22，座椅3。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在本文中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参考说明书附图1至图7，本发明提供主动减少晃动的方法，用于在载具行驶过程中减少载具内支撑件的晃动，包括：
101：获取载具行驶过程中在第一时刻的第一振动信息；
102：基于所述载具和所述支撑件之间的运动学关系、所述第一振动信息，确定第一期望动作；
103：基于所述第一期望动作控制执行机构带动所述支撑件相对于所述载具运动，以在所述载具行驶过程中减少所述支撑件的晃动。
在本优选实施例所提供的所述主动减少欢动的方法中，基于载具与支撑件之间的运动学关系和所检测的载具的振动信息，主动控制执行机构动作，以减少在所述载具行驶过程中所述支撑件的晃动，提高所述支撑件上放置物品的平稳性。
优选地，所述载具是船舶，所述支撑件是座椅。可选地，所述载具还能够是汽车、飞机等交通工具。所述支撑件还能够是桌子或床。可以理解的是，所述载具荷所述支撑件的具体类型不应当构成对本发明的限制。
在一些优选实施例中，所述主动减少晃动的方法还包括：
104：获取载具行驶过程中在第二时刻的第二振动信息；
105：基于所述载具和所述支撑件之间的运动学关系、所述第二振动信息以及所述执行机构基于所述第一期望动作的第一执行动作，确定第二期望动作；
106：基于所述第二期望动作控制执行机构带动所述支撑件相对于所述载具运动。
在本优选实施例中，在确定第二时刻所对应的所述第二期望动作的过程中，在所述第一期望动作所对应的第一执行动作的基础上进行确定，从而能够提高所确定的所述第二期望动作的精准度。
在所述步骤101和所述步骤104中，采用安装于所述载具的惯导单元获取所述载具的所述第一振动信息和所述第二振动信息。所述惯导单元包括固定于所述底座上的三轴加速度计、三轴陀螺仪以及三轴磁力计，能够检测所述载具的振动信息，所述振动信息包括但不限于随体系三轴加速度和随体系三轴角速度，经过计算处理能够获得载具实时的横摇角和纵摇角。在一些优选实施例中，所述惯导单元还包括GPS，以增强感知精度。
在步骤105中，采用设置于所述执行机构中的编码器检测所述第一执行动作。
在一些优选实施例中，在步骤104和步骤105之间还包括：
107：通过互补滤波算法、卡尔曼滤波算法或扩展卡尔曼滤波算法消除所述振动信号中的偏差和噪声。
在一些优选实施例中，步骤105包括：
1051：基于所述第二振动信息中的纵摇角和转动角，确定需要校正的姿态角和角速度；
1052：基于所述载具和所述支撑件之间的运动学关系、所述姿态角以及所述角速度，进行运动学逆解得到第二期望位移和第二期望速度。
在步骤1051中，基于所述纵摇角和转动角确定
后，采用数值积分确定需要校正的姿态角和角速度；
其中，采用下述公式计算防晕任务的控制率
其中，当座椅的放置方向和载具的方向一致时(座椅上人面向载具的头部)，此时纵摇角是绕x轴的转动角α，横摇角是绕z轴的转动角γ。记惯导单元度量的船舶纵摇角和横摇角分别为αA,γA，座椅面相对底座的纵摇角和横摇角为Δα,Δγ，则座椅面在惯性空间的纵摇角和横摇角为
αB＝αA+Δα,γB＝γA+Δγ (2)
任务空间控制率的设计目标是使角度αB,γB为0，优选采用公式(1)中的PID控制算法。
在步骤1052中，采用下述公式(3)确定关节空间期望位移，采用公式(4)确定关节空间期望速度，其中xt-1是所述支撑件在所述第一时刻的任务空间位置信息，xt是所述支撑件在所述第二时刻的任务空间位置信息。
参考说明书附图2、图3以及图4，在一些优选实施例中，所述支撑件是座椅，包括底座1、惯导单元、执行机构2、座椅3以及控制器。所述底座1适于固定于载具；所述惯导单元安装于所述底座1或所述载具，用于检测所述载具的振动信息；所述执行机构2包括若干伸缩件21和连接于所述伸缩件21的驱动件22，所述驱动件22能够带动所述伸缩件21伸缩；所述执行机构2安装于所述底座1和所述座椅3之间，所述底座1和所述座椅3之间具有预设的距离，所述伸缩件21的两端分别通过转动副和球铰的方式可转动地连接于所述底座1和所述座椅3；所述控制器适于基于所述振动信息、所述底座1和所述座椅3之间的运动学关系主动控制所述执行机构2动作，以在所述载具行驶过程中减少所述座椅3的晃动。
参考说明书附图5，在底座和座椅面的中心位置，分别建立随体坐标系OAxAyAzA和随体坐标系OBxByBzB。座椅面为此并联机器人的任务空间或操作空间，其相对于底座的6维运动为Δx,Δy,Δz,Δα,Δβ,Δγ，前三维为相对移动，后三维为相对转动。这6维运动中只有3个独立运动，其它3个为对应的耦合运动，可选择Δy,Δα,Δγ为独立的三维运动(分别代表垂荡、纵摇和横摇)，作为防晕座椅的任务空间坐标。
防晕座椅的关节空间坐标为q1,q2,q3，分别代表三个执行机构的相对移动。根据几何学和机器人运动学知识，可以推导出此并联机器人的运动学逆解为：
对上式求导，得到
其中，J为逆运动学的速度映射雅克比矩阵。
