【摘 要】
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六维加速度传感器能够测量完整的空间加速度信息,在高端装备、人工智能等领域应用前景广阔。然而,由于传感器的输入量与输出量之间存在强非线性耦合关系,涉及的构型综合、动力学求解、参数辨识及优化、性能评估及标定等问题一直没有得到解决,严重影响其实用化进程。为此,本课题以并联式六维加速度传感器为研究对象,进行了运动学、动力学的研究,并开展了虚拟样机和实物样机的试验工作。主要研究内容如下:(1)推导了传感器的
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六维加速度传感器能够测量完整的空间加速度信息,在高端装备、人工智能等领域应用前景广阔。然而,由于传感器的输入量与输出量之间存在强非线性耦合关系,涉及的构型综合、动力学求解、参数辨识及优化、性能评估及标定等问题一直没有得到解决,严重影响其实用化进程。为此,本课题以并联式六维加速度传感器为研究对象,进行了运动学、动力学的研究,并开展了虚拟样机和实物样机的试验工作。主要研究内容如下:(1)推导了传感器的正向运动学与动力学方程。首先,基于方位特征集理论计算了传感器的自由度和耦合度,以此为指引,通过联立多个回路方程求解了特征点的坐标,基于此构建了传感器的运动学正解模型。其次,构建了传感器的Newton-Euler方程和支链的运动学方程,然后结合上述方程得到传感器的正向动力学方程,推导出输出量关于基础激励的解析表达式。然后,基于ANSYS软件分析了传感器在不同基础激励下各个关键零部件的变形规律。(2)研究了传感器的反向动力学方程及其影响因素。首先,通过引入四元数和四阶叉乘运算,构建了Hamilton正则方程形式的反向动力学方程;通过引入辅助角速度和Routh方程,分别构建了基于Newton-Euler方程的反向动力学方程。其次,通过分析质量块相对于基座的相对运动参量对反向动力学方程的影响规律,证明了进行反向动力学建模时不考虑运动学项时的解算精度和效率更高。然后,运用虚功率原理和特征长度法求得传感器统一量纲的刚度矩阵,基于此,证明了刚度矩阵的最小特征值越大,反向动力学方程的解算精度越高。最后,针对方程中存在小扰动和大扰动时解算结果失效的问题,分别通过监测基座的转动方向交替点和构造关于输入量的协调闭链,构建了对应的误差补偿和故障修复算法。(3)构建了传感器的工作频带模型。首先,基于第二类Lagrange方程建立传感器的运动微分方程,利用解析法和迭代法分别推导出传感器的动力矩阵分别为对角阵和非对角阵时的基频求解算法。其次,基于ADAMS参数化建模功能,提出一种四步法分析传感器工作频率与基频之间的关系,推导出最大工作频率为基频的1/35~1/32。然后,基于最大工作频率与基频之间的关系,定义了工作频带指标,利用空间模型理论分析了该指标与结构参数的分布规律。(4)加工、组装了传感器及试验平台的实物样机并开展了试验研究。基于Lab VIEW软件开发了传感器的虚拟仪器,并介绍了三种振动台的工作原理,基于此提出三种试验方案。基于所提出的试验方案开展了传感器的试验研究,分别验证了本文所建立的动力学数学模型的正确性。
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