本發(fā)明涉及三自由度球形轉(zhuǎn)子的檢測領(lǐng)域，具體涉及一種三自由度球形轉(zhuǎn)子角速度矢量檢測方法。

背景技術(shù)：

相關(guān)技術(shù)中，三自由度球形轉(zhuǎn)子的檢測方法主要有以下幾種：

1、球形轉(zhuǎn)子材料磁性周期性分布，采用霍爾傳感器檢測；

2、球形轉(zhuǎn)子表面一半涂上高反射率材料，一半低反射率材料，同時質(zhì)量按照一定規(guī)律分布，使其旋轉(zhuǎn)軸處于反射率分界面上，利用光電傳感器檢測；

3、球形轉(zhuǎn)子表面涂上黑白色編碼，采用光電傳感器檢測；

4、球形轉(zhuǎn)子表面的經(jīng)緯線采用偽隨機碼進行編碼，配合機器視覺檢測；

5、雙鼠標(biāo)傳感器檢測。

上述五種方法均存在局限性，具體為1、2對于球形轉(zhuǎn)子的材料或者質(zhì)量分布有嚴(yán)格要求；3、4檢測系統(tǒng)體積過大，且適用于低轉(zhuǎn)速情況之下；5、適用于轉(zhuǎn)速線速度5.8m/s以下，且對球形轉(zhuǎn)子表面的粗糙度有要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少解決上述技術(shù)問題之一。

為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種三自由度球形轉(zhuǎn)子角速度矢量檢測方法，克服其他檢測方法檢測轉(zhuǎn)速范圍不高，檢測系統(tǒng)體積大等缺點，實現(xiàn)了小體積內(nèi)的非接觸式的高速轉(zhuǎn)子的檢測。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實施例公開了一種三自由度球形轉(zhuǎn)子角速度矢量檢測方法，包括以下步驟：S1：對球形轉(zhuǎn)子的球面按照三個相互垂直，且經(jīng)過所述球形轉(zhuǎn)子的球心的分界面均分為八個色塊，對所述八個色塊設(shè)置不同的顏色，并根據(jù)所述八個色塊的顏色進行編碼；S2：在所述球形轉(zhuǎn)子的表面設(shè)置多個顏色傳感器，所述多個顏色傳感器的執(zhí)行光軸均正對所述球形轉(zhuǎn)子的球心，其中，所述顏色傳感器的數(shù)量大于等于四個；以及S3：采集所述多個傳感器的輸出信號，根據(jù)所述多個傳感器的輸出信號的占空比和單個傳感器信號的周期得到所述球形轉(zhuǎn)子的角速度矢量；其中，在任意時刻，所述多個傳感器中存在至少三個傳感器使得分別由所述至少三個傳感器和所述球星轉(zhuǎn)子的球心組成的至少三個向量與旋轉(zhuǎn)軸向量的夾角均處于預(yù)設(shè)夾角范圍內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明實施例的一種三自由度球形轉(zhuǎn)子角速度矢量檢測方法，用于檢測的裝置占用體積小，后續(xù)數(shù)據(jù)處理方便，可以實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速測量，便于系統(tǒng)集成。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的一種三自由度球形轉(zhuǎn)子角速度矢量檢測方法，還可以具有如下附加的技術(shù)特征：

進一步地，步驟S3進一步包括：在任意時刻，所述多個傳感器中至少三個顏色傳感器均經(jīng)過同一分界面，且滿足以下關(guān)系：設(shè)傳感器坐標(biāo)系三軸坐標(biāo)分別為：

其中，所述球形轉(zhuǎn)子的半徑為1,E₁＝(0 0 1),E₂＝(0 1 0),E₃＝(0 0 1)；

所述三個顏色傳感器的坐標(biāo)值：

其中，U₁、U₂和U₃分別為所述三個顏色傳感器的坐標(biāo)值；

設(shè)轉(zhuǎn)換矩陣為：

其中，ρ₁₁至ρ₃₃為轉(zhuǎn)換矩陣中的參數(shù)，ρ滿足：

ρ＝EU^-1，

則

則角速度矢量為：

其中，α、β和γ分別是三個傳感器與所述球形轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸之間的夾角，T為單個傳感器信號的周期，a表示所述球形轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸與其中同時有三個傳感器通過的分界面的法向量的夾角，p₁至p₃分別表示所述三個傳感器的經(jīng)過分界面產(chǎn)生的信號的占空比。

進一步地，所述顏色傳感器的數(shù)量為四個，四個所述傳感器的坐標(biāo)分別為：(0,0,1)，和

進一步地，所述八個色塊的顏色分別為紅、綠、藍(lán)、品紅、黃、青、黑和白。

進一步地，所述預(yù)設(shè)角度范圍為(35.26°，144.74°)。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是本發(fā)明的三自由度球形轉(zhuǎn)子角速度矢量檢測方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明一個實施例的球形轉(zhuǎn)子進行顏色編碼的示意圖；

