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解耦六自由度機(jī)構(gòu)尾支桿長度變化引起的位置誤差補(bǔ)償法的制作方法

文檔序號(hào):12548492閱讀:309來源:國知局
解耦六自由度機(jī)構(gòu)尾支桿長度變化引起的位置誤差補(bǔ)償法的制作方法與工藝

本發(fā)明涉及一種高超聲速捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)的尾支桿補(bǔ)償技術(shù),尤其是涉及一種解耦六自由度機(jī)構(gòu)尾支桿長度變化引起的位置誤差補(bǔ)償法。



背景技術(shù):

捕獲軌跡(Captive Trajectory Simulation,CTS)系統(tǒng)是運(yùn)用在風(fēng)洞試驗(yàn)中用研究模擬外掛物從母機(jī)飛行器上分離后的飛行運(yùn)動(dòng)的軌跡的一種機(jī)電一體化測控系統(tǒng)裝置。為外掛物是否安全分離問題,提供合適布局和投放參數(shù)控制等相關(guān)可靠依據(jù)。

分離體模型在風(fēng)洞中的位置是由機(jī)構(gòu)的六個(gè)自由度的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的、而末端位置在使用標(biāo)準(zhǔn)尾支桿時(shí),機(jī)構(gòu)處于解耦狀態(tài),而改變尾支桿長度時(shí),機(jī)構(gòu)處于非解耦狀態(tài),如果繼續(xù)使用解耦的算法做運(yùn)動(dòng)控制,就會(huì)對(duì)機(jī)構(gòu)末端位置帶來誤差,所以需要對(duì)機(jī)構(gòu)補(bǔ)償由尾支桿長度變化引起的耦合誤差。因此要使分離體模型處于理想的位置和姿態(tài),需要對(duì)機(jī)構(gòu)補(bǔ)償由尾支桿長度變化引起的耦合誤差。因此,本發(fā)明提供一種解耦六自由度機(jī)構(gòu)尾支桿長度變化引起的位置誤差補(bǔ)償法,以解決上述問題。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本發(fā)明的目的是提供一種解耦六自由度機(jī)構(gòu)尾支桿長度變化引起的位置誤差補(bǔ)償法,其中該解耦六自由度機(jī)構(gòu)在使用標(biāo)準(zhǔn)的該尾支桿時(shí),該解耦六自由度機(jī)構(gòu)處于解耦狀態(tài),在更換該尾支桿后,該解耦六自由度機(jī)構(gòu)處于非解耦狀態(tài),如果繼續(xù)使用解耦的算法對(duì)處于非解耦狀態(tài)的該解耦六自由度機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制,需要對(duì)該解耦六自由度機(jī)構(gòu)補(bǔ)償由該尾支桿長度變化所引起的誤差。

為了達(dá)到上述目的,本發(fā)明提供一種解耦六自由度機(jī)構(gòu)尾支桿長度變化引起的位置誤差補(bǔ)償法,其中該解耦六自由度機(jī)構(gòu)尾支桿長度變化引起的位置誤差補(bǔ)償法包括步驟:

步驟1:檢查并確定機(jī)構(gòu)的正反裝配及矩陣計(jì)算公式;

步驟2:建立解耦六自由度機(jī)構(gòu)尾支桿長度變化引起的位置誤差補(bǔ)償矩陣計(jì)算公式;

步驟3:根據(jù)該補(bǔ)償矩陣,對(duì)該解耦六自由度機(jī)構(gòu)因該尾支桿長度變化而引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

作為對(duì)本發(fā)明的該解耦六自由度機(jī)構(gòu)尾支桿長度變化引起的位置誤差補(bǔ)償法的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例,在該步驟1中,分別建立在該解耦六自由度機(jī)構(gòu)正裝和反裝時(shí)矩陣計(jì)算公式,在該步驟2中,建立解耦六自由度機(jī)構(gòu)尾支桿長度變化引起的位置誤差補(bǔ)償矩陣計(jì)算公式。

作為對(duì)本發(fā)明的該解耦六自由度機(jī)構(gòu)尾支桿長度變化引起的位置誤差補(bǔ)償法的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例,為該解耦六自由度機(jī)構(gòu)更換該尾支桿,以使該解耦六自由度機(jī)構(gòu)處于非解耦狀態(tài)。

本發(fā)明的該解耦六自由度機(jī)構(gòu)尾支桿長度變化引起的位置誤差補(bǔ)償法的有益效果是:

