Трехосный испытательный стенд инерции: анализ принципа моделирования движения при трех степенях свободы

В области аэрокосмической, инерциальной навигации, роботизированного управления и другого высококачественного оборудования производительность инерционных устройств (гироскопов, акселерометров и т. Д.) напрямую определяет точность управления ориентацией и навигационную надежность носителя. Трехосный инерционный испытательный ротор является основным испытательным оборудованием, основная функция которого заключается в точном воспроизведении положения и углового движения объекта в трехмерном пространстве в лабораторной среде, обеспечивая контролируемое и повторяющееся возбуждение движения для калибровки, тестирования и проверки инерционных устройств. В отличие от одноосного или двухосного ротора, трехосный ротор реализует моделирование пространственного положения через три взаимно ортогональных вращающихся оси. Принцип моделирования движения объединяет многодисциплинарные технологии, такие как механическое проектирование, кинематика и техника управления, и является незаменимым ключевым звеном в цепочке исследований и разработок высококачественного оборудования.

Эта статья будет исходить из основного определения, системного анализа трехосного инерционного испытательного стенда для моделирования движения с тремя степенями свободы базовой логики, пути реализации и ключевых технологий.

Основная концепция: Существенная связь между трехосным испытательным ротором инерции и движением трех степеней свободы

Чтобы понять его принцип моделирования движения, сначала необходимо прояснить содержание двух основных понятий: трехосного испытательного ротора инерции и вращающегося движения с тремя степенями свободы.

Трехосный инерционный испытательный ротор - это высокоточное электромеханическое интегрированное оборудование, Основной состав включает в себя механическую раму, приводную систему, систему обратной связи измерений и систему управления, Его основная цель состоит в том, чтобы обеспечить точное угловое движение измеренных инерциальных устройств (таких как инерционный измерительный блок IMU), установленных на столе, вокруг трех независимых степеней свободы, имитируя изменения положения носителя (летательного аппарата, спутника, робота и т. Д.) в реальной сцене, такие как тангаж самолета, отклонение и поворот, настройка орбитального положения спутника и т. Д.

С кинематической точки зрения, изменение положения любого жесткого тела в пространстве может быть полностью описано тремя независимыми степенями свободы вращения, которые соответствуют трем взаимно ортогональным осям вращения, и три оси пересекаются в одной точке (центр поворота / испытательный центр), гарантируя, что чувствительный центр измеренного устройства всегда совпадает с центром поворота, избегая влияния дополнительного смещения на точность тестирования. Эти три степени свободы соответствуют друг другу: движение рыскания вокруг вертикальной оси (азимут), движение тангажа вокруг горизонтальной оси (угол тангажа), движение крена вокруг параллельной оси со столешницей (угол поворота), совместное движение трех может воспроизводить произвольное положение пространства, что является теоретической основой моделирования движения трехосного ротора.

В отличие от одноосного ротора, который может имитировать только однонаправленное вращение, двухосный ротор не может достичь полного покрытия положения, трехосный ротор через синергическое управление тремя степенями свободы нарушает ограничения измерения моделирования движения и может реалистично воспроизводить динамическое положение носителя в сложных условиях для удовлетворения потребностей высокоточного инерционного устройства в полном режиме тестирования.

II. Механическая основа: логика проектирования структурных носителей с тремя степенями свободы

Трехосное инерционное моделирование движения ротора с тремя степенями свободы, в первую очередь, зависит от точной механической рамочной структуры, ядро которой состоит из трех двухортогональных вращающихся рамок (внешняя рама, средняя рама, внутренняя рама), каждая рама соответствует степени свободы, через иерархическую вставку для достижения композиции и координации движения. Типичная рамочная структура имеет вертикальную (тип U - O - O, тип T - U - T и т. Д.) и горизонтальную, из которых вертикальная структура из - за сильной стабильности, выдающейся грузоподъемности, широко используется в аэрокосмической области высокоточных тестовых сценариев, конструкция которой соответствует трем основным принципам « ортогональности, концентричности, жесткости».

