CN216558983U - 多自由度移动旋转的惯性测量单元测试平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种多自由度移动旋转的惯性测量单元测试平台，Z轴旋转组件安装于旋转工作台固定支架内，且其活动端可绕Z轴旋转；Y轴旋转组件安装于Z轴旋转组件的活动端内，且其活动端可绕Y轴旋转；X轴旋转组件安装于Y轴旋转组件的活动端内，且其活动端可绕X轴旋转；X轴支架上设有惯性测量单元、且其与X轴旋转组件的活动端连接，惯性测量单元与外界之间通过无线方式传输数据；旋转组件的活动端上设有角位移传感器，角位移传感器、旋转组件电机通过有线连接方式与测控系统连接，测控系统可以驱动电机旋转以及角位移传感器数据采集。本实用新型结构紧凑，体积小，充分利用旋转平台的空间，使其布局合理化，减少运动平台自身的高度和体积。

Description

多自由度移动旋转的惯性测量单元测试平台

技术领域

本实用新型涉及惯性测量技术领域，具体涉及多自由度移动旋转的惯性测量单元测试平台。

背景技术

惯性测量单元常用于测量运动物体的实时姿态，在无人运动系统姿态测量领域具有着广阔的应用前景。精确的运动系统控制离不开高精度的惯性测量单元。因此，惯性测量单元的测量精度成为研究人员关注的焦点。而今市场上的惯性测量单元因价格、解算算法等差异导致品质良莠不齐，因此往往需要在使用前进行全方位的检测、调校、优化解算算法等一系列提高精度的操作。惯性测量单元全方位的检测、调校以及算法优化等实验通常需要借助多自由度移动旋转的测试平台。目前，市面上惯性测量单元的测试平台种类虽然不少，但大多数价格昂贵，体积庞大，控制系统复杂，难以实现复杂的运动模式。这会给一些小型企业或者科研实验室以及普通人群的使用带来了诸多不便，由此造成推广上的困难。

如公开号为CN106352899A的中国发明专利申请，公开了一种惯性测量单元三自由度快速标定装置，包括能够旋转的转台，所述转台上固定有圆轨道，所述圆轨道内圈设有转动环，所述转动环能够在圆轨道上转动，所述转动环上设有转轴，所述转轴相对于所述转动环能够转动；所述转动环上固定有测试组件，所述测试组件包括至少一个惯性测量单元。本发明的惯性测量单元三自由度快速标定装置具有精度较高、操作方便、维护便利，且成本低的优点。但上述方案需要手动转动转动环和转轴，测试时不够灵活方便。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种低成本、小体积、易操作的多自由度移动旋转的惯性测量单元测试平台。

为解决上述技术问题，本实用新型公开了一种多自由度移动旋转的惯性测量单元测试平台，包括机械机构，所述机械机构包括旋转工作台；旋转工作台包括旋转工作台固定支架、Z轴旋转组件、Y轴旋转组件和X轴旋转组件；所述Z轴旋转组件安装于旋转工作台固定支架内，且其活动端可绕Z轴旋转；所述Y轴旋转组件安装于Z轴旋转组件的活动端内，且其活动端可绕Y轴旋转；所述X轴旋转组件安装于Y轴旋转组件的活动端内，且其活动端可绕X轴旋转；惯性测量单元安装于X轴旋转组件的活动端；Z轴旋转组件的活动端、Y轴旋转组件的活动端和X轴旋转组件的活动端上均设有角位移传感器。

优选的，Z轴、Y轴和X轴三条轴线交汇于一点，惯性测量单元位于交汇点上。

优选的，所述Z轴旋转组件包括Z轴支架和Z轴电机，所述Z轴电机通过Z轴电机支架固定在旋转工作台固定支架下，Z轴电机输出轴穿过旋转工作台固定支架与位于旋转工作台固定支架内的Z轴支架连接；Z轴角位移传感器通过Z轴角位移传感器支架固定在旋转工作台固定支架上，且通过Z轴角位移传感器联轴器与Z轴支架连接。

