六維加速度傳感器研究綜述

六維加速度傳感器研究綜述

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們客觀世界的需求的不斷提高，人們對(duì)物體的六維運(yùn)動(dòng)特征的參量檢測(cè)變得越來(lái)越重要。包括三個(gè)交叉軸向的平行運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。理論上講,只要測(cè)量出位移、速度和加速度三類矢量中的其中之一,就能夠通過(guò)微分或者積分運(yùn)算獲取物體全面的運(yùn)動(dòng)信息。然而,有些情況下待測(cè)運(yùn)動(dòng)的位移值和速度值較小,而加速度值較大,再加上環(huán)境中不可避免的干擾噪聲,此時(shí)加速度數(shù)據(jù)的信噪比最理想,也即只有測(cè)量加速度信號(hào)才能夠完全還原出物體運(yùn)動(dòng)的真實(shí)狀態(tài)。例如,視覺(jué)系統(tǒng)所獲影像容易受到外界微小抖動(dòng)的干擾而產(chǎn)生模糊現(xiàn)象,有必要檢測(cè)鏡頭與拍攝物之間的相對(duì)加速度,將其反饋給控制系統(tǒng)并通過(guò)執(zhí)行器對(duì)鏡頭實(shí)施抖動(dòng)補(bǔ)償除此之外,這類特殊的加速度傳感器在機(jī)器人動(dòng)力學(xué)控制在這樣的背景下,從2004年開(kāi)始,“六維加速度傳感器”的概念以及涉及到的關(guān)鍵技術(shù)被逐漸明晰化。由于多輸入多輸出量的強(qiáng)非線性耦合,相比于目前發(fā)展較為成熟的單維加速度傳感器和三維加速度傳感器為了吸引更多的學(xué)者深入了解并從事六維加速度傳感器的研究工作,早日實(shí)現(xiàn)該類多維傳感器在我國(guó)的實(shí)用化目標(biāo),本文對(duì)其在國(guó)內(nèi)外的研究情況進(jìn)行了綜述。首先,逐一闡述最近十年來(lái)幾種最為典型的設(shè)計(jì)構(gòu)型及其工作原理和適用場(chǎng)合,并對(duì)各自的潛在特性進(jìn)行分析總結(jié);然后,基于現(xiàn)有的研究成果及其方案路線,探討六維加速度傳感器在未來(lái)十年甚至更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的研究趨勢(shì)和發(fā)展方向。1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀從待測(cè)加速度在傳感設(shè)備上作用部位的角度來(lái)看,六維加速度傳感器可以劃分成“質(zhì)量塊作用型”和“基座作用型”兩大類。1.1相對(duì)加速度傳感器將構(gòu)件A、構(gòu)件B分別固定在傳感器的質(zhì)量塊和基座上,待測(cè)加速度作用在質(zhì)量塊上。通過(guò)采集質(zhì)量塊與基座之間若干個(gè)敏感元件的輸出信號(hào),并借助于一定的算法可以還原出構(gòu)件A相對(duì)于構(gòu)件B空間運(yùn)動(dòng)的三維線加速度矢量以及三維角加速度矢量。本文將能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能的慣性類傳感器統(tǒng)一稱為“質(zhì)量塊作用型六維加速度傳感器”。由于這里構(gòu)件A和構(gòu)件B可以同時(shí)運(yùn)動(dòng),也可以只有一個(gè)運(yùn)動(dòng)而另一個(gè)靜止,傳感器測(cè)量出的僅僅是兩構(gòu)件之間的相對(duì)加速度,因此這類傳感器也可以稱為“六維相對(duì)加速度傳感器”。目前,研究類人機(jī)器人手腕處的加速度所產(chǎn)生的慣性力對(duì)抓取動(dòng)作的影響,以及開(kāi)發(fā)人類手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)都是比較熱門(mén)的課題,通過(guò)檢測(cè)多個(gè)構(gòu)件之間的相對(duì)六維加速度參量能夠?yàn)檫@兩項(xiàng)課題提供必備的反饋信息。為此,一批學(xué)者對(duì)質(zhì)量塊作用型六維加速度傳感器展開(kāi)了研究。