一種基于磁場(chǎng)的六自由度位移測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種六自由度的位移測(cè)量方法，尤其適用于基于磁場(chǎng)信息的六自由度 的位移檢測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002] 測(cè)量系統(tǒng)是精密機(jī)電系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而多自由度精密位移測(cè)量系統(tǒng)更是被廣泛 應(yīng)用于機(jī)床、航空航天、汽車等領(lǐng)域中?，F(xiàn)階段高精密的多自由度位移測(cè)量W電容傳感器、 電滿流傳感器、激光干設(shè)儀為代表，運(yùn)些方法測(cè)量精度高，但是量程一般較小，安裝要求比 較苛刻。
[0003] 在精密測(cè)量領(lǐng)域特別是多自由度的位移測(cè)量，空間坐標(biāo)和傳感器輸出之間一般都 呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性關(guān)系，因而為了實(shí)現(xiàn)Ξ自由度乃至六自由度的位移測(cè)量需要布置多種不 同類型傳感器實(shí)現(xiàn)各個(gè)自由度的線性化W達(dá)到求解位移的目的，運(yùn)樣對(duì)工業(yè)領(lǐng)域測(cè)量系統(tǒng) 的實(shí)時(shí)性和可靠性非常不利。因此一種安裝簡(jiǎn)便，精度高又能實(shí)現(xiàn)多自由度位移測(cè)量的方 法亟待提出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種六自由度的位移測(cè)量方法，利用永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)信 息，實(shí)現(xiàn)六自由度的位移測(cè)量。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0006] 1)在相互運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)物體上分別固定永磁體和η個(gè)磁傳感器，其中η大于等于所 測(cè)自由度的個(gè)數(shù)；
[0007] 2)在永磁體上建立定坐標(biāo)系0ΧΥΖ，在定坐標(biāo)系0ΧΥΖ下建立永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng) 度與空間位置坐標(biāo)的數(shù)學(xué)關(guān)系：B(x，y，z) =Bx(x，y，z)i+By(x，y，z)j+B,(x，y，z)k，其中 BuBy,B,分別為B在X軸、Υ軸和Z軸方向上的分量，i，j，k分別為X軸、Υ軸和Z軸的單位 矢量；
[0008]3)在磁傳感器所在的運(yùn)動(dòng)物體上建立動(dòng)坐標(biāo)系0'X'Y'Z'，η個(gè)磁傳感器的安裝位 置，即在動(dòng)坐標(biāo)系0'X'Υ'Ζ'下的坐標(biāo)為（Xi。，y;。，Zio)，其中i= 1，2,…，η;
[0009] 4)設(shè)初始時(shí)刻動(dòng)坐標(biāo)系0'X'Υ'Ζ'與定坐標(biāo)系ΟΧΥΖ相重合，若某時(shí)刻運(yùn)動(dòng)物體在 定坐標(biāo)系0X1^下產(chǎn)生六自由度位移X= (X，y，Ζ，ΘX,Θy,Θ,)τ，其中X，y，Ζ為0'在定坐標(biāo) 系0XYZ下分別沿X軸、Y軸和Z軸的平動(dòng)位移，Θ、，Θy，Θ,為0'分別繞X軸、Y軸和Z軸 的旋轉(zhuǎn)角，則該時(shí)刻運(yùn)η個(gè)磁傳感器在定坐標(biāo)系0XYZ的坐標(biāo)（Xi,y;，Zi)為（Xi,y;，Zi)T= R(Xi〇, Yio, Zi〇)^'+(x, y,z)\
[0010]式中R為旋轉(zhuǎn)矩陣，此時(shí)磁傳感器中的檢測(cè)量為Bi=Bx(Xi，yi，Zi) i'a' +By(Xi,y;，Zi)j'a' +Bz(Xi,y;，Zi)k'a'，其中a'為所選磁傳感器敏感方向的單位矢量；
[0011] 5)運(yùn)動(dòng)物體W-定速度在磁場(chǎng)空間中連續(xù)運(yùn)動(dòng)，磁傳感器中的檢測(cè)信號(hào)為B。，利 用步驟4)中得到的磁傳感器的檢測(cè)量與空間位置坐標(biāo)的關(guān)系，η個(gè)磁傳感器就有η個(gè)位置 方程，通過(guò)求解η個(gè)位置方程得到六自由度位移X= (x，y，z，θ、，θγ，θ,)τ，實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量。
[0012] 如上所述的一種基于磁場(chǎng)的六自由度位移測(cè)量方法所選用的永磁體的形狀為規(guī) 則的幾何圖形。
[0013] 如上所述的一種基于磁場(chǎng)的六自由度位移測(cè)量方法，固定磁傳感器的運(yùn)動(dòng)物體的 旋轉(zhuǎn)順序?yàn)橄壤@X軸轉(zhuǎn)Θ、，再繞Υ軸轉(zhuǎn)θγ，最后繞Ζ軸轉(zhuǎn)Θ,，則旋轉(zhuǎn)矩陣：
