一种基于惯性测量单元的并联运动平台直线轴校准方法

1.本发明涉及一种基于惯性测量单元的并联运动平台直线轴校准方法。


背景技术：

2.并联运动平台的精度问题是当前的一大研究热点，并联运动平台可以看作一个闭环运动链机构，影响并联运动平台精度的因素主要有制造和装配误差及驱动误差。平台通过校准可以获得更好的精度，因此并联运动平台的校准是精度分析的基础。
3.多自由度位姿测量一直是机器人领域的难题。目前，常用的并联运动平台直线轴校准方法有激光跟踪仪测量法和机械测量方法。基于激光干涉原理的激光跟踪仪测量法具有操作简单、全自动跟踪、测量速度快与动态性能较好等优势，能够实现高精度的平台旋转运动测量，但是激光跟踪仪测量系统复杂、体积大、成本高、对测量距离要求严格、测量范围有限，在激光跟踪仪靶球靶座安装时会引入新误差，并且很难跟踪高频运动难以实现测试。传统的机械测量方法需一个双轴或三轴向倾角传感器即可测量平台旋转的角度及角速度，具有测量系统简单、成本低、灵活、高效等优势，但受传感器自身频率特性的限制，其测量精度通常不高。惯性测量单元具有高效、高稳定性、动态范围宽、体积小、数字输出、动态测量等优势。使用惯性测量单元进行并联运动平台的校准，可以一次性得到并联运动平台的位姿，得到在直线运动时在其余五个自由度的偏差，为并联运动平台的校准提供外部测量信息。
4.针对当前的并联运动平台直线轴校准方法存在测量系统复杂、灵活性差、成本高，且易引入新误差等不足，本发明提出一种高效、高稳定性、动态范围宽、数字输出、测量范围大的基于惯性测量单元的并联平台直线轴校准方法。基于惯性测量单元的并联运动平台直线轴校准方法可一次性直接测量平台直线运动的全部参量，为六自由度动态位姿测量提供基础。