同样的，可以推导出此并联机器人的运动学正解为
x＝fFWD(q) (7)
需要指出的是，三个所述伸缩件与所述底座的3个铰接点、三个所述伸缩件与所述座椅的3个铰接点优选均为等边三角形时，此时存在显示的解析正解。在一些变形实施方式中，还能够是非等边三角形，此种情况下可能只存在近似的解析正解。
参考说明书附图8，根据本发明的另一方面，本发明进一步提供主动减少晃动的系统，用于在载具行驶过程中减少载具内支撑件的晃动，包括振动信息获取单元10、期望动作计算单元20以及执行控制单元30。所述振动信息获取单元10用于获取载具行驶过程中的振动信息；所述期望动作计算单元20用于基于所述载具和所述支撑件之间的运动学关系、所述第一振动信息，确定第一期望动作；所述执行控制单元30，用于基于所述第一期望动作控制执行机构带动所述支撑件相对于所述载具运动，以在所述载具行驶过程中减少所述支撑件的晃动。
将座椅安装在6自由度振动台上，同时施加横摇和纵摇激励，测试结果如下：测试激励的最大俯仰角9°，最大横摇角9°，座椅面的最大横摇角约0.6°，最大俯仰角约0.6°，减摇效率达到93.3％，可以满足船舶防晕的实际要求。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.主动减少晃动的方法，用于在载具行驶过程中减少载具内支撑件的晃动，其特征在于，包括：
获取载具行驶过程中在第一时刻的第一振动信息；
基于所述载具和所述支撑件之间的运动学关系、所述第一振动信息，确定第一期望动作；
基于所述第一期望动作控制执行机构带动所述支撑件相对于所述载具运动，以在所述载具行驶过程中减少所述支撑件的晃动。
2.根据权利要求1所述的主动减少晃动的方法，其特征在于，还包括：
获取载具行驶过程中在第二时刻的第二振动信息；
基于所述载具和所述支撑件之间的运动学关系、所述第二振动信息以及所述执行机构基于所述第一期望动作的第一执行动作，确定第二期望动作；
基于所述第二期望动作控制执行机构带动所述支撑件相对于所述载具运动。
3.根据权利要求2所述的主动减少晃动的方法，其特征在于，步骤获取载具行驶过程中在第二时刻的第二振动信息和步骤基于所述载具和所述支撑件之间的运动学关系、所述第二振动信息，确定第二期望动作，之间还包括：
通过互补滤波算法、卡尔曼滤波算法或扩展卡尔曼滤波算法消除所述振动信号中的偏差和噪声。
4.根据权利要求2所述的主动减少晃动的方法，其特征在于，步骤基于所述载具和所述支撑件之间的运动学关系、所述第二振动信息，确定第二期望动作，包括：
基于所述第二振动信息中的纵摇角和转动角，确定需要校正的姿态角和角速度；
基于所述载具和所述支撑件之间的运动学关系、所述姿态角以及所述角速度，进行运动学逆解得到第二期望位移和第二期望速度。
5.根据权利要求4所述的主动减少晃动的方法，其特征在于，步骤基于所述第二振动信息中的纵摇角和转动角，确定需要校正的姿态角和角速度中，基于所述纵摇角和转动角确定
后，采用数值积分确定需要校正的姿态角和角速度；
其中，采用下述公式计算
6.根据权利要求5所述的主动减少晃动的方法，其特征在于，步骤基于所述载具和所述支撑件之间的运动学关系、所述姿态角以及所述角速度，进行运动学逆解得到第二期望位移和第二期望速度，采用公式qt＝fINV(xt-1+Δxt),
确定关节空间期望位移，采用公式
确定关节空间期望速度，其中xt-1是所述支撑件在所述第一时刻的任务空间位置信息，xt是所述支撑件在所述第二时刻的任务空间位置信息。
7.根据权利要求2所述的主动减少晃动的方法，其特征在于，步骤基于所述载具和所述支撑件之间的运动学关系、所述第二振动信息以及所述执行机构基于所述第一期望动作的第一执行动作，确定第二期望动作中，采用设置于所述执行机构中的编码器检测所述第一执行动作。
8.根据权利要求2所述的主动减少晃动的方法，其特征在于，采用安装于所述载具的惯导单元获取所述载具的所述第一振动信息和所述第二振动信息。
9.主动减少晃动的系统，用于在载具行驶过程中减少载具内支撑件的晃动，其特征在于，包括：
振动信息获取单元，用于获取载具行驶过程中的振动信息；
期望动作计算单元，用于基于所述载具和所述支撑件之间的运动学关系、所述第一振动信息，确定第一期望动作；
执行控制单元，用于基于所述第一期望动作控制执行机构带动所述支撑件相对于所述载具运动，以在所述载具行驶过程中减少所述支撑件的晃动。
10.主动减少晃动的座椅，其特征在于，包括：
底座，适于固定于载具；
惯导单元，安装于所述底座或所述载具，用于检测所述载具的振动信息；
执行机构，包括若干伸缩件和连接于所述伸缩件的驱动件，所述驱动件能够带动所述伸缩件伸缩；
座椅，所述执行机构安装于所述底座和所述座椅之间，所述底座和所述座椅之间具有预设的距离，所述伸缩件的两端分别通过转动副和球铰的方式可转动地连接于所述底座和所述座椅；
控制器，所述控制器适于基于所述振动信息、所述底座和所述座椅之间的运动学关系主动控制所述执行机构动作，以在所述载具行驶过程中减少所述座椅的晃动。
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