2.1 Функциональное разделение труда между тремя основными рамками (например, вертикальная структура)

Структура иерархической мозаики трех рамок обеспечивает независимость и синергию движений каждой степени свободы при следующем разделении труда:

1.   Внешний каркас (азимутальная ось / ось рыскания): В качестве основы всего ротора устанавливается вертикально горизонтальной плоскости, ось вращения которой имеет вертикальное направление и отвечает за то, чтобы привести среднюю раму, внутреннюю раму и измеренное устройство вместе вращаются вокруг вертикальной оси, имитируя движение рыскания носителя в горизонтальной плоскости (например, регулировка курса судна, горизонтальное рулевое управление летательного аппарата). Внешняя рама должна обладать высокой жесткостью и стабильностью, нести вес и нагрузку всего ротора, точность вращения напрямую влияет на точность общего моделирования положения.

2.   Средняя рама (ось тангажа): Встроенная внутри наружной рамы, ось вращения имеет горизонтальное направление и перпендикулярно внешнему валу, отвечает за вращение внутренней рамы и измеренного устройства вокруг горизонтальной оси, имитирует движение тангажа носителя (например, подъем самолета, наклон головы, настройка положения наклона спутника). Конструкция средней рамы должна учитывать жесткость и легкость, чтобы избежать чрезмерного веса, приводящего к увеличению нагрузки на внешнюю раму, в то же время необходимо обеспечить ортогональную точность с внешней рамой и внутренней рамкой, чтобы уменьшить ошибку положения, вызванную отклонением оси.

3.   Внутренняя рама (роликовая ось): Встроенная внутри средней рамы, ось вращения которой перпендикулярна оси средней рамы и перпендикулярна поверхности стола, непосредственно приводя стол и измеренное устройство вращаются вокруг оси, имитируя движение вращения носителя (например, боковой наклон самолета, настройка положения робота). Внутренняя рама - это часть, непосредственно связанная с измеренным устройством, точность вращения и скорость динамической реакции которого оказывают самое непосредственное влияние на результаты испытаний, как правило, с использованием высокоточных подшипников и легких материалов для обеспечения плавности и точности движения.

2.2 Ключевые структурные требования

Для достижения высокоточного моделирования движения с тремя степенями свободы механическая структура должна соответствовать трем основным требованиям: во - первых, ортогональность, три оси вращения должны быть строго двумя или двумя вертикальными, ошибка вертикальности оси обычно контролируется угловым секундным уровнем, чтобы избежать ошибки решения положения из - за отклонения оси; Во - вторых, концентричность, центр вращения трех осей должен пересекаться в одной точке (испытательный центр), отклонение контролируется в пределах 0,5 мм, чтобы убедиться, что центр чувствительности измеренного устройства всегда находится в центре движения, устраняя влияние дополнительной центробежной силы; В - третьих, высокая жесткость и низкая вибрация, рама использует высокожесткий материал (например, алюминиевый сплав, синтетическая сталь), в сочетании с прецизионными подшипниками и амортизационными конструкциями, уменьшает вибрацию при высокоскоростном движении или длительной работе, избегает вибрации, мешающей точности измерения инерциальных устройств.

Принципиальное ядро: математическое моделирование движения трех степеней свободы и решение положения

Трехмерное моделирование свободного движения трехосного ротора, по сути, воспроизводит пространственное положение носителя, контролируя угол вращения, угловую скорость и угловое ускорение трех осей, в соответствии с конкретными математическими законами. Его основная теоретическая основа - принцип угла Эйлера и преобразование матрицы положения, математическое моделирование пространственного положения и параметров вращения трех осей для достижения точного управления и моделирования положения.