Amarasinghe等孟明等于春戰(zhàn)等式中:a、ε為待測(cè)的線加速度矢量、角加速度矢量;E為彈性桿材料的彈性模量;A為彈性桿的橫截面面積;J李敏等以上四類六維加速度傳感器是目前為止比較典型的質(zhì)量塊作用型六維加速度傳感器,不難看出,學(xué)者們對(duì)其展開(kāi)的研究主要集中在解耦算法上。解耦算法的基本思想是首先通過(guò)軟件仿真或者線性化近似處理的方法得到敏感元件輸出量與質(zhì)量塊慣性力之間的傳遞矩陣,然后運(yùn)用牛頓第二定律將質(zhì)量塊慣性力換算成作用于質(zhì)量塊上的六維加速度。本質(zhì)上,質(zhì)量塊作用型六維加速度傳感器屬于六維力傳感器的范疇,它們?cè)跀?shù)學(xué)模型上只相差一個(gè)慣性矩陣而已。由于該類型六維加速度傳感器的輸入、輸出量之間最終被簡(jiǎn)化成純線性映射的關(guān)系,理論上并不需要對(duì)其解耦參數(shù)實(shí)施辨識(shí),直接對(duì)仿真或試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合就能夠提取出系統(tǒng)的加速度雅可比矩陣。解耦運(yùn)算時(shí),用加速度雅可比矩陣左乘以敏感元件的輸出信號(hào)矢量即得到待測(cè)的六維加速度。1.222基座作用型六維加速度傳感器為實(shí)現(xiàn)飛行器、汽車、航母等空間運(yùn)載體的導(dǎo)航、振動(dòng)測(cè)試等功能,需要借助于外部傳感設(shè)備同時(shí)獲取載體相對(duì)于慣性參考系的三維線加速度以及三維角加速度信息。實(shí)際工作時(shí),將傳感器的基座直接固連在運(yùn)動(dòng)載體上,因此基座的加速度即為待測(cè)的六維加速度?？紤]到這里測(cè)量的是作用在基座上的絕對(duì)加速度,本文將這類傳感器稱為“基座作用型六維加速度傳感器”或者“六維絕對(duì)加速度傳感器”。基座作用型六維加速度傳感器基座的加速運(yùn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)質(zhì)量塊做伴隨運(yùn)動(dòng),由于這兩者之間不是剛性連接,因此各自的速度、加速度等運(yùn)動(dòng)參量并不相等。與質(zhì)量塊作用型六維加速度傳感器不同的是,該類型傳感器的工作原理是通過(guò)測(cè)量質(zhì)量塊相對(duì)于基座的運(yùn)動(dòng)來(lái)反推出基座相對(duì)于慣性參考系的絕對(duì)六維加速度。顯然,從六維加速度的解耦機(jī)理上來(lái)看,后者比前者要復(fù)雜得多,甚至可以說(shuō),前者的解耦機(jī)理僅僅是后者的一種特殊情況,后者更具一般性。鑒于此,國(guó)內(nèi)外從事六維加速度傳感器研究的大部分學(xué)者將工作重點(diǎn)放在基座作用型六維加速度傳感器上。從系統(tǒng)中質(zhì)量塊數(shù)量的角度來(lái)看,這種六維加速度傳感器又可以細(xì)分為“多慣性質(zhì)量塊構(gòu)型”和“單慣性質(zhì)量塊構(gòu)型”兩類。1.2.1基于6加速度計(jì)的檢測(cè)算法Tan等式中:J為彈性體的構(gòu)型矩陣;a式中:l為立方塊的半邊長(zhǎng)Tan等接下來(lái)還分析并給出了組合式六維加速度傳感器的兩個(gè)先決條件,即:1彈性體的構(gòu)型矩陣可逆;2至少需要6個(gè)加速度計(jì)。另外,他們對(duì)加速度計(jì)的安裝誤差問(wèn)題也進(jìn)行了深入研究,并提出了一種“二步法”用于校準(zhǔn)加速度計(jì)的安裝誤差,其具體操作步驟為:第一步,在靜態(tài)條件下,借助于重力效應(yīng),校準(zhǔn)加速度計(jì)的安裝方向誤差;第二步,通過(guò)沿不同方向施加恒角速度旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng),校準(zhǔn)加速度計(jì)的安裝位置誤差。針對(duì)“二步法”中可能出現(xiàn)的校準(zhǔn)結(jié)果不唯一的問(wèn)題,Hung等基于6加速度計(jì)組合的立方塊式六維加速度傳感器除了對(duì)加速度計(jì)的安裝精度要求高以外,最大的缺陷是系統(tǒng)誤差隨時(shí)間發(fā)散得比較嚴(yán)重。