Tourelle de test inertiel triaxiale: analyse du principe de simulation de mouvement à trois degrés de liberté

Dans les domaines de l'équipement haut de gamme tels que l'aérospatiale, la navigation inertielle, le contrôle robotique, etc., les performances des dispositifs inertiels (gyroscopes, accéléromètres, etc.) déterminent directement la précision du contrôle d'attitude du porteur par rapport à la fiabilité de la navigation. La tourelle de test inertiel à trois axes en tant qu'équipement de test de base, dont la fonction principale est de reproduire avec précision l'attitude et le mouvement angulaire des objets dans l'espace tridimensionnel dans un environnement de laboratoire, fournit une excitation de mouvement contrôlable et reproductible pour l'étalonnage, le test et la vérification des dispositifs inertiels. Contrairement à la tourelle à un ou deux axes, la tourelle à trois axes réalise une simulation d'attitude dans tout l'espace grâce à trois axes de rotation orthogonaux les uns aux autres, son principe de simulation de mouvement intègre des techniques multidisciplinaires telles que la conception mécanique, la cinématique, l'ingénierie de contrôle et d'autres, est un maillon clé indispensable dans la chaîne de R & D d'équipement haut de gamme.

À partir de la définition de base, le système analyse la logique sous - jacente, la trajectoire de mise en œuvre et les technologies clés de la simulation de mouvement à trois degrés de la tourelle de test inertiel à trois axes.

I. concept de base: Association essentielle de la tourelle d'essai d'inertie à trois axes et du Mouvement à trois degrés de liberté

Pour comprendre son principe de simulation de mouvement, il faut d'abord clarifier la connotation de deux concepts de base: une tourelle de test inertiel à trois axes et un mouvement de rotation à trois degrés de liberté.

La tourelle de test inertiel triaxiale est un dispositif mécatronique de haute précision, la composition du noyau comprend un cadre mécanique, un système d'entraînement, un système de rétroaction de mesure et un système de contrôle, dont l'objectif principal de conception est de fournir un mouvement angulaire précis autour de trois degrés de liberté indépendants pour un dispositif inertiel testé, tel qu'une unité de mesure inertielle IMU, monté sur un Mesa, par l'intermédiaire de trois axes de rotation deux à deux orthogonaux, simulant les changements d'attitude d'un porteur (aéronef, satellite, robot, etc.) dans des scénarios réels tels que le tangage, le lacet et le roulis d'un avion, Le réglage de l'attitude orbitale d'un satellite, etc.

D'un point de vue cinématique, les variations d'attitude d'un corps rigide quelconque dans l'espace peuvent être entièrement décrites par trois degrés de liberté de rotation indépendants correspondent à trois axes de rotation orthogonaux entre eux et les trois axes se rejoignent en un point (point central de la tourelle / Centre d'essai), en veillant à ce que le Centre sensible du dispositif testé coïncide toujours avec le Centre de la tourelle, en évitant l'influence d'un déplacement supplémentaire sur la précision de l'essai. Ces trois degrés de liberté correspondent respectivement: un mouvement de lacet autour d'un axe vertical (azimut), un mouvement de tangage autour d'un axe horizontal (angle de tangage), un mouvement de roulis autour d'un axe parallèle au Mesa (angle de roulis), les trois mouvements synergiques permettant de reproduire l'attitude arbitraire de L'espace, qui est la base théorique de la simulation de mouvement de la tourelle triaxiale.

Contrairement à la tourelle à axe unique qui ne peut simuler qu'une seule rotation directionnelle, la tourelle à deux axes ne peut pas atteindre une couverture d'attitude complète, la tourelle à trois axes, grâce à un contrôle synergique à trois degrés de liberté, a brisé les limites dimensionnelles de la simulation de mouvement, est capable de reproduire de manière réaliste l'attitude dynamique du porteur dans des situations de travail complexes et de répondre aux besoins du test d'état complet du dispositif inertiel de haute précision.

II. Base mécanique: logique de conception du porteur structurel pour le Mouvement à trois degrés de liberté

La simulation de mouvement à trois degrés de liberté de la tourelle d'essais inertiels à trois axes repose tout d'abord sur une structure mécanique de châssis de précision, dont le noyau est constitué de trois cadres tournants deux à deux orthogonaux (châssis extérieur, milieu, intérieur), chaque cadre correspondent à un degré de liberté, la recombinaison et la coordination des mouvements étant réalisées par imbrication hiérarchique. Les structures de cadre typiques sont verticales (type U - O - O, type t - U - t, etc.) et horizontales, où la structure verticale se distingue par sa forte stabilité et sa capacité de charge, largement utilisée dans les scénarios de test de haute précision dans le domaine de l'aérospatiale, sa conception structurelle suit Les trois grands principes de « orthogonalité, concentricité, rigidité».