3.1 Описание угла Эйлера и положения с тремя степенями свободы

Положение любого жесткого тела в пространстве может быть полностью описано тремя углами Эйлера (угол рыскания Сай, угол тангажа тета, угол поворота Фи), которые соответствуют углам вращения трех осей ротора, соответственно, и порядок вращения (например, рыскание - тангаж - крен) определяет окончательное состояние положения. Следует отметить, что в углу Эйлера существует проблема « карданного замка» (когда угол тангажа ±90°, угол рыскания и угол рулона создают связь), поэтому в практическом применении обычно используется метод кватернионов для решения положения, чтобы избежать контроля положения, вызванного карданного замка, и обеспечить непрерывность и точность моделирования положения во всем пространстве.

В частности, целевое положение измеренного носителя может быть выражено углом Эйлера или кватернионом, система управления разбивает целевое положение на команды вращения по трем осям, соответственно, приводя к вращению наружной рамы, средней рамы и внутренней рамы, в конечном итоге через синергическое движение трех осей, измеренное устройство настраивается на положение цели. Например, при моделировании положения пикирования летательного аппарата средняя рама (ось тангажа) вращается по часовой стрелке (угол тангажа уменьшается), в то время как внутренняя рама (ось ролика) подстраивается в соответствии с требованиями положения, внешняя рама (ось рыскания) остается фиксированной, и все три взаимодействуют для достижения точного моделирования положения пикирования.

3.2 Контроль связи между матрицей положения и движением

Для достижения синергического управления тремя степенями свободы необходимо установить отображение целевого положения и параметров вращения каждой оси с помощью матрицы положения. Матрица положения представляет собой ортогональную матрицу 3×3, элементы которой состоят из тригонометрических функций с тремя углами Эйлера и могут описывать процесс вращения жесткого тела от начального положения к целевому. С помощью инверсии матрицы положения целевое положение может быть разбито на угол вращения трех осей, обеспечивая точные инструкции управления для приводной системы.

Поскольку три рамы имеют иерархическую вставку, вращение одной оси приводит к изменению пространственного положения других осей, образуя кинематическую связь (например, при вращении средней рамы направление оси вращения внутренней рамы изменяется в зависимости от положения средней рамы). Поэтому в процессе управления движением влияние связи необходимо устранить с помощью алгоритма развязки, чтобы обеспечить независимое и точное движение каждой оси. Общие методы развязки включают развязку с обратной связью и т. Д. Благодаря компенсации ошибок связи в реальном времени, точность моделирования положения и скорость динамической реакции.

Путь реализации: замкнутое кольцо привода и управления движением трех степеней свободы

Механическая структура является носителем моделирования движения, математическое моделирование является теоретической основой, а совместная работа системы привода и системы управления является основным путем достижения точного моделирования движения с тремя степенями свободы. Трехосный ротор обеспечивает точность и стабильность моделирования движения с помощью управления замкнутым контуром « ввод команды - выполнение привода - измерение обратной связи - коррекция ошибки», а его основной состав включает в себя систему привода, систему обратной связи измерения и систему управления.

4.1 Драйвовая система: источник энергии для движения с тремя степенями свободы

Основная функция приводной системы заключается в обеспечении точного приводного момента для трех осей в соответствии с инструкциями системы управления для достижения точного управления углом, угловой скоростью и угловым ускорением. В настоящее время основной способ привода делится на электрический привод и электрогидравлический гибридный привод, двигатель момента постоянного тока широко используется в позиционной и следящей системе, является идеальным исполнительным элементом высокоточной сервосистемы, с низкой скоростью вращения, большим крутящим моментом, сильной способностью к перегрузке, быстрой реакцией, хорошей линейностью, небольшими колебаниями момента и другими характеристиками, может напрямую приводить в движение нагрузку, экономить редуктивную передачу, тем самым улучшая точность работы системы; Электрогидравлический гибридный привод подходит для испытаний с большой нагрузкой и высокой мощностью, таких как испытания инерциальных систем больших летательных аппаратов.