產(chǎn)生該現(xiàn)象的一個(gè)重要原因是在對(duì)角加速度進(jìn)行數(shù)值積分以計(jì)算角速度的過(guò)程中不可避免地引入了截?cái)嗾`差和舍入誤差,兩類誤差又進(jìn)一步傳遞到立方塊的旋轉(zhuǎn)矩陣中,進(jìn)而整體傳遞至下一個(gè)采樣時(shí)刻。針對(duì)上述不足,Park等擴(kuò)展Kalman濾波的性能很大程度上取決于狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)的局部非線性度,因此,在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)算法不收斂的情況為了削弱由角速度的數(shù)值計(jì)算而引起的加速度誤差累積效應(yīng),同時(shí)避免在對(duì)冗余傳感信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合過(guò)程中所產(chǎn)生的不收斂現(xiàn)象,有必要對(duì)頗具經(jīng)典的基于6加速度計(jì)組合的立方塊式六維加速度傳感器的結(jié)構(gòu)構(gòu)型及其解耦算法進(jìn)行改進(jìn)或修正。王代華等在對(duì)圖6中的六維加速度傳感器實(shí)施加速度信號(hào)解耦時(shí),王代華等忽略了傳感器基座的角速度和旋轉(zhuǎn)角度,也即假設(shè)待測(cè)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度和頻率小至可以忽略不計(jì)。在此前提下,推導(dǎo)并給出了待測(cè)六維加速度是各加速度計(jì)輸出值加權(quán)求和,且權(quán)重由加速度計(jì)的安裝位置矢量和安裝姿態(tài)矢量決定的結(jié)論。簡(jiǎn)化后的解耦方程(見(jiàn)式(4)),對(duì)應(yīng)的解耦算法具有無(wú)累積誤差、不需要初始對(duì)準(zhǔn)以及計(jì)算效率高的優(yōu)點(diǎn)。然而,由于在建立動(dòng)力學(xué)方程時(shí)簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)動(dòng)特征參量,上述解耦算法僅能適用于待測(cè)載體做微幅轉(zhuǎn)動(dòng)的場(chǎng)合,其泛化能力欠佳。針對(duì)壓電式傳感器無(wú)靜態(tài)響應(yīng)的特點(diǎn),袁剛等在不限制載體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的前提下,為了徹底避開(kāi)關(guān)于角速度微分方程組的數(shù)值求解,Lin等覃方君等式中:L為桿臂長(zhǎng)度;在實(shí)際解耦過(guò)程中:首先,分別根據(jù)前三個(gè)線性方程、后三個(gè)線性方程直接計(jì)算基座質(zhì)心的3個(gè)線加速度分量以及基座3個(gè)角速度分量的絕對(duì)值;然后,根據(jù)中間三個(gè)線性方程直接計(jì)算3個(gè)角加速度分量,并運(yùn)用數(shù)值積分的方法獲取它們所對(duì)應(yīng)的角速度的正負(fù)號(hào),連同角速度的絕對(duì)值一起構(gòu)成3個(gè)角速度分量的具體數(shù)值;最后,運(yùn)用三階Hermite插值法計(jì)算基座的旋轉(zhuǎn)矩陣,并將加速度矢量投影到慣性參考系中。這種設(shè)計(jì)方案最大的優(yōu)勢(shì)是不需要精確計(jì)算關(guān)于角速度的常微分方程組(獲取正負(fù)號(hào)即可),且不需要借助于陀螺儀就能夠獲取到基座轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度矢量,具有理論計(jì)算精度高、設(shè)備成本低的優(yōu)點(diǎn)。然而,由于正軸上3個(gè)加速度計(jì)的實(shí)際安裝位置幾乎不可能保證絕對(duì)重合,這會(huì)引入較大的原理性誤差,因此,實(shí)際測(cè)量過(guò)程中往往難以達(dá)到較高的解耦精度。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)和安裝尺寸的限制,加上基座角運(yùn)動(dòng)的影響,特別是當(dāng)運(yùn)動(dòng)載體處于高動(dòng)態(tài)情況下,圖7所示的六維加速度傳感器存在比較嚴(yán)重的尺寸效應(yīng)誤差。