优选的，所述Z轴旋转组件还包括设置在Z轴支架上的12路10A的导电滑环。

优选的，所述Y轴旋转组件包括Y轴支架和Y轴电机，所述Y轴电机通过Y轴电机支架固定在Z轴支架一侧上，Y轴电机输出轴与位于Z轴支架内的Y轴支架连接；Y轴角位移传感器通过Y轴角位移传感器支架固定在Z轴支架上相对Y轴电机的另一侧，且通过Y轴角位移传感器联轴器与Y轴支架连接。

优选的，所述Y轴旋转组件还包括设置在Y轴支架的6路5A的导电滑环。

优选的，所述Y轴旋转组件还包括固定支架，固定支架固定于Z轴支架内，且与Z轴支架成十字形状；所述Y轴电机通过Y轴电机支架固定在固定支架一侧上，Y轴电机输出轴与位于固定支架内的Y轴支架连接；Y轴角位移传感器通过Y轴角位移传感器支架固定在固定支架上相对Y轴电机的另一侧，且通过Y轴角位移传感器联轴器与Y轴支架连接。

所述X轴旋转组件包括X轴支架和X轴电机，所述X轴电机通过X轴电机支架固定在Y轴支架一侧上，X轴电机输出轴与位于Y轴支架内的X轴支架连接；X轴角位移传感器通过X轴角位移传感器支架固定在Y轴支架上相对X轴电机的另一侧，且通过X轴角位移传感器联轴器与X轴支架连接；所述惯性测量单元安装于X轴支架上。

优选的，为了可以实现旋转工作台的前、后、左、右移动，所述机械机构还包括十字水平移动滑台，所述十字水平移动滑台包括可沿纵向移动的纵向移动滑台和安装于纵向移动滑台上的可沿横向移动的横向移动滑台，所述旋转工作台安装于横向移动滑台上。

优选的，所述纵向移动滑台和横向移动滑台为丝杆滑台，横向移动滑台的横向滑台底座安装于纵向移动滑台的纵向滑台负载板上。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)本实用新型结构紧凑，体积小，结构稳定，使用寿命长，成本低；可实现多自由度旋转，并充分利用旋转平台的空间，使其布局合理化，减少运动平台自身的高度和体积，优化结构减少一些昂贵构件的使用，降低成本。

(2)可以形成待测惯性测量单元的位姿闭环控制，便于实现多种复杂运动模式。本测试平台以电机为驱动件，轴支架以及角位移传感器为从动件，通过电机驱动各轴支架全方位旋转，电机与惯性测量单元、角位移传感器形成一个闭环控制系统。

(3)十字水平移动滑台上的电机驱动纵、横向两级滑台的负载平台在水平方向上的自由移动，以此拖动安装在负载平台上的多自由旋转工作台运动，实现不同的运动模式，从而有效模拟无人运动系统在运动过程中的姿态变化情况。

(4)易于实现电机控制，可接收并保存姿态数据，便于后续惯性测量单元姿态解算算法的评估。测控系统与测试平台之间的通讯，为测试平台实现各种复杂的运动模式奠定了基础；且可以接收并保存姿态数据用于后续处理。通过对比惯性测量单元解算输出与角位移传感器的姿态信息，可知对应惯性测量单元的测量精度并校准，评估姿态解算方法的可靠性。