В качестве приводного ядра двигатель момента постоянного тока должен обладать высокоточным управлением скоростью и способностью управления положением, в сочетании с прецизионным редуктором (например, гармоническим редуктором), высокоскоростное вращение двигателя преобразуется в низкоскоростное высокоточное вращение рамы, обеспечивая при этом достаточный приводной момент для преодоления инерции рамы и сопротивления нагрузки. Каждая ось оснащена независимым приводным блоком, обеспечивающим независимое управление движением трех степеней свободы, совместную работу для достижения точного моделирования сложного положения, диапазон угловых скоростей может охватывать ± 0001 - 400 ° / с, чтобы удовлетворить все требования к испытанию условий от статической калибровки до переходных реакций.

4.2 Системы обратной связи измерений: ключевые звенья обеспечения точности

Роль измерительной системы обратной связи состоит в том, чтобы собирать в режиме реального времени угол вращения, угловую скорость, угловое ускорение и другие параметры трех осей и возвращать их в систему управления, чтобы сформировать управление замкнутым контуром для обеспечения точности моделирования движения. Основные измерительные устройства включают в себя угловой кодер, датчик угловой скорости и т. Д., Из которых точность углового кодера (например, фотоэлектрического кодера) напрямую определяет точность управления ориентацией поворотного стола, текущее угловое позиционирование и точность повторения высокопроизводительного трехосного ротора могут достигать ±2 ", угловое разрешение положения может достигать ±00001 °, что отвечает строгим требованиям высокоточной калибровки инерционного устройства.

Система обратной связи измерений должна обладать высокой скоростью отклика и высокой надежностью, позволяя захватывать состояние движения трех осей в режиме реального времени и быстро передавать измеренные данные в систему управления. В то же время, с помощью алгоритма компенсации ошибок, необходимо исправить системные ошибки самого измерительного устройства (например, погрешность нулевой точки, погрешность шкалы) и ошибки, вызванные механической структурой (например, отклонение оси, ошибка вибрации), чтобы еще больше повысить точность измерения, обеспечить точные данные обратной связи для управления замкнутым контуром. Технические индикаторы поворотного стола калибруются с помощью стандартного оборудования угла для обеспечения прослеживаемости измерительных данных.

4.3 Система управления: « мозг» с синергией трех степеней свободы

Система управления является ядром трехосного ротора для моделирования движения с тремя степенями свободы, отвечает за получение тестовых команд (например, целевое положение, траектория движения), с помощью алгоритмов математического моделирования и развязки, команды управления, которые разбивают целевое положение на три оси, приводная система выполняет движение и динамически исправляет инструкции управления на основе данных системы обратной связи измерения в реальном времени, устраняет ошибки и обеспечивает точность и стабильность моделирования движения.

Основные функции системы управления включают: во - первых, решение положения, преобразование целевого положения (угол Эйлера или кватернионное число) в параметры вращения трех осей, чтобы избежать проблем с карданного замка; Во - вторых, управление развязкой, устранение кинематической связи между тремя осями, обеспечение независимого и синергического движения каждой оси; В - третьих, коррекция ошибок, в соответствии с данными обратной связи измерения, коррекция команды привода в реальном времени, компенсация системных ошибок и внешних помех; В - четвертых, планирование траектории, в соответствии с требованиями тестирования, планирование траектории движения трех осей (например, равномерное вращение, вращение с переменной скоростью, синусоидальная качка и т. Д.) для достижения моделирования сложного положения, часть программного обеспечения для измерения и управления также поддерживает режим положения, режим скорости, режим качки и другие различные режимы управления, удовлетворяющие требованиям различных сценариев тестирования.