本發(fā)明的該解耦六自由度機(jī)構(gòu)尾支桿長度變化引起的位置誤差補(bǔ)償法通過建立一個(gè)補(bǔ)償矩陣,解耦六自由度機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)的過程中,根據(jù)該尾支桿的實(shí)際長度和該補(bǔ)償矩陣得到一個(gè)補(bǔ)償量的方式,根據(jù)該補(bǔ)償量對(duì)該解耦六自由度機(jī)構(gòu)因該尾支桿長度變化而引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償,不僅使得補(bǔ)償結(jié)果更加精準(zhǔn),而且補(bǔ)償過程簡潔、速度快、效率高,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)該解耦六自由度機(jī)構(gòu)因該尾支桿長度變化引起的耦合誤差進(jìn)行快速的補(bǔ)償。

也就是說,本發(fā)明的該解耦六自由度機(jī)構(gòu)尾支桿長度變化引起的位置誤差補(bǔ)償法的優(yōu)勢(shì)在于:

本發(fā)明的該解耦六自由度機(jī)構(gòu)尾支桿長度變化引起的位置誤差補(bǔ)償法通過構(gòu)件數(shù)學(xué)模型、矩陣計(jì)算推導(dǎo)、分類討論,分別得到該解耦六自由度機(jī)構(gòu)在正裝和反裝時(shí),更換該尾支桿后,該解耦六自由度機(jī)構(gòu)處于非解耦狀態(tài),繼續(xù)使用解耦的算法對(duì)該解耦六自由度機(jī)構(gòu)繼續(xù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制,得到快速補(bǔ)償因該尾支桿長度變化而引起的該解耦六自由度機(jī)構(gòu)的耦合誤差的計(jì)算公式。

本發(fā)明的該解耦六自由度機(jī)構(gòu)尾支桿長度變化引起的位置誤差補(bǔ)償法推導(dǎo)出該尾支桿補(bǔ)償計(jì)算公式,能夠?qū)崿F(xiàn)在CTS試驗(yàn)中,任意改變?cè)撐仓U長度后,實(shí)現(xiàn)快速地對(duì)因該尾支桿長度變化而引起的耦合誤差進(jìn)行補(bǔ)償,從而提高該耦合六自由度機(jī)構(gòu)參與的風(fēng)洞試驗(yàn)的效率和精確度。

附圖說明

為了獲得本發(fā)明的上述和其他優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn),以下將參照附圖中所示的本發(fā)明的具體實(shí)施例對(duì)以上概述的本發(fā)明進(jìn)行更具體的說明。應(yīng)理解的是,這些附圖僅示出了本發(fā)明的典型實(shí)施例,因此不應(yīng)被視為對(duì)本發(fā)明的范圍的限制,通過使用附圖,將對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更具體和更詳細(xì)的說明和闡述。在附圖中:

圖1是風(fēng)洞固定坐標(biāo)系的示意圖。

圖2是該解耦六自由度機(jī)構(gòu)的一個(gè)狀態(tài)的示意圖。

圖3是該解耦六自由度機(jī)構(gòu)的另一個(gè)狀態(tài)的示意圖。

圖4是該解耦六自由度機(jī)構(gòu)的簡圖示意圖。

圖5是該解耦六自由度機(jī)構(gòu)尾支桿長度變化引起的位置誤差補(bǔ)償法的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

以下描述用于揭露本發(fā)明以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明。以下描述中的優(yōu)選實(shí)施例只作為舉例,本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到其他顯而易見的變型。在以下描述中界定的本發(fā)明的基本原理可以應(yīng)用于其他實(shí)施方案、變形方案、改進(jìn)方案、等同方案以及沒有背離本發(fā)明的精神和范圍的其他技術(shù)方案。

如圖1至圖4,在風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí),整個(gè)系統(tǒng)中共涉及四個(gè)坐標(biāo)系,即風(fēng)洞固定坐標(biāo)系、主體體軸系、分離體體軸系、天平坐標(biāo)軸系。風(fēng)洞固定坐標(biāo)系如圖1所示。選取一個(gè)固定在大地上的固定坐標(biāo)系OXdYdZd,它的原點(diǎn)選取在地面上的固定點(diǎn),y軸鉛垂向上,x軸位于水平面之內(nèi)。由分離體的質(zhì)心O點(diǎn)在固定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)可以確定分離體質(zhì)心在空間中的位置。分離體體軸系坐標(biāo)原點(diǎn)選取在質(zhì)心處,為了表征分離體姿態(tài),需要建立一個(gè)與分離體相連接、即隨著分離體一起運(yùn)動(dòng)的體軸坐標(biāo)系OXtYtZt。其中,主體體軸系和分離體體軸系的定義相同。下面說明分離體各軸的具體定義:分離體的體軸坐標(biāo)系OXtYtZt它的原點(diǎn)O位于分離體的質(zhì)心;軸Xt取平行于分離體的前行方向;軸Zt垂直于對(duì)稱平面,方向向右;軸Yt在分離體對(duì)稱平面內(nèi),方向向上。