(5)本实用新型为一种可实现模拟运动系统复杂运动模式的多自由度移动旋转的测试平台，为惯性测量单元的检测、调校及解算方法的验证带来了极大的便利。

附图说明

图1为本实用新型多自由度移动旋转的惯性测量单元测试平台的结构简图；

图2为本实用新型多自由度移动旋转的惯性测量单元测试平台一个视图的结构示意图；

图3为本实用新型多自由度移动旋转的惯性测量单元测试平台另一视图的结构示意图。

附图标记：1、旋转工作台固定支架，2、Z轴旋转组件，21、Z轴支架，22、Z轴电机，23、Z轴电机支架，24、Z轴角位移传感器，25、Z轴角位移传感器支架，26、Z轴角位移传感器联轴器，27、12路10A的导电滑环，28、Z轴电机联轴器，3、Y轴旋转组件，31、Y轴支架，32、Y轴电机，33、Y轴电机支架，34、Y轴角位移传感器，35、Y轴角位移传感器支架，36、Y轴角位移传感器联轴器，37、6路5A的导电滑环，38、固定支架，39、Y轴电机联轴器，4、X轴旋转组件，41、X轴支架，42、X轴电机，43、X轴电机支架，44、X轴角位移传感器，45、X轴角位移传感器支架，46、X轴电机联轴器，47、X轴角位移传感器联轴器，5、惯性测量单元，6、固定底座，7、纵向移动滑台，71、纵向滑台底座，72、纵向滑台电机，73、纵向滑台螺杆，74、纵向滑台负载板，75、纵向滑台导轨，76、纵向滑台电机联轴器，8、横向移动滑台，81、横向滑台底座，82、横向滑台电机，83、横向滑台螺杆，84、横向滑台负载板，85、横向滑台导轨，86、横向滑台电机联轴器，9、连接板。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的和优点更清楚明了，下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。

本实用新型公开了一种多自由度移动旋转的惯性测量单元测试平台，如图1、2所示，包括机械机构和测控系统，所述机械机构包括旋转工作台和十字水平移动滑台。本实用新型的旋转工作台可以实现三轴同时无死角旋转360°，其旋转速度、旋转方向、旋转角度、旋转模式等可调；所示十字水平移动滑台可以实现纵横两级滑台的负载同时朝不同水平移动，移动速度、移动方向、移动距离、旋转模式等可调。测控系统与测试平台之间的通讯采用导电滑环连接，能够有效的避免电机旋转过程中出现的绞线问题，其中测控系统与测试平台之间的通讯主要为对电机的控制和角位移传感器的数据采集。

所述旋转工作台包括旋转工作台固定支架1、Z轴旋转组件2、Y轴旋转组件3和X轴旋转组件4，Z轴、Y轴和X轴三条轴线交汇于一点，惯性测量单元5位于交汇点上。

所述Z轴旋转组件2安装于旋转工作台固定支架1内，且其活动端可绕Z轴旋转；所述Y轴旋转组件3安装于Z轴旋转组件2的活动端内，且其活动端可绕Y轴旋转；所述X轴旋转组件4安装于Y轴旋转组件3的活动端内，且其活动端可绕X轴旋转；所述惯性测量单元5与X轴旋转组件4的活动端连接。Z轴旋转组件2的活动端、Y轴旋转组件3的活动端和X轴旋转组件4的活动端上均设有相应的角位移传感器，即Z轴角位移传感器24、Y轴角位移传感器34、X轴角位移传感器44。Z轴旋转组件2、Y轴旋转组件3、X轴旋转组件4的电机以及角位移传感器均通过有线方式(导电滑环)与测控系统进行通讯，实现测试平台运动控制以及数据采集。

作为一种优选实施方式，Z轴旋转组件2包括Z轴支架21和Z轴电机22，所述Z轴电机22通过Z轴电机支架23固定在旋转工作台固定支架1下，Z轴电机22通过Z轴电机联轴器28穿过旋转工作台固定支架1与位于旋转工作台固定支架1内的Z轴支架21连接。Z轴角位移传感器24通过Z轴角位移传感器支架25固定在旋转工作台固定支架1上，且Z轴角位移传感器24通过Z轴角位移传感器联轴器26与Z轴支架21连接；在Z轴电机22的驱动下，Z轴支架21可绕Z轴旋转。为了保证Z轴旋转的稳定性，Z轴电机联轴器28和Z轴角位移传感器联轴器26在同一轴线上。12路10A的导电滑环27安装在Z轴支架上，用于Z轴电机22以及Z轴角位移传感器24与测控系统之间的通讯连接。另外Z轴电机支架23上的凹槽通过挤压方式将Z轴轴肩上的Z轴轴承一的外圈固定在旋转工作台固定支架1上，以及Z轴角位移传感器支架25上的凹槽别通过挤压方式将Z轴轴肩上的Z轴轴承二的外圈固定在旋转工作台固定支架1上，以减轻Z轴电机22输出扭矩，保证Z轴与旋转工作台之间顺利实现相对运动。