2.1 division fonctionnelle du travail dans les trois grands cadres (en prenant la structure verticale comme exemple)

La conception de l'imbrication hiérarchique des trois cadres assure l'indépendance et la synergie des mouvements de degrés de liberté, avec une division du travail spécifique comme suit:

1.   Châssis extérieur (axe azimut / axe de lacet): il sert de base à l'ensemble du plateau tournant, monté perpendiculairement au plan horizontal, dont l'axe de rotation est vertical, est chargé d'entraîner le châssis central, le châssis intérieur et le dispositif testé ensemble en rotation autour de l'axe vertical, simulant le mouvement de lacet du porteur dans le plan horizontal (par exemple, réglage du Cap du navire, direction horizontale de l'aéronef). Le cadre extérieur doit avoir une rigidité et une stabilité élevées, supporter le poids et la charge de l'ensemble de la tourelle, et sa précision de rotation affecte directement la précision de la simulation d'attitude globale.

2.   Cadre moyen (axe de tangage): emboîté à l'intérieur du cadre extérieur, dont l'axe de rotation est horizontal et orthogonal à l'axe du cadre extérieur, il est chargé d'entraîner le cadre intérieur et le dispositif testé en rotation autour de l'axe horizontal, simulant le mouvement de tangage du porteur (par exemple, tête haute, tête basse de l'avion, ajustement de l'attitude en tangage du satellite). La conception du cadre central doit tenir compte de la rigidité et de la légèreté, éviter que son propre poids excessif entraîne une augmentation de la charge motrice du cadre extérieur, tout en garantissant la précision orthogonale avec le cadre extérieur et le cadre intérieur, réduisant l'erreur d'attitude causée par la déviation de l'axe.

3.   Cadre intérieur (axe de roulis): emboîté à l'intérieur du cadre médian, son axe de rotation est orthogonal à l'axe du cadre médian et perpendiculaire au Mesa, entraînant directement le Mesa et le dispositif testé en rotation autour de l'axe, simulant le mouvement de roulis du porteur (par exemple, roulis de l'avion, Ajustement d'attitude du robot). Le cadre intérieur est la partie directement connectée au dispositif testé, dont la précision de rotation, la vitesse de réponse dynamique ont un impact le plus direct sur les résultats du test, généralement en utilisant des roulements de haute précision et des matériaux légers pour assurer la cohérence et la précision du mouvement.

2.2 Exigences clés en matière de conception structurelle

Pour réaliser une simulation de mouvement à trois degrés de liberté de haute précision, la structure mécanique doit répondre à trois exigences principales: l'une est l'orthogonalité, les trois axes de rotation doivent être strictement deux ou deux perpendiculaires, l'erreur de verticalité de l'axe est généralement contrôlée au niveau de la seconde angulaire, pour éviter les erreurs de résolution d'attitude dues à la déviation de l'axe; Deuxièmement, concentricité, les centres de rotation des trois axes doivent se rencontrer au même point (Centre de test), le contrôle de la déviation dans les 0,5 mm, pour s'assurer que le Centre sensible du dispositif testé est toujours au Centre du Mouvement, éliminant l'effet de la force centrifuge supplémentaire; La troisième est la rigidité élevée et la faible vibration, le cadre utilise des matériaux hautement rigides (tels que l'alliage d'aluminium, l'acier allié), coopère avec des roulements de précision et des structures d'absorption des chocs, réduit les vibrations lors de mouvements à grande vitesse ou de fonctionnement prolongé, évite les vibrations interférant avec La précision de mesure des dispositifs inertiels.

Noyau de principe: modélisation mathématique du Mouvement à trois degrés de liberté et résolution d'attitude

Simulation de mouvement à trois degrés de liberté de la tourelle à trois axes, l'essence est de reproduire l'attitude spatiale du porteur en contrôlant l'angle de rotation des trois axes, la vitesse angulaire et l'accélération angulaire, le mouvement synergique selon des lois mathématiques spécifiques. Sa base théorique principale est le principe de l'angle d'Euler et la transformation matricielle de l'attitude, en établissant une correspondance entre l'attitude spatiale et les paramètres de rotation des trois axes par modélisation mathématique, permettant un contrôle et une simulation précis de l'attitude.

