[发明专利]一种基于六自由度运动平台的电子稳定系统的设计方法

权利要求书

1.一种基于六自由度运动平台的电子稳定系统的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

1)通过陀螺仪和加速度传感器获得载体的姿态信息；所述陀螺仪采用三轴MEMS陀螺仪，用于采集运载体轴向角速率传输数学平台进行姿态运算得出姿态角，分别是航向角Ψ、横滚角γ、俯仰角θ；所述加速度传感器采用三轴加速度计，用于分别采集载体3个轴向的加速度；通过陀螺仪和加速度传感器获得载体的姿态信息的具体步骤为：

陀螺仪所测得3个轴向在导航坐标系相对与地理坐标系下角速度矢量ω_tb＝[ψ，γ，θ]^T，角速度在导航坐标系下的投影为：

其中，分别表示x、y、z轴方向角速度；

代入四元素法中进行坐标变换，经过一次旋转直接将导航坐标系转变到地理坐标系下；四元素Q＝λ+p₁i+p₂j+p₃k描述的是载体的b系相对于t系的角位置，利用α转角的三角函数得出规范化的四元素为：

得到姿态角：

基于加速度计进行姿态解算，对于静止状态下物体，其加速度计测量得到的三轴加速度数据a_x，a_y，a_z，其矢量和为当地的重力加速度，根据欧拉角的关系，利用即求得物体的姿态角

2)将姿态信息转化为电信号通过集成电路传输，具体步骤为：

加速度计采集到信号，加以陀螺仪获取的姿态信息，经由RS232接口传送到导航计算机；运用MATLAB进行编程，利用四元素法将载体坐标的信息转换到地理坐标后，将信号进行低通滤波处理，获取到实际所需的信号：

加速计测量出的竖直方向的原始信号减去低通滤波法计算出趋势项曲线，所得到去除趋势项后的曲线再经过平均值法去除直流，既去除由温度引起的趋势项以及直流量，又避免在后期二次积分后发生数值失真和畸变现象；

采集的加速度信号转变为速度或者位移时需要进行一次或二次积分，将积分得出的结果用滑动平均算法拟合出一条趋势线，然后用结果减去所拟合的趋势项从而得到平滑稳定的数据：t＝1，2…，其中，f(x)为实际测得的数据；T0是滑动长度；t代表的是采集信号个数；

假设外界角速率为常值，考虑系统机械正交耦合并忽略量级较小的离心力，三轴MEMS陀螺仪的运动方程为：

式中：U_x，U_γ，U_z表示3个轴向的控制力，C_xx，C_yy，C_zz为三轴等效阻尼项，K_xx，K_yy，K_zz为三轴等效刚度项；假设机械耦合导致对称的阻尼项C_xy，C_xz，C_yz和刚度项K_xx，K_yy，K_zz；Ω_x，Ω_y，Ω_z是3个轴向的外界角速率，得到三轴MEMS陀螺仪的无量纲运动方程为：

向量形式为：其中，

控制目标变为：设计合适的控制律让陀螺3个轴向跟踪不同频率的正弦信号，同时实时预估并补偿闭环系统的不匹配干扰；

3)基于计算机PCI总线以DSP+FPGA架构建立六自由度运动控制系统；所述六自由度运动控制系统的硬件部分包括：核心处理器DSP模块、协处理器FPGA模块、与PC机接口的PCI模块、外围接口模块；所述核心处理器DSP模块包括DSP电源、基于锁相环的时钟、JTAG仿真接口和外部接口；所述协处理器FPGA模块包括FPGA电源和配置电路；所述与PC机接口的PCI模块包括PCI9052接口芯片、PCI9052数据传输电路以及PCI模块；所述外围接口模块包括轴脉冲输出电路、编码器差分输入电路和通用数字IO信号电路；

PCI9052接口芯片作为桥芯片用于对复杂的PCI总线协议进行转换，实现PCI局部总线与PCI用户设备之间的连接；协处理器FPGA模块用于接收EP1K50接口芯片局部总线端传递过来的指令和数据，经过内部逻辑处理后发送给DSP芯片TMS320F28335进行运动控制算法处理，同时将有用信息反馈给PCI局部总线，并且控制外围接口模块；DSP芯片TMS320F28335负责处理各种运动控制算法；运动控制系统用于控制步进电机和全数字伺服电机，根据上位机的命令产生脉冲序列，利用所产生的脉冲个数、频率以及频率变化率分别控制电机的位置、速度及加速度指令；

4)建立线性误差模型，进行误差矫正；所述误差矫正先建立线性误差模型，根据载体坐标系下的输出和IMU传感器的输出拟合计算各项误差系数，利用误差系数将传感器坐标系下的原始数据标定为较精确的载体坐标系下的数据，具体步骤为：

(1)三轴陀螺仪的误差通常包括零偏误差、灵敏度误差、非正交误差、随机漂移；将三轴MEMS陀螺仪的误差模型简化为式：

ω＝(ω₁ ω₂ ω₃)^T为载体角速度的准确值，为陀螺仪测得的角速度；三轴陀螺仪的各种误差均包含于矩阵K＝(k_ij)_3×3与矢量b＝(b₁ b₂ b₃)^T中；利用叉积法标定陀螺仪，通过叉积标定法的积分形式：

其中，μ为参考系中某个固定不变的矢量；

将陀螺仪的各误差系数完全分离出来，由于传感器误差模型是线性的，故利用最小二乘法拟合该模型求取各项误差系数，结合上式，即求出标定后的传感器数据；

(2)在ACEX 1K系列FPGA内部设计能够使运动控制误差减小的模块，包括精插补模块、编码器反馈模块、计数器模块、通用数字I0接口模块和双口RAM模块；并在运动平台上安装光栅尺，用于检测平台的实际位置，并反馈给运动控制系统；运动控制系统根据反馈信号随时调整发给电动机驱动器的信号，其传动机构、运动平台和负载产生的各种误差都即时反馈到运动控制卡中，得到补偿使运动平台的误差始终控制在精度范围以内；

5)六自由度座椅的核心机械结构的设计，所述六自由度座椅的核心机械结构采用“六连杆作动”的机械结构，由座椅平台、固定平台、铰链组件以及电动缸、伺服电机组成，座椅平台随电动缸运动，固定平台通过螺栓固连在地面，起支撑固定作用，座椅平台和固定平台与6组电动缸的上下两端铰链组件相连接，铰接点均匀分布在大小不同的圆上，构成六边形；座椅平台与电动缸连杆通过两两相连的铰链组件构成6个万向节铰接点，固定平台与电动缸通过两两相连的铰链组件构成6个万向节铰接点，连杆与电动缸构成6个移动副。