作为一种优选实施方式，所述Y轴旋转组件3包括Y轴支架31和Y轴电机32，所述Y轴电机32通过Y轴电机支架33固定在Z轴支架21一侧上，Y轴电机32输出轴通过Y轴电机联轴器39与位于Z轴支架21内的Y轴支架31连接；Y轴角位移传感器34通过Y轴角位移传感器支架35固定在Z轴支架21相对于Y轴电机32的另一侧上，且通过Y轴角位移传感器联轴器36与Y轴支架31连接。作为另一种优选实施方式，所述Y轴旋转组件3包括Y轴支架31、Y轴电机32和固定支架38，固定支架38固定于Z轴支架21内，且与Z轴支架21成十字形状，固定支架38可随Z轴支架21一起绕Z轴旋转。所述Y轴电机32通过Y轴电机支架33固定在固定支架38一侧上，Y轴电机32通过Y轴电机联轴器39与位于固定支架38内的Y轴支架31连接；Y轴角位移传感器34通过Y轴角位移传感器支架35固定在固定支架38相对Y轴电机32的另一侧上，且通过Y轴角位移传感器联轴器36与Y轴支架31连接；在Y轴电机32的驱动下，Y轴支架31可绕Y轴旋转。Y轴电机支架33、Y轴角位移传感器支架35上的凹槽分别通过挤压方式将Y轴轴肩上的Y轴轴承一、Y轴轴承二的外圈固定在Z轴支架上，以减轻Y轴电机32输出扭矩，保证Y轴与Z轴之间顺利实现相对运动。另外6路5A的导电滑环37通过紧定螺钉固定在Y轴支架31上。

作为一种优选实施方式，所述X轴旋转组件4包括X轴支架41和X轴电机42，所述X轴电机42通过X轴电机支架43固定在Y轴支架31一侧上，X轴电机42通过X轴电机联轴器46与位于Y轴支架31内的X轴支架41连接；所述惯性测量单元5设置于X轴支架41上。X轴角位移传感器44通过X轴角位移传感器支架45固定在Y轴支架31相对X轴电机42的另一侧上，并通过X轴角位移传感器联轴器47与X轴支架41连接，在X轴电机42的驱动下，X轴支架41可绕X轴旋转。X轴电机联轴器46与X轴角位移传感器联轴器47在同一直线上，且该直线和Y轴电机联轴器39与Y轴角位移传感器联轴器36的连线呈十字交叉。X轴电机支架43、X轴角位移传感器支架45上的凹槽分别通过挤压方式将X轴轴肩上的X轴轴承一、二的外圈固定在Y轴支架31上，以减轻X轴电机输出扭矩，保证X轴与Y轴之间顺利实现相对运动。