圖3是本發(fā)明一個實施例的四個顏色傳感器的安裝位置示意圖；

圖4是本發(fā)明一個實施例的單個分界面情況的示意圖。

具體實施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

參照下面的描述和附圖，將清楚本發(fā)明的實施例的這些和其他方面。在這些描述和附圖中，具體公開了本發(fā)明的實施例中的一些特定實施方式，來表示實施本發(fā)明的實施例的原理的一些方式，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的實施例的范圍不受此限制。相反，本發(fā)明的實施例包括落入所附加權(quán)利要求書的精神和內(nèi)涵范圍內(nèi)的所有變化、修改和等同物。

以下結(jié)合附圖描述根據(jù)本發(fā)明實施例的三自由度球形轉(zhuǎn)子角速度矢量檢測方法。

請參考圖1，一種三自由度球形轉(zhuǎn)子角速度矢量檢測方法，包括以下步驟：

S1：對球形轉(zhuǎn)子的球面按照三個相互垂直，且經(jīng)過球形轉(zhuǎn)子的球心的分界面均分為八個色塊，對八個色塊設(shè)置不同的顏色，并根據(jù)所述八個色塊的顏色進行編碼。

在本發(fā)明的一個實施例中，對于球形轉(zhuǎn)子采用三個分界面，這三個分界面相互正交，且經(jīng)過球心，三個分界面的分界標(biāo)準(zhǔn)是紅綠藍(lán)三種顏色，三種顏色相互疊加，形成紅、綠、藍(lán)、品紅、黃、青、黑、白八種顏色，如圖2所示。在本發(fā)明的一個實施例中，顏色傳感器為RGB顏色傳感器。

S2：在球形轉(zhuǎn)子的表面設(shè)置多個顏色傳感器，多個顏色傳感器的執(zhí)行光軸均正對球形轉(zhuǎn)子的球心，其中，顏色傳感器的數(shù)量大于等于四個。

在本發(fā)明的一個實施例中，四個顏色傳感器的設(shè)置位置如圖3所示，四個顏色傳感器的坐標(biāo)分別為：(0,0,1)，和

S3：采集多個顏色傳感器的輸出信號，根據(jù)多個顏色傳感器輸出信號的占空比和單個傳感器信號的周期得到球形轉(zhuǎn)子的角速度矢量。其中，在任意時刻，多個傳感器中存在至少三個傳感器使得分別由至少三個傳感器和球星轉(zhuǎn)子的球心組成的至少三個向量與旋轉(zhuǎn)軸向量的夾角均處于預(yù)設(shè)夾角范圍內(nèi)。

請參考圖4，在本發(fā)明的一個示例中，采用四個傳感器，四個顏色傳感器的設(shè)置位置滿足以下關(guān)系：四個傳感器形成正四面體結(jié)構(gòu)，且上述正四面體結(jié)構(gòu)內(nèi)切于球形轉(zhuǎn)子的球面。圖4中，e為旋轉(zhuǎn)軸的指向，Ps是傳感器的位置，α是傳感器和旋轉(zhuǎn)軸之間的夾角，θ是旋轉(zhuǎn)軸和黑白分界面的夾角。

當(dāng)α>θ，時，有其中p為白色區(qū)域的占空比，a＝π-θ。

如果有三個正交安裝的傳感器均通過分界面，則有

其中，β和γ是另外的兩個傳感器和旋轉(zhuǎn)軸e的夾角，a表示球形轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸與其中同時有三個傳感器通過的分界面的法向量的夾角，p₁至p₃分別表示三個傳感器的經(jīng)過分界面產(chǎn)生的信號的占空比。

為了保證e在空間指向變化的過程中α>θ，β>θ,γ>θ，即任意時刻均至少有三個傳感器在旋轉(zhuǎn)的過程中經(jīng)過分界面，對于球形轉(zhuǎn)子采用三個分界面，這三個分界面相互正交。

設(shè)旋轉(zhuǎn)軸e和三個正交分界面夾角分別為a,b,c∈(0，π/2)，則有請再次參考圖3，設(shè)四個傳感器按照正四面體的四個頂點的位置安裝，光軸正對球形轉(zhuǎn)子的球心，與旋轉(zhuǎn)軸的夾角分別為則綜合可知，至少有三個傳感器與旋轉(zhuǎn)軸的夾角大于等于旋轉(zhuǎn)軸與三個分界面的最小角。

由于四個傳感中的三個經(jīng)過分界面的傳感器并非正交，所以旋轉(zhuǎn)軸在傳感器的坐標(biāo)系中模唯一的這個條件需要稍微改變。

設(shè)傳感器系坐標(biāo)三軸坐標(biāo)分別為有信號的三個傳感器的坐標(biāo)值其中E₁＝(0 0 1),E₂＝(0 1 0),E₃＝(0 0 1)；E和U存在一個線性轉(zhuǎn)換關(guān)系，設(shè)轉(zhuǎn)換矩陣為

則有E＝ρU，故，ρ＝EU^-1，所以第四個方程可以表述為|ρ×(cosα，cosβ，cosγ)^T|＝1至此，解算方程組為：

進一步通過以下公式計算角速度矢量

此外，旋轉(zhuǎn)軸的角速度的?？梢酝ㄟ^單個傳感器信號的周期求得ω＝60/T，T為單個傳感器信號的周期。

另外，本發(fā)明實施例的三自由度球形轉(zhuǎn)子角速度矢量檢測方法的其它構(gòu)成以及作用對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言都是已知的，為了減少冗余，不做贅述。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同限定。