3.1 angle d'Euler et posture des trois degrés de liberté Description

L'attitude d'un corps rigide quelconque dans l'espace, qui peut être entièrement décrite par trois angles d'Euler (angle de lacet ψ, angle de tangage θ, angle de roulis φ) correspondent respectivement aux angles de rotation des trois axes du plateau dont l'ordre de rotation (par example lacet - tangage - roulis) détermine l'état final de l'attitude. Il est à noter que l'angle d'Euler présente un problème de "cardan Lock" (l'angle de lacet et l'angle de roulis créent un couplage lorsque l'angle de tangage est de ± 90°), de sorte qu'en pratique, la méthode des quaternions est généralement utilisée pour la résolution de l'attitude, en évitant l'emballement de l'attitude apporté par le cardan Lock, assurant la continuité et la précision de la simulation d'attitude dans tout l'espace.

En effet, l'attitude cible du porteur testé peut être représentée par un angle d'Euler ou un quaternaire, le système de contrôle décomposant l'attitude cible en une consigne de rotation de trois axes entraînant respectivement en rotation le cadre extérieur, le cadre milieu, le cadre intérieur, et finalement par un mouvement synergique des trois axes, ajustant Le dispositif testé à l'attitude cible. Par example, lors de la simulation de l'attitude en piqué d'un aéronef, le cadre médian (axe de tangage) tourne dans le sens horaire (angle de tangage réduit), tandis que le cadre intérieur (axe de roulis) est ajusté finement en fonction des besoins d'attitude et le cadre extérieur (axe de lacet) reste fixe, les trois travaillant ensemble pour réaliser une simulation précise de l'attitude en piqué.

3.2 matrice d'attitude et contrôle de couplage de mouvement

Pour obtenir un contrôle synergique des trois degrés de liberté, il est nécessaire d'établir une relation de cartographie de l'attitude cible avec les paramètres de rotation de chaque axe au moyen d'une matrice d'attitude. La matrice d'attitude est une matrice orthogonale 3x3 dont les éléments sont constitués par une fonction trigonométrique de trois angles d'Euler permettant de décrire le processus de transformation en rotation du corps rigide de l'attitude initiale à l'attitude cible. Grâce à la transformation inverse de la matrice d'attitude, l'attitude cible peut être décomposée en un angle de rotation de trois axes, fournissant des instructions de commande précises au système d'entraînement.

En raison de l'imbrication hiérarchique des trois cadres, la rotation d'un axe entraîne des changements dans la position spatiale des autres axes, formant un couplage cinématique (par exemple, lorsque le cadre central tourne, la direction de l'axe de rotation du cadre intérieur change avec l'attitude du cadre central). Ainsi, lors de la commande de mouvement, il est nécessaire d'éliminer les effets de couplage par l'algorithme de découplage, en s'assurant que le mouvement de chaque axe est indépendant et précis. Les méthodes de découplage couramment utilisées comprennent le découplage d'avance, le découplage de rétroaction, etc., améliorant la précision de la simulation d'attitude par rapport à la vitesse de réponse dynamique en compensant les erreurs de couplage en temps réel.

Chemin de réalisation: entraînement et contrôle du Mouvement à trois degrés de liberté en boucle fermée

La structure mécanique est le vecteur de la simulation de mouvement, la modélisation mathématique est la base théorique, tandis que la synergie du système d'entraînement avec le système de contrôle est le chemin central vers la réalisation de la simulation de mouvement de précision à trois degrés de liberté. La tourelle à trois axes assure la précision et la stabilité de la simulation de mouvement grâce à la commande en boucle fermée « entrée d'instruction - exécution de l'entraînement - rétroaction de mesure - correction d'erreur», dont la composition principale comprend le système d'entraînement, le système de rétroaction de mesure et le système de contrôle.

4.1 système d'entraînement: source de puissance pour le Mouvement à trois degrés de liberté

La fonction principale du système d'entraînement est de fournir un couple d'entraînement précis pour les trois axes, selon les instructions du système de contrôle, pour réaliser un contrôle précis de l'angle, de la vitesse angulaire, de l'accélération angulaire. Actuellement, le mode d'entraînement principal est divisé en entraînement électrique et entraînement hybride électro - hydraulique, le moteur à couple continu est largement utilisé dans le système de position et de suivi, il est l'élément d'exécution idéal du système servo de haute précision, avec une faible vitesse de rotation, un grand couple, une forte capacité de surcharge, une réponse rapide, une bonne linéarité, une petite fluctuation du couple de force et d'autres caractéristiques, peut entraîner directement la charge et supprimer les engrenages de transmission de réduction, améliorant ainsi la précision de fonctionnement du système; L'entraînement hybride électro - hydraulique est adapté aux besoins d'essai de grandes charges et de haute puissance, tels que les essais de systèmes inertiels de gros aéronefs.