所述十字水平移动滑台包括固定底座9、纵向移动滑台7和横向移动滑台8，所述纵向移动滑台7和横向移动滑台8结构相同，均为丝杆滑台。纵向移动滑台7包括纵向滑台底座71、纵向滑台电机72、纵向滑台螺杆73、纵向滑台负载板74和纵向滑台导轨75。所述纵向滑台底座71安装在固定底座9上，纵向滑台导轨75则沿纵向安装在纵向滑台底座71上。所述纵向滑台电机72固定在纵向滑台底座71上，并通过纵向滑台电机联轴器76与纵向滑台螺杆73相连。所述纵向滑台螺杆73两端分别通过纵向滑台轴承一、纵向滑台轴承二支撑，纵向滑台轴承一、纵向滑台轴承二固定于纵向滑台底座71的两端上，且纵向滑台螺杆73穿过设在纵向滑台导轨75上的纵向滑台负载板74，在纵向滑台电机72的驱动下，纵向滑台负载板74可沿纵向滑台导轨75进行前后移动。横向移动滑台7包括横向滑台底座81、横向滑台电机82、横向滑台螺杆83、横向滑台负载板84和横向滑台导轨85。所述横向滑台底座81安装在纵向滑台负载板74上，横向滑台导轨85则沿横向安装在横向滑台底座81上。所述横向滑台电机82固定在横向滑台底座81上，并通过横向滑台电机联轴器86与横向滑台螺杆83相连。所述横向滑台螺杆83两端分别通过横向滑台轴承一、横向滑台轴承二固定在横向滑台底座81的左、右端上，且横向滑台螺杆83穿过设在横向滑台导轨85上的横向滑台负载板84，在横向滑台电机81的驱动下，横向滑台负载板84可沿横向滑台导轨85进行左右移动。所述旋转工作台固定支架1通过连接板9固连在横向滑台负载板84上。

所述测控系统的电机控制系统通讯模块用于实现工控机与测试平台电机之间的通讯，从而控制电机，使测试平台能够实现全方位不同速度、不同模式的运动，其中每个电机的驱动模式分别有：匀速运动、匀变速运动(匀加速和匀减速)、正弦变化运动(正弦衰减和正弦递增)。测控系统中的数据采集模块用于接收、保存角位移传感器、惯性测量单元姿态信息。

本实用新型的一种多自由度移动旋转的惯性测量单元测试平台，其目的是给惯性单元测量检测、误差标定、校准以及解算算法的评估提供一个低成本、小体积、易操作的试验平台。测控系统控制各轴电机实现不同的运动模式并接收测试平台采集的每个轴端上的角位移传感器所测量的模拟量，用于后续对比惯性测量单元解输出的姿态信息，从而确定惯性测量单元的测量精度，评估姿态解算算法、标定和校准惯性测量单元；也可以安置不同精度、成本的惯性测量单元，利用精度较高者调教较低者，从而提高后者精度达到满足客户需求，节约使用成本。通过本测试平台，模拟物体运动并检测其实时姿态参数，一方面，在很大程度上节约了惯性测量单元检测的成本，成为姿态解算方法验证的可靠平台；另一方面测控系统让实验平台更易于实现复杂的运动模式，有效地模拟无人运动系统的姿态变化情况，极大提高了姿态测量单元的检测效率。因此，该惯性测量单元测试平台的设计有望得到日常使用、投入较小的企业以及科研实验室等方向研究人员的青睐。

上述实施例，仅为对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本实用新型并非限定于此。凡在本实用新型的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.多自由度移动旋转的惯性测量单元测试平台，其特征在于：包括机械机构，所述机械机构包括旋转工作台；旋转工作台包括旋转工作台固定支架(1)、Z轴旋转组件(2)、Y轴旋转组件(3)和X轴旋转组件(4)；所述Z轴旋转组件(2)安装于旋转工作台固定支架(1)内，且其活动端可绕Z轴旋转；所述Y轴旋转组件(3)安装于Z轴旋转组件(2)的活动端内，且其活动端可绕Y轴旋转；所述X轴旋转组件(4)安装于Y轴旋转组件(3)的活动端内，且其活动端可绕X轴旋转，惯性测量单元(5)安装于X轴旋转组件(4)的活动端上；Z轴旋转组件(2)的活动端、Y轴旋转组件(3)的活动端和X轴旋转组件(4)的活动端上均设有角位移传感器。