[0014]
[0015] 如上所述的一種基于磁場(chǎng)的六自由度位移測(cè)量方法，磁傳感器敏感方向的單位矢 量a是固結(jié)于該磁傳感器上的動(dòng)坐標(biāo)系沿X'軸、Υ'軸和Ζ'軸的單位矢量1'^'，4'，若敏 感方向與X'軸平行，則a' =i' =R·i;每女感方向與Y'軸平行，則a' =j' =R·j;每女感 方向與Z'軸平行，則a' =k' =R.k。
[0016] 如上所述的一種基于磁場(chǎng)的六自由度位移測(cè)量方法，在求解η個(gè)位置方程時(shí)可采 用迭代法、牛頓法或同倫法。
[0017] 本發(fā)明的一種基于磁場(chǎng)的六自由度位移測(cè)量方法主要優(yōu)點(diǎn)在于：將一般的單自由 度、雙自由度或平面Ξ自由度的位移測(cè)量方法擴(kuò)展成空間六自由度測(cè)量，應(yīng)用更加廣泛。提 供了一種非接觸式的測(cè)量手段，對(duì)安裝環(huán)境沒(méi)有苛刻要求，并且該方法的測(cè)量范圍大、精度 高、實(shí)時(shí)性好，易于在工業(yè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1為本發(fā)明所述的位移測(cè)量裝置示意圖。
[0019] 圖2為本發(fā)明所用的磁傳感器排布。
[0020] 圖3a~3f為本發(fā)明測(cè)量得到的位移曲線。
[0021] 圖中：1-永磁體；2-磁傳感器。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明，W進(jìn)一步了解本發(fā)明。
[0023] 本發(fā)明提供的一種基于磁場(chǎng)的六自由度位移測(cè)量方法，其具體包括如下步驟：
[0024] 1)在相互運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)物體上分別固定永磁體和η個(gè)磁傳感器，其中η大于等于所 測(cè)自由度的個(gè)數(shù)；
[00巧]2)如圖1，在永磁體上建立定坐標(biāo)系0ΧΥΖ，在定坐標(biāo)系0ΧΥΖ下建立永磁體的磁感 應(yīng)強(qiáng)度與空間位置坐標(biāo)的數(shù)學(xué)關(guān)系：Β(X，y，Ζ) =Βχ(X，y，Ζ)i+By(X，y，Ζ)j+Bz(X，y，Ζ)k，其 中氏，By,B,分別為B在X軸、Y軸和Z軸方向上的分量，i，j，k分別為X軸、Y軸和Z軸的單 位矢量；
[0026] 3)如圖2,在磁傳感器所在的運(yùn)動(dòng)物體上建立動(dòng)坐標(biāo)系Ο'Χ'Υ'Ζ'，n個(gè)磁傳感器的 安裝位置，即在動(dòng)坐標(biāo)系0'X'Y'Z'下的坐標(biāo)為（Xi。，y;。，Zi。），其中i= 1，2,…，η;
[0027] 4)設(shè)初始時(shí)刻動(dòng)坐標(biāo)系0'X'Υ'Ζ'與定坐標(biāo)系ΟΧΥΖ相重合，若某時(shí)刻運(yùn)動(dòng)物體在 定坐標(biāo)系0ΧΥΖ下產(chǎn)生六自由度位移Χ= (x，y，z，θχ，θγ，θ,)τ，其中x，y，z為0'在定坐標(biāo) 系OXYZ下分別沿X軸、Υ軸和z軸的平動(dòng)位移，θy，θy，θ,為0'分別繞X軸、γ軸和z軸 的旋轉(zhuǎn)角，則該時(shí)刻運(yùn)η個(gè)磁傳感器在定坐標(biāo)系0XYZ的坐標(biāo)（Xi,y;，Zi)為（Xi,y;，Zi)T= R(Xi〇, Yio, Zi〇)^'+(x, y,z)\
[0028]式中R為旋轉(zhuǎn)矩陣，此時(shí)磁傳感器中的檢測(cè)量為Bi= B x(Xi，yi，Zi)i'a' +By(Xi,y;，Zi)j'a' +Bz(Xi,y;，Zi)k'a'，其中a'為所選磁傳感器敏感方向的單位矢量；
[0029] 5)運(yùn)動(dòng)物體W-定速度在磁場(chǎng)空間中連續(xù)運(yùn)動(dòng)，磁傳感器中的檢測(cè)信號(hào)為B。，利 用步驟4)中得到的磁傳感器的檢測(cè)量與空間位置坐標(biāo)的關(guān)系，η個(gè)磁傳感器就有η個(gè)位置 方程，通過(guò)求解η個(gè)位置方程得到六自由度位移Χ= (x，y，z，Θ、，θγ，θ,)τ，實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量。
[0030] 上述技術(shù)方案中該基于磁場(chǎng)的六自由度位移測(cè)量方法所選用的永磁體的形狀為 規(guī)則的幾何圖形。
[0031] 如上所述的一種基于磁場(chǎng)的六自由度位移測(cè)量方法，固定磁傳感器的運(yùn)動(dòng)物體的 旋轉(zhuǎn)順序?yàn)橄壤@X軸轉(zhuǎn)Θ、，再繞Υ軸轉(zhuǎn)θγ，最后繞Ζ軸轉(zhuǎn)Θ,，則旋轉(zhuǎn)矩陣：
[0032]
[0033] 如上所述的一種基于磁場(chǎng)的六自由度位移測(cè)量方法，磁傳感器敏感方向的單位矢 量a是固結(jié)于該磁傳感器上的動(dòng)坐標(biāo)系沿X'軸、Υ'軸和Ζ'軸的單位矢量1'^'，4'，若敏 感方向