Le moteur à couple continu en tant que noyau d'entraînement, doit avoir un contrôle de vitesse de rotation et une capacité de contrôle de position de haute précision, coopérer avec un réducteur de précision (tel qu'un réducteur harmonique), convertir la rotation à grande vitesse du moteur en rotation à basse vitesse et haute précision du cadre, Tout en fournissant un couple d'entraînement suffisant pour surmonter l'inertie du cadre et la résistance à la charge. Chaque axe est équipé d'une unité d'entraînement indépendante, assurant que le Mouvement à trois degrés de liberté peut être contrôlé indépendamment et travailler ensemble pour réaliser une simulation précise de l'attitude complexe, sa plage de vitesse angulaire peut couvrir ± 0001 ~ 400 ° / s, répondant aux besoins de test de condition complète de l'étalonnage statique à la réponse transitoire.

4.2 système de rétroaction de mesure: un lien essentiel pour la garantie de précision

Le rôle du système de rétroaction de mesure est d'acquérir l'angle de rotation des trois axes, la vitesse angulaire, l'accélération angulaire et d'autres paramètres en temps réel, de les renvoyer au système de contrôle, de former un contrôle en boucle fermée, d'assurer la précision de la simulation de mouvement. Le dispositif de mesure de base comprend un codeur angulaire, un capteur de vitesse angulaire, etc., dans lequel la précision du codeur angulaire, tel qu'un codeur optoélectronique, détermine directement la précision du contrôle d'attitude de la tourelle, actuellement la précision de positionnement angulaire et de répétition de la tourelle triaxiale haut de gamme peut atteindre ± 2 ", la résolution de position angulaire peut atteindre ± 00001 °, capable de répondre aux exigences strictes de la calibration des dispositifs inertiels de haute précision.

Le système de rétroaction de mesure nécessite une vitesse de réponse élevée et une grande fiabilité pour capturer les mouvements des trois axes en temps réel et transmettre rapidement les données de mesure au système de contrôle. Dans le même temps, il est nécessaire de corriger l'erreur du système du dispositif de mesure lui - même (par exemple, erreur de point zéro, erreur d'échelle) avec l'erreur apportée par la structure mécanique (par exemple, déviation axiale, erreur de vibration) par l'algorithme de compensation d'erreur, améliorer encore la précision de la mesure et fournir des données de rétroaction précises pour le contrôle en boucle fermée. Les différents indicateurs techniques de la tourelle sont calibrés à l'aide d'un équipement standard angulaire assurant la traçabilité des données de mesure.

4.3 Le système de contrôle: le « cerveau » de la synergie des trois degrés de liberté

Le système de contrôle est le cœur de la simulation de mouvement à trois degrés de liberté de la tourelle à trois axes, responsable de la réception des instructions de test (telles que l'attitude de la cible, la trajectoire du mouvement), de la modélisation mathématique avec l'algorithme de découplage, de la décomposition de l'attitude de La cible en instructions de contrôle de trois axes, de l'entraînement du système d'entraînement pour exécuter le mouvement et, en fonction des données en temps réel du système de rétroaction de mesure, de la correction dynamique des instructions de contrôle, de l'élimination des erreurs et de la précision

Les fonctions de base du système de contrôle comprennent: premièrement, la résolution de l'attitude, la conversion de l'attitude cible (angle d'Euler ou Quaternion) en paramètres de rotation des trois axes, pour éviter les problèmes de blocage du cardan; La deuxième est la commande de découplage, éliminant le couplage de mouvement entre les trois axes, assurant que les mouvements de chaque axe sont indépendants et synergiques; Le troisième est la correction d'erreur, selon les données de rétroaction de mesure, la correction en temps réel des instructions de conduite, la compensation de l'erreur du système avec des interférences externes; Quatre est la planification de la trajectoire, selon les besoins de test, la planification de la trajectoire de mouvement de trois axes (tels que la rotation uniforme, la rotation à vitesse variable, le swing sinusoïdal, etc.), la réalisation de la simulation de l'attitude complexe, une partie du logiciel de mesure et de contrôle prend également en charge plusieurs modes de contrôle tels que le mode de position, le mode de vitesse, le mode de Swing, etc., pour répondre aux différents besoins de la scène de test.

