基于冗余并联机构压电式六维加速度传感器的研究

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1、NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMechanicalandElectricalEngineeringResearchonpiezoelectricsix-axisaccelerometerbasedonredundantparallelmechanismAThesisinMechanicalEngineeringbyYouJingjingAdvisedbyProf.WuHongtaoSubmitted

2、inPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyMay，2013万方数据承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或

3、部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名：日期：万方数据南京航空航天大学博士学位论文摘要生物医学、惯性导航、机器人等领域正朝着高、精、尖的性能方向发展，迫切需要六维加速度传感器这类能够同时获取载体多自由度运动信息的测量系统，目前国内外对其研究尚处于原理探索阶段，主要技术瓶颈在于解耦难度与结构复杂度之间存在矛盾。针对该现状，本文提出了一种基于冗余并联机构的压电式六维加速度传感器，拥有自主知识产权，从构型设计、解耦算法、结构优化、参数

4、辨识四个方面对其作了深入的研究和探讨。提出了一种基于四面体构型的9-SPS冗余并联机构，运用螺旋理论、拓扑理论等现代机构学理论对其展开分析，结果表明新型并联机构具有初始位姿空间内零奇异、运动学正解封闭、冗余信息可用于处理次级噪声、解耦特性优越以及拓扑构型紧凑且对称等众多优点。鉴于此，用该构型的并联机构充当六维加速度传感器的弹性体结构，另外，压电陶瓷同时充当敏感元件和移动副，弹性球铰链充当球面副。在上述方案的指导下设计了六维加速度传感器的原理样机，并制作了一台加工成本和安装精度要求都较低的实物样机。分别在位形空

5、间内运用矢量力学方法以及在相空间内运用分析力学方法推导出系统的动力学方程；在同伦思想的启发下，通过引入辅助角速度，解决了牛顿-欧拉方程中输入输出量耦合程度高的问题；通过挖掘出姿态四元数与其对应的广义动量之间“隐藏”着的正交关系，在不破坏原动力学方程平衡性的前提下，解决了涉及到哈密顿约束正则方程的指标-3问题；构建了六维加速度传感器的两类解耦算法，它们均具有解耦效率高和算法适应性强的优点。考虑到两类解耦算法在数值性态上存在较大差异，从定性和定量两个角度进行了全面地对比，并分析了造成两者差异的原因，对比结果可用于

6、指导传感器在具体应用场合下对解耦算法的合理选取。通过以定义出的结构矩阵为乘子的迭代运算，同时获取到系统的基频和一阶主振型，巧妙避开传统算法中需要求解高次方程的复杂工作，具有计算效率高和绝对收敛的优点。通过添加关于构型自身冗余约束关系的协调方程，解算了超静定反向动力学方程，从而推导出灵敏度关于结构参数的解析表达式，同时得出所设计传感器理论灵敏度各向同性的结论。提出并证明了关于误差区间宽度的三个定理，据此揭示并量化了六维加速度传感器的误差传递关系，一定程度上拓展了区间分析法的应用领域。为解决多目标优化过程中普遍存

7、在的三大问题，在基频、灵敏度及误差传递模型的基础上提出了一种综合性能函数，据此绘制了六维加速度传感器的性能图谱，对传感器的结构优化以及定量评价具有较大的参考价值。通过深入剖析解耦算法中间参量的形成机理后发现，在线阈频和角阈频之下分别激励外壳做纯线运动和纯角运动时，系统动力学方程可以简化成只关于部分解耦参数的线性代数方程。据此提出了一种可用于对并联式六维加速度传感器的25个解耦参数实施分组辨识的“四步法”。i万方数据基于冗余并联机构的压电式六维加速度传感器研究考虑到目前市场上还没有能够与“四步法”相匹配的外部激

8、励设备，研制了基于双曲柄滑块机构的新型试验平台，且同样拥有自主知识产权。将传感器实物样机安装在试验平台上，并运用自行开发的虚拟仪器控制参数辨识试验的全过程。试验结果显示，参数辨识之后解耦误差降低了1个数量级，表明“四步法”是有效的、可行的。最后，通过软件仿真和样机试验验证了本文所提出设计方案的合理性以及所建立运动学模型、动力学模型的可靠性。本文解决了六维加速度传感器研制过程中涉及到的一些关键技术问题