2.根据权利要求1所述的多自由度移动旋转的惯性测量单元测试平台，其特征在于：Z轴、Y轴和X轴三条轴线交汇于一点，惯性测量单元(5)位于交汇点上。

3.根据权利要求1所述的多自由度移动旋转的惯性测量单元测试平台，其特征在于：所述Z轴旋转组件(2)包括Z轴支架(21)和Z轴电机(22)，所述Z轴电机(22)通过Z轴电机支架(23)固定在旋转工作台固定支架(1)下，Z轴电机(22)输出轴穿过旋转工作台固定支架(1)与位于旋转工作台固定支架(1)内的Z轴支架(21)连接；Z轴角位移传感器(24)通过Z轴角位移传感器支架(25)固定在旋转工作台固定支架(1)上，且通过Z轴角位移传感器联轴器(26)与Z轴支架(21)连接。

4.根据权利要求3所述的多自由度移动旋转的惯性测量单元测试平台，其特征在于：所述Z轴旋转组件(2)还包括设置在Z轴支架(21)上的12路10A的导电滑环(27)。

5.根据权利要求3所述的多自由度移动旋转的惯性测量单元测试平台，其特征在于：所述Y轴旋转组件(3)包括Y轴支架(31)和Y轴电机(32)，所述Y轴电机(32)通过Y轴电机支架(33)固定在Z轴支架(21)一侧上，Y轴电机(32)输出轴与位于Z轴支架(21)内的Y轴支架(31)连接；Y轴角位移传感器(34)通过Y轴角位移传感器支架(35)固定在Z轴支架(21)上相对Y轴电机(32)的另一侧，且通过Y轴角位移传感器联轴器(36)与Y轴支架(31)连接。

6.根据权利要求5所述的多自由度移动旋转的惯性测量单元测试平台，其特征在于：所述Y轴旋转组件(3)还包括设置在Y轴支架(31)的6路5A的导电滑环(37)。

7.根据权利要求5所述的多自由度移动旋转的惯性测量单元测试平台，其特征在于：所述Y轴旋转组件(3)还包括固定支架(38)，固定支架(38)固定于Z轴支架(21)内，且与Z轴支架(21)成十字形状；所述Y轴电机(32)通过Y轴电机支架(33)固定在固定支架(38)一侧上，Y轴电机(32)输出轴与位于固定支架(38)内的Y轴支架(31)连接；Y轴角位移传感器(34)通过Y轴角位移传感器支架(35)固定在固定支架(38)上相对Y轴电机(32)的另一侧，且通过Y轴角位移传感器联轴器(36)与Y轴支架(31)连接。

8.根据权利要求5所述的多自由度移动旋转的惯性测量单元测试平台，其特征在于：所述X轴旋转组件(4)包括X轴支架(41)和X轴电机(42)，所述X轴电机(42)通过X轴电机支架(43)固定在Y轴支架(31)一侧上，X轴电机(42)输出轴与位于Y轴支架(31)内的X轴支架(41)连接；X轴角位移传感器(44)通过X轴角位移传感器支架(45)固定在Y轴支架(31)上相对X轴电机(42)的另一侧，且通过X轴角位移传感器联轴器(47)与X轴支架(41)连接；所述惯性测量单元(5)安装于X轴支架(41)上。

9.根据权利要求5所述的多自由度移动旋转的惯性测量单元测试平台，其特征在于：所述机械机构还包括十字水平移动滑台，所述十字水平移动滑台包括可沿纵向移动的纵向移动滑台(7)和安装于纵向移动滑台(7)上的可沿横向移动的横向移动滑台(8)，所述旋转工作台安装于横向移动滑台(8)上。

10.根据权利要求9所述的多自由度移动旋转的惯性测量单元测试平台，其特征在于：所述纵向移动滑台(7)和横向移动滑台(8)为丝杆滑台，横向移动滑台(8)的横向滑台底座安装于纵向移动滑台(7)的纵向滑台负载板(74)上。

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