盡管很多學(xué)者不難發(fā)現(xiàn),以上幾類基座作用型六維加速度傳感器的一個(gè)共同點(diǎn)是它們都是由若干個(gè)線加速度計(jì)(個(gè)別還配備了陀螺儀)通過(guò)某種布局方式組合而成的,且每個(gè)加速度計(jì)內(nèi)部均含有一個(gè)用于產(chǎn)生慣性力的質(zhì)量塊。多質(zhì)量塊的質(zhì)心不一致,這導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)各加速度計(jì)的安裝精度要求非常高,工程實(shí)現(xiàn)起來(lái)相當(dāng)困難。另外,由于獨(dú)立的單維加速度傳感器都存在一定的橫向靈敏度,基座的角運(yùn)動(dòng)會(huì)在加速度計(jì)上引起動(dòng)態(tài)誤差。鑒于此,一些學(xué)者開(kāi)始考慮將多個(gè)質(zhì)量塊合并在一起,以避開(kāi)以上兩個(gè)由于多質(zhì)量塊而帶來(lái)的問(wèn)題。1.2.2加速度的方向和基本變化的場(chǎng)合Chapsky等在六維加速度的解耦過(guò)程中,VladimirChapsky等將慣性質(zhì)量塊在傳感器測(cè)量過(guò)程中的絕對(duì)位姿近似視為始終與其初始狀態(tài)時(shí)的位姿相重合,也即忽略了質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)。這樣,基座的六維加速度與質(zhì)量塊上幾個(gè)測(cè)量點(diǎn)沿探測(cè)器敏感方向的位移之間就能夠滿足簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。顯然,這種近似處理所帶來(lái)的六維加速度解耦的原理性誤差是相當(dāng)大的。因此,這類彈簧光電型單質(zhì)量塊六維加速度傳感器僅適用于需要確定加速度的方向或基本變化趨勢(shì)的場(chǎng)合,對(duì)于需要精確測(cè)量加速度大小的場(chǎng)合并不適用。崔峰等考慮到并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有剛度大、精度高、承載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊且穩(wěn)定等諸多潛在優(yōu)點(diǎn),國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入的理論、仿真和試驗(yàn)研究,并且在運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及控制方面取得了豐碩的成果尤晶晶考慮到壓電陶瓷的質(zhì)量較輕(相比于慣性質(zhì)量塊的質(zhì)量可以忽略不計(jì)),且兩端通過(guò)三自由度球面副分別與質(zhì)量塊的外壁和外殼的內(nèi)壁相固連,各支鏈可近似視為二力桿。也就是說(shuō),理論上所有支鏈上的敏感元件不會(huì)受到橫向影響,這也是并聯(lián)式傳感器的一大優(yōu)勢(shì)。六維加速度傳感器在實(shí)際工作時(shí),外殼剛性固定在待測(cè)載體上一起做加速運(yùn)動(dòng),質(zhì)量塊在慣性力的作用下壓縮或拉伸支鏈。各支鏈上壓電陶瓷受到純軸向力的作用,且受力方向與其極化方向平行。由于正壓電效應(yīng),壓電陶瓷的兩極會(huì)產(chǎn)生電荷,且電荷量的多少與作用在外殼上六維加速度的大小有關(guān)。文獻(xiàn)[41]中詳細(xì)給出了六維加速度的解耦方案:首先,測(cè)量出所有壓電陶瓷兩端的電荷量,并運(yùn)用壓電理論之后,尤晶晶等運(yùn)用拓?fù)淅碚撚志C合出了一種基于四面體構(gòu)型的含混合單開(kāi)鏈支路的9-SPS冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu),且理論分析結(jié)果表明該機(jī)構(gòu)具有初始位姿空間內(nèi)零奇異、運(yùn)動(dòng)學(xué)正解封閉、冗余信息可用于處理次級(jí)噪聲、解耦特性優(yōu)越,以及拓?fù)錁?gòu)型緊湊且對(duì)稱等眾多優(yōu)點(diǎn)針對(duì)該構(gòu)型的并聯(lián)式六維加速度傳感器,尤晶晶等還從解耦算法2結(jié)構(gòu)的問(wèn)題與關(guān)鍵技術(shù)縱觀六維加速度傳感器的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,目前這還是一項(xiàng)仍處于探索階段的課題。