六維加速度傳感器的原理、系統(tǒng)及特性研究.pdf

1、六維加速度(Six degree-of-freedom(DOF)acceleration)傳感技術(shù)是實(shí)現(xiàn)物體三維空間運(yùn)動相對于參考慣性坐標(biāo)系的三維線加速度和三維角加速度的傳感和測量的多維運(yùn)動傳感技術(shù)。六維加速度傳感技術(shù)在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)、交通運(yùn)輸工具、機(jī)器人控制系統(tǒng)、導(dǎo)航制導(dǎo)設(shè)備、互動娛樂設(shè)備、醫(yī)療保健設(shè)備和地震預(yù)測裝置中有著廣泛的應(yīng)用前景。目前,已經(jīng)提出的各種六維加速度傳感原理和結(jié)構(gòu)復(fù)雜,導(dǎo)致開發(fā)的六維加速度傳感器尺寸較大或工藝復(fù)雜

2、。此外,缺乏完善的六維加速度傳感器的傳感特性評定方法和標(biāo)準(zhǔn),制約了六維加速度傳感器的實(shí)用化。因此,探索新的六維加速度傳感方法,開發(fā)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、精度高的六維加速度傳感器,建立六維加速度傳感器的傳感特性評定方法和標(biāo)準(zhǔn)是六維加速度傳感技術(shù)發(fā)展的必然要求。
　　 本文作者提出并實(shí)現(xiàn)了一種六維加速度傳感器的原理,研究了基于該原理的六維加速度傳感器系統(tǒng)的組成和傳感特性。根據(jù)提出的原理設(shè)計并開發(fā)了一種基于六個共面的壓電式單軸加速度傳感器

3、的壓電式六維加速度傳感器,建立了壓電式六維加速度傳感器的傳感方程和傳感誤差模型,提出了相應(yīng)的傳感誤差補(bǔ)償方法和校準(zhǔn)方法。在此基礎(chǔ)上,建立了六維加速度傳感器的傳感特性測試系統(tǒng),對開發(fā)的壓電式六維加速度傳感器的快速原型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。
　　 本文的主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)歸納為以下五個方面:
　　 1.提出并研究了一種基于六個共面的單軸加速度傳感器的六維加速度傳感器的原理,通過獲取和解耦固定在立方體上首尾相連、任意三條棱邊不共面

4、的六條棱邊中點(diǎn)處且敏感軸線與相應(yīng)棱邊重合的六個單軸加速度傳感器的輸出實(shí)現(xiàn)六維加速度傳感。建立了實(shí)現(xiàn)六維加速度傳感的傳感方程,分析了傳感特性,包括傳感誤差、傳感分辨率、傳感范圍和工作頻率范圍。
　　 2.研究了采用六個壓電式單軸加速度傳感器作為敏感元件的壓電式六維加速度傳感器系統(tǒng)的組成和工作原理,建立了相應(yīng)的傳感方程,設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)六維加速度傳感的敏感單元和相應(yīng)的信號處理系統(tǒng)。采用基于實(shí)時仿真系統(tǒng)的快速控制原型技術(shù)開發(fā)了壓電式六

5、維加速度傳感器的快速原型。
　　 3.分析了壓電式六維加速度傳感器的傳感誤差,建立了其傳感誤差模型和六個壓電式單軸加速度傳感器的安裝誤差和輸出誤差引起的傳感誤差的誤差估計方程,分析了六個壓電式單軸加速度傳感器的安裝誤差和輸出誤差對傳感誤差的影響。在此基礎(chǔ)上,提出了一種壓電式六維加速度傳感器的傳感誤差補(bǔ)償方法,利用向量和矩陣的∞-范數(shù)建立了壓電式六維加速度傳感器的傳感誤差范圍與被測對象運(yùn)動的角速度范圍、六個壓電式單軸加速度傳感器的

6、安裝誤差范圍和輸出誤差范圍之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型。根據(jù)該數(shù)學(xué)模型,提出了一種誤差補(bǔ)償后的誤差范圍估計的方法。
　　 4.提出了壓電式六維加速度傳感器的校準(zhǔn)原理,建立了相應(yīng)的校準(zhǔn)模型,分析了校準(zhǔn)過程中加速度激勵誤差對校準(zhǔn)結(jié)果的影響和最佳角加速度激勵頻率的范圍,建立了對校準(zhǔn)誤差進(jìn)行估計的方法。
　　 5.建立了六維加速度傳感器的實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)。在六維隨機(jī)振動激勵、固定軸線振動激勵和固定軸旋轉(zhuǎn)振動激勵下對開發(fā)的壓電式六維加速度傳感器