À l'heure actuelle, les systèmes de contrôle utilisent PLC, DSP ou ordinateurs industriels comme noyau de contrôle, en conjonction avec des algorithmes de contrôle avancés (tels que le contrôle PID, le contrôle flou, le contrôle du réseau neuronal), pour réaliser un contrôle synergique de haute précision et une réponse dynamique élevée. Parmi eux, le contrôle PID amélioré (par exemple, PID adaptatif) peut s'adapter aux caractéristiques non linéaires et variables dans le temps du système, améliorant efficacement la précision du contrôle; Le contrôle du flou et le contrôle du réseau neuronal peuvent gérer les facteurs d'incertitude dans le système, améliorer la résistance aux interférences du système et optimiser davantage la stabilité de la simulation de mouvement.

V. Difficultés techniques clés et garanties de précision

Simulation de mouvement à trois degrés de liberté de la tourelle d'essai inertiel à trois axes, la difficulté principale réside dans la réalisation d'un contrôle synergique de « haute précision, haute stabilité, réponse dynamique élevée», dont la précision est influencée par plusieurs facteurs tels que la structure mécanique, le système d'entraînement, le système de mesure, le système de contrôle et d'autres. Pour répondre à ces difficultés, des mesures de précision ciblées sont nécessaires pour assurer la précision et la fiabilité de la simulation de mouvement et répondre aux exigences rigoureuses des tests de dispositifs inertiels.

5.1 difficultés techniques fondamentales

1.   Erreur d'orthogonalité et de concentricité de l'axe: la précision de l'orthogonalité et de la concentricité des trois axes affecte directement la précision de la résolution de l'attitude, l'usinage et les écarts mineurs dans le processus d'assemblage peuvent entraîner des erreurs de simulation d'attitude, en particulier des exigences de précision de l'ordre de la seconde angulaire, qui imposent des exigences extrêmement élevées au processus d'usinage et d'assemblage;

2.   Interférence de couplage de mouvement: l'imbrication hiérarchique des trois cadres entraîne un couplage de mouvement, le mouvement d'un axe perturbera l'attitude des autres axes, en particulier dans les scènes de mouvement dynamique à grande vitesse, l'interférence de couplage affectera considérablement la précision du contrôle, il est nécessaire d'éliminer l'interférence par un algorithme de découplage complexe;

3.   Erreur du système et interférences externes: la zone morte du système d'entraînement, la dérive du point zéro du système de mesure, les vibrations externes et d'autres facteurs peuvent entraîner une erreur de simulation de mouvement, la compensation d'erreur et la conception anti - interférence, améliorer la stabilité du système;

4.   équilibre de la réponse dynamique et de la précision: la réponse dynamique élevée exige que le système d'entraînement réponde rapidement aux instructions de contrôle, tandis que la haute précision exige que le système fonctionne sans heurts, il existe certaines contradictions entre les deux, il est nécessaire d'optimiser l'algorithme de contrôle et la structure mécanique pour atteindre l'équilibre des deux, par exemple par une structure rigide élevée avec un servomoteur de haute précision, en tenant compte de la réponse dynamique et de la stabilité du fonctionnement.

5.2 garanties de précision

1.   Usinage et assemblage de précision: l'utilisation de processus d'usinage de haute précision assure la précision de l'axe des trois cadres; Ajustement de l'orthogonalité et de la concentricité de l'axe, réduction des erreurs mécaniques grâce à l'assemblage et à l'étalonnage de précision; L'utilisation simultanée de matériaux hautement rigides et de roulements de précision, améliore la stabilité structurelle, la planéité de la surface de la console et le battement de la surface d'extrémité à moins de 0,02 mm, améliore la capacité de charge (jusqu'à plus de 45 kg);

2.   Algorithme avancé de découplage et de contrôle: adopter une résolution d'attitude quaternaire pour éviter les problèmes de blocage à cardan; Suppression des interférences de couplage de mouvement par des algorithmes tels que le découplage d'alimentation avant, le découplage de rétroaction, etc.; Optimisation des algorithmes de contrôle, tels que PID adaptatif, contrôle du réseau neuronal flou, amélioration de la vitesse de réponse dynamique du système et de la précision du contrôle, réalisation de l'équilibre entre la réponse dynamique et la précision;

3.   Mesure de haute précision et compensation d'erreur: avec codeur angulaire de haute précision, capteur de vitesse angulaire, améliorer la précision de la mesure; Par des expériences d'étalonnage, l'établissement d'un modèle d'erreur, la compensation en temps réel de l'erreur de mesure par rapport à l'erreur du système; L'adoption d'une structure d'absorption des chocs pour réduire les interférences de vibrations externes et assurer le bon fonctionnement du système, certains équipements peuvent également fournir un rapport de données complet et vérifiable couvrant l'ensemble de la position, du taux et des paramètres mécaniques, assurant la fiabilité et la traçabilité des données de test.