利用體軸坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系之間的方向關(guān)系,可以定義分離體在空間的姿態(tài)。軸Xt與地平面之間的角度稱為俯仰角,記為θ。當(dāng)向上傾時(shí)俯仰角為正。軸Xt在地平面上的投影線與Xd之間的角度稱為偏航角,記為ψ。當(dāng)分離體向左偏離時(shí)偏航角為正。分離體的對(duì)稱平面OXtYt與通過軸Xt的鉛垂平面之間的角度稱為滾轉(zhuǎn)角,記為γ。當(dāng)分離體向右傾斜上,滾轉(zhuǎn)角為正。

在方向余弦矩陣中的各個(gè)角度也要與姿態(tài)角的定義相符合。體軸坐標(biāo)系與固定坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系可以用三次旋轉(zhuǎn)來說明。首先使地面坐標(biāo)系OXdYdZd繞軸Yd轉(zhuǎn)過偏航角ψ,得到OXd1Yd1Zd1,之后繞Zd1轉(zhuǎn)過俯仰角θ,得到OXd2Yd2Zd2,最后繞軸Xd2轉(zhuǎn)動(dòng)滾轉(zhuǎn)角γ,于是固定坐標(biāo)系就轉(zhuǎn)換到了與體軸坐標(biāo)系OXtYtZt重合的位置。

設(shè)分離體相對(duì)主體的方向余弦矩陣為[A主分],主體相對(duì)風(fēng)洞固定坐標(biāo)系的方向余弦矩陣為[A固主],分離體相對(duì)風(fēng)洞固定坐標(biāo)系的方向余弦矩陣為[A固分],則有如下關(guān)系

[A固分]=[A固主][A主分]

風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí),存在兩種可能,將主體模型和分離體模型正裝,也可能將主體模型和分離體模型反裝。對(duì)于反裝的情況,主體體軸系和分離體體軸系以及天平坐標(biāo)系都連同模型一起反轉(zhuǎn),即將風(fēng)洞固定坐標(biāo)系繞X軸旋轉(zhuǎn)180度,則此時(shí)坐標(biāo)系中所觀察到的運(yùn)動(dòng)與正裝時(shí)是相同的。于是繞X軸旋轉(zhuǎn)180度后的坐標(biāo)系風(fēng)洞固定坐標(biāo)系之間的方向余弦知陣為

因此,反裝時(shí)主體體軸系與風(fēng)洞固定坐標(biāo)系的方向余弦矩陣為:

定義反裝情況下分離體關(guān)于風(fēng)洞固定坐標(biāo)系的方向余弦矩陣為:

因此,對(duì)于反裝的情況,在輸入初始參數(shù)時(shí),仍按照正裝的形式輸入而無需作任何變動(dòng)。

值得一提的是,本發(fā)明所涉及的主體是指解耦六自由度機(jī)構(gòu),分離體是指飛行器模型。

如圖2和圖3所示,,依據(jù)本發(fā)明的發(fā)明精神提供一種解耦六自由度機(jī)構(gòu),其中該解耦六自由度機(jī)構(gòu)的變尾支桿長度可以任意改變,本發(fā)明涉及實(shí)現(xiàn)快速對(duì)該尾支桿長度變化引起的該解耦六自由度機(jī)構(gòu)末端位姿誤差補(bǔ)償法,以保證風(fēng)洞試驗(yàn)的可靠性和精確性。該解耦六自由度機(jī)構(gòu)包括:一個(gè)Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)1、一個(gè)X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2、一個(gè)偏航β運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3、一個(gè)Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)4、一個(gè)俯仰α運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)5以及一個(gè)滾轉(zhuǎn)β運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)6。該Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)1、該X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2、該偏航β運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3、該Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)4、該俯仰α運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)5以及該滾轉(zhuǎn)β運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)6相互串聯(lián)在一起,以形成該解耦六自由度機(jī)構(gòu),并且使該解耦六自由度機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活。