技术实现要素：

5.针对当前的并联运动平台直线轴校准存在测量系统复杂、灵活性差、成本高，且易引入新误差等不足，本发明提出一种高效、高稳定性、动态范围宽、数字输出、测量范围大的基于惯性测量单元的并联运动平台校准方法。
6.一种基于惯性测量单元的平台并联运动平台校准方法所需装置，包括并联运动平台、直流电源、惯性测量单元和便携式计算机；将惯性测量单元安装位于平台的正中心，并将三个轴向对齐，数据采集串口和带数据接受处理功能的便携式计算机相连。
7.一种采用所述的基于惯性测量单元的并联运动平台直线轴校准方法，步骤如下：
8.1.1)：将惯性测量单元紧固于被校准并联运动平台的正中心，并使其三个轴向与运动平台的三个运动方向对齐，控制被校准并联运动平台回到零位。
9.1.2)：设置好校准过程中并联运动平台需要测试的直线轴q
1j
，其中j＝x、y、 z，以及平台的运动频率f；
10.1.3)：控制被校准并联运动平台以运动频率点f沿直线轴q
1j
作正弦运动，利用惯性测量单元获得平台其余两个轴向的位姿偏差。将惯性测量单元测得的所有频率的两轴向位姿偏差集合记为q
2j
，并控制并联运动平台使其再次回零；
11.1.4)：重复步骤1.3，直到完成并联运动平台所有直线轴向位姿偏差的测试，同理获得其余两轴向的位姿偏差集合q
2i
；
12.1.5)：基于获得的所有直线轴向位姿偏差建立并联运动平台的结构参数误差模型：
13.δl＝jnδc jmδm
ꢀꢀꢀ
(1)
14.式中：
[0015][0016]jm
＝diag([ji])
[0017]
其中：ji＝[-s
it s
it
r-λis
it
δi]
[0018]
δl＝[dli]
t
[0019]
δc＝[dp dω]
t
[0020][0021]
所有式中i＝1,2,
…
,6。
[0022]
由于并联机构的可控性要求机构非奇异不会出现
‘
死点’，即jn可逆，所以式(1)可转换为：
[0023]
δc＝j[δlδm]
t
ꢀꢀꢀ
(2)
[0024]
式中：j为并联机构的误差雅可比矩阵。
[0025]
式中：δl为并联运动平台电动缸杆长误差；δc为动平台位姿误差；dp为动平台沿坐标轴的移动误差；dω为动平台绕坐标轴的姿态角误差；δm中dbi为静平台虎克铰铰点误差；dai为动平台铰点误差；dti为导轨方向向量；jn中si为并联运动平台电动缸在静平台下的方向向量；r为动平台到静平台的旋转矩阵；ai为动平台铰点在动平台坐标系下的位置坐标；jm中λi为驱动；δi为平台导轨方向向量微分系数；变量右上角符号t为矩阵的转置，-1为矩阵的逆。
[0026]
1.6)：利用测量的误差数据联立并联运动平台的雅可比误差方程，基于 max||q
2j
||《σ准则，使得σ趋近0。通过计算求得并联运动平台的结构误差，完成平台的直线轴向校准。
[0027]
本发明平面运动位移及轨迹测量方法具有如下优势：
[0028]
(1)本发明方法针对现有的并联运动平台误差校准中的不足，利用惯性测量单元在惯性测量上的独特优势：动态测试、采样频率大、实时显示并联机构的运动误差。设计了一种基于惯性测量单元的并联运动平台直线轴校准方法。(2) 本发明方法测量过程简单、灵活、高效、系统成本低，步骤1.3)中适用于不同频率范围的并联运动平台直线轴校准，针对角度与位置的测量只需要一个惯性测量单元即可。
附图说明
[0029]
附图1为本发明方法具体实施实例装置示意图；
[0030]
附图2为一种基于惯性测量单元的并联运动平台直线轴校准方法流程图；
具体实施方式
[0031]
针对当前的并联运动平台旋转动态测试方法存在测量系统复杂、灵活性差、成本高，且易引入新误差等不足，本发明提出一种高效、高稳定性、动态范围宽、数字输出、测量范围大的基于惯性测量单元的平台测试方法。本发明方法利用惯性测量单元的优势，直接进行并联运动平台直线轴位姿校准，下面结合附图和具体的实施实例对本发明做出详细描述。
[0032]
参考图1为本发明方法的实施实例装置示意图，该装置主要包括：并联运动平台(1)、直流电源(2)、惯性测量单元(3)和便携式计算机(4)；将惯性测量单元(3)安装到并联运动平台(1)中心位置，数据采集串口(6)和带数据接受处理功能的便携式计算机(4)相连，保存和显示测量结果。
[0033]
参考图2为一种基于惯性测量单元的并联运动平台直线轴校准方法流程图。
[0034]
本发明测量方法主要包括以下步骤：
[0035]
步骤s1：将惯性测量单元紧固于被校准并联运动平台的正中心，并使其三个轴向与运动平台的三个运动方向对齐，控制被校准并联运动平台回到零位。
[0036]
步骤s2：设置好校准过程中并联运动平台需要测试的直线轴q
1j
，其中j＝x、 y、z，以及平台的运动频率f；
[0037]
步骤s3：控制被校准并联运动平台以运动频率点f沿直线轴q
1j
作正弦运动，利用惯性测量单元获得平台其余两个轴向的位姿偏差。将惯性测量单元测得的所有频率的两轴向位姿偏差集合记为q
2j
，并控制并联运动平台使其再次回零；
[0038]
步骤s4：重复步骤s3，直到完成并联运动平台所有直线轴向位姿偏差的测试，同理获得其余两轴向的位姿偏差集合q
2j
；
[0039]
步骤s5：基于获得的所有直线轴向位姿偏差建立并联运动平台的结构参数误差模型：
[0040]
δl＝jnδc jmδm
ꢀꢀꢀ
(1)
[0041]
式中：
[0042][0043]jm
＝diag([ji])
[0044]
其中：ji＝[-s
it s
it
r-λis
it
δi]
[0045]
δl＝[dli]
t
[0046]
δc＝[dp dω]
t
[0047][0048]
所有式中i＝1,2,
…
,6。
[0049]
由于并联机构的可控性要求机构非奇异不会出现
‘
死点’，即jn可逆，所以式(1)可转换为：
[0050]
δc＝j[δlδm]
t
ꢀꢀꢀ
(2)
[0051]
式中：j为误差雅可比矩阵。
[0052]
式中：δl为并联运动平台电动缸杆长误差；δc为动平台位姿误差；dp为动平台沿坐标轴的移动误差；dω为动平台绕坐标轴的姿态角误差；δm中dbi为静平台虎克铰铰点误
差；dai为动平台铰点误差；dti为导轨方向向量；jn中si为并联运动平台电动缸在静平台下的方向向量；r为动平台到静平台的旋转矩阵；ai为动平台铰点在动平台坐标系下的位置坐标；jm中λi为驱动；δi为平台导轨方向向量微分系数；变量右上角符号t为矩阵的转置，-1为矩阵的逆。
[0053]
步骤s6：利用测量的误差数据联立并联运动平台的雅可比误差方程，基于 max||q
2j
||《σ准则，使得σ趋近0。通过计算求得并联运动平台的结构误差，完成平台的直线轴向校准。以上所述为使用本发明的基于惯性测量单元的并联运动平台测试方法对并联运动平台的角度误差和角速率误差进行测试的具体方法。
[0054]
上述描述为本发明实施实例的详细介绍，其并非用于对本发明作任何形式上的限定。本领域相关技术人员可在本发明的基础上可做出一系列的优化、改进及修改等。因此，本发明的保护范围应由所附权利要求来限定。