В настоящее время системы управления в основном используют PLC, DSP или промышленные компьютеры в качестве ядра управления, в сочетании с передовыми алгоритмами управления (например, PID - управление, нечеткое управление, управление нейронной сетью) для достижения высокоточного, высокодинамического синергического управления реакцией. Среди них улучшенное PID - управление (например, адаптивный PID) может адаптироваться к нелинейным, изменяющимся во времени характеристикам системы, эффективно улучшать точность управления; нечеткое управление и управление нейронной сетью могут обрабатывать факторы неопределенности в системе, повышать антиинтерференционную способность системы и еще больше оптимизировать стабильность моделирования движения.

V. Ключевые технические трудности и гарантии точности

Трехосный инерционный испытательный ротор для моделирования движения с тремя степенями свободы, основная трудность заключается в достижении « высокой точности, высокой стабильности, высокой динамической реакции» совместного управления, точность которого зависит от механической структуры, приводной системы, измерительной системы, системы управления и многих других факторов. В ответ на эти трудности необходимо принять целенаправленные меры по обеспечению точности для обеспечения точности и надежности моделирования движения и удовлетворения строгих требований к тестированию инерционных устройств.

5.1 Основные технические трудности

1.   Ошибка ортогональности и концентричности осевой системы: ортогональная точность и концентрическая точность трех осей напрямую влияют на точность решения положения, небольшие отклонения в процессе механической обработки и сборки могут привести к ошибкам моделирования положения, особенно к требованиям точности углового секундного уровня, предъявляющим высокие требования к процессу обработки и сборки;

2.   интерференция связи движения: иерархическая вставка из трех рамок приводит к кинетической связи, движение одной оси может мешать ориентации других осей, особенно в сценариях высокоскоростного динамического движения, помехи связи могут значительно повлиять на точность управления, необходимо устранить помехи с помощью сложных алгоритмов развязки;

3.   Системные ошибки и внешние помехи: мертвая зона приводной системы, дрейф нулевой точки измерительной системы, внешние вибрации и другие факторы могут привести к ошибке моделирования движения, необходимо повысить стабильность системы с помощью компенсации ошибок и конструкции защиты от помех;

4.   Баланс динамической реакции и точности: Высокий динамический ответ требует, чтобы система быстро реагировала на команды управления, а высокая точность требует, чтобы система работала плавно, между ними существует определенное противоречие, необходимо оптимизировать алгоритм управления и механическую структуру, чтобы достичь баланса между ними, например, с помощью высокожесткой структуры и высокоточного сервопривода, с учетом динамической реакции и стабильности работы.

5.2 Гарантии точности

1.   Точная обработка и сборка: использование высокоточного процесса обработки для обеспечения точности осевой системы трех каркасов; Благодаря точной сборке и калибровке, отрегулируйте ортогональность и концентричность осевой системы, чтобы уменьшить механическую ошибку; В то же время использование высокожестких материалов и прецизионных подшипников, повышение структурной стабильности, плоскость поверхности консоли и торцевое биение в пределах 0,02 мм, повышение грузоподъемности (до 45 кг и выше);

2.   Усовершенствованные алгоритмы развязки и управления: использование четырехзначного решения положения, чтобы избежать проблемы карданного замка; устранение помех от связи движения с помощью таких алгоритмов, как развязка с обратной связью и обратной связью; Оптимизация алгоритмов управления, таких как адаптивный PID, нечеткое управление нейронной сетью, повышение динамической скорости реакции системы и точности управления, достижение баланса динамической реакции и точности;

3.   Высокоточные измерения и компенсация ошибок: использование высокоточного кодера угла, датчика угловой скорости для повышения точности измерения; С помощью калибровочных экспериментов создается модель ошибки, которая компенсирует ошибки измерения и системные ошибки в режиме реального времени; Использование амортизирующей структуры, чтобы уменьшить внешние вибрационные помехи, обеспечить бесперебойную работу системы, некоторые устройства также могут предоставить полный и проверяемый отчет данных, охватывающий все местоположение, скорость, механические параметры, чтобы обеспечить надежность и прослеживаемость тестовых данных.