該解耦六自由度機(jī)構(gòu)按照:該Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)1、該X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2、該偏航β運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3、該Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)4、該俯仰α運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)5以及該滾轉(zhuǎn)β運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)6的順序分別配置一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī),以藉由該驅(qū)動(dòng)電機(jī)使該解耦六自由度機(jī)構(gòu)在各自由度單獨(dú)地調(diào)整。

本發(fā)明的該解耦六自由度機(jī)構(gòu)尾支桿長度變化引起的位置誤差補(bǔ)償法可以包括以下步驟:

首先,由該解耦六自由度機(jī)構(gòu)串聯(lián)順序可知:執(zhí)行末端,即該尾支桿末端隨體坐標(biāo)系的方向余弦矩陣如下所示:

其中:滾轉(zhuǎn)角γ,偏航角ψ,俯仰角θ。

設(shè):俯仰角qf,偏航角qp,滾轉(zhuǎn)角qg,采用角度制而不是弧度制,該解耦六自由度機(jī)構(gòu)中只有三個(gè)滑移坐標(biāo),即X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2、Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)4、Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)1的直線導(dǎo)軌滑塊的滑移距離,分別設(shè)為qx,qv,qz,它們的滑移矢量分別為這三個(gè)滑移矢量分別固結(jié)在X向平臺(tái),Y向提升箱和Z基座上,該解耦六自由度機(jī)構(gòu)執(zhí)行末端的位置矢量為

在該解耦六自由度機(jī)構(gòu)中,該尾支桿是可以調(diào)節(jié)自身長度的。于是存在兩種情況,下面分別討論,設(shè)外掛物的質(zhì)心為點(diǎn)C。

當(dāng)外掛物的質(zhì)心C在偏航圓弧導(dǎo)軌圓心與俯仰圓弧導(dǎo)軌圓心的連線上,

這表明,在該解耦六自由度機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的任何一個(gè)時(shí)候,執(zhí)行末端(外掛物)質(zhì)心的位置矢量只和X向滑塊,Y向滑塊,Z向滑塊的運(yùn)動(dòng)有關(guān)系,該解耦六自由度機(jī)構(gòu)的六個(gè)自由度完全解耦,每個(gè)自由度可以獨(dú)立控制。正解即:

逆解即:

當(dāng)該尾支桿長度縮短,外掛物的質(zhì)心C不在偏航圓弧導(dǎo)軌圓心與俯仰圓弧導(dǎo)軌圓心的連線上,設(shè)該尾支桿長度變化為Δl,則可推導(dǎo)得:

這表明,外掛物的質(zhì)心不僅是X向滑塊,Y向滑塊,Z向滑塊的廣義坐標(biāo)的函數(shù),還同時(shí)是偏航直線滑塊,俯仰直線滑塊的廣義坐標(biāo)的函數(shù)。該解耦六自由度機(jī)構(gòu)的六個(gè)自由度不完全解耦,不能實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制

正解即:

具體表達(dá)式為:

逆解即:

具體表達(dá)式為:

進(jìn)一步地,如圖5所示,該解耦六自由度機(jī)構(gòu)尾支桿長度變化引起的位置誤差補(bǔ)償法包括如下步驟:

步驟1:檢查并確定機(jī)構(gòu)的正反裝配及矩陣計(jì)算公式;

步驟2:建立解耦六自由度機(jī)構(gòu)尾支桿長度變化引起的位置誤差補(bǔ)償矩陣計(jì)算公式;

步驟3:根據(jù)該補(bǔ)償矩陣,對(duì)該解耦六自由度機(jī)構(gòu)因該尾支桿長度變化而引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

優(yōu)選地,在該步驟1和2中,分別建立在該解耦六自由度機(jī)構(gòu)正裝和反裝時(shí),該尾支桿長度與由該尾支桿長度變化所引起的誤差的該補(bǔ)償矩陣。

優(yōu)選地,在對(duì)該解耦六自由度機(jī)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)償前和補(bǔ)償后,該解耦六自由度機(jī)構(gòu)均處于非解耦狀態(tài)。

優(yōu)選地,為該解耦六自由度機(jī)構(gòu)更換該尾支桿,以使該解耦六自由度機(jī)構(gòu)處于非解耦狀態(tài)。

以上對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說明,但該內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例,不能被認(rèn)為用于限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。凡依本發(fā)明申請(qǐng)范圍所作的均等變化與改進(jìn)等,均應(yīng)仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內(nèi)。

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