通過(guò)深入剖析已有研究成果的技術(shù)路線,不能發(fā)現(xiàn),六維加速度傳感器最突出的技術(shù)瓶頸在于六維加速度完全解耦的難度與傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度之間存在矛盾。解耦難度決定了傳感器能否最終實(shí)現(xiàn)高精度、高效率、高穩(wěn)定性地測(cè)量,結(jié)構(gòu)復(fù)雜度決定了傳感器的加工、裝配及安裝方便與否,以及在以上過(guò)程中所引入的誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響如何。人們往往需要通過(guò)提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度來(lái)降低解耦算法的難度,或者通過(guò)提高解耦算法的難度來(lái)降低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度,正是這兩者之間的矛盾關(guān)系制約了六維加速度傳感器的研究進(jìn)程。緩解、甚至徹底解決蘊(yùn)藏在六維加速度傳感器背后的解耦難度與結(jié)構(gòu)復(fù)雜度之間的矛盾是學(xué)者們夢(mèng)寐以求的奮斗目標(biāo)和基本出發(fā)點(diǎn)。一般情況下,為實(shí)現(xiàn)絕對(duì)六維加速度的傳感,離不開(kāi)三大組成要素,包括用于產(chǎn)生慣性力的質(zhì)量塊、用于將傳感器固定在運(yùn)動(dòng)載體上的基座,以及用于感應(yīng)質(zhì)量塊相對(duì)于基座運(yùn)動(dòng)參量的敏感元件。敏感元件的布置方式有很多種,系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型與之直接相關(guān)。也就是說(shuō),六維加速度的解耦難度是由敏感元件的布置方式來(lái)決定的。不合理的或者較復(fù)雜的布置方式使得人們根本無(wú)法準(zhǔn)確推導(dǎo)出系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,從而導(dǎo)致六維加速度的完全解耦非常困難。為了降低解耦難度,一般除了需要提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度之外,人們往往還會(huì)對(duì)待測(cè)運(yùn)動(dòng)施加一定的限制性條件,或者對(duì)非線性模型進(jìn)行線性化處理,而它們卻分別是以縮小傳感器的適用范圍和降低六維加速度的解耦精度為代價(jià)的。嚴(yán)格來(lái)講,這些還僅僅是權(quán)宜之計(jì),并不能從根本上解決解耦與結(jié)構(gòu)之間的矛盾。解耦難度是由組成要素的布置方式?jīng)Q定的,同時(shí)布置方式又關(guān)系到結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度,由此就不難找到解決上述矛盾問(wèn)題的突破口,即綜合出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的、耦合特性優(yōu)越的機(jī)構(gòu),并用其充當(dāng)六維加速度傳感器的彈性體結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)六維加速度傳感器已經(jīng)做了大量而有實(shí)效的工作,取得了一定的研究成果。然而,由于六維加速度傳感器是一項(xiàng)多學(xué)科交叉的龐大而極富挑戰(zhàn)性的課題,涉及到的許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題還沒(méi)有得到完美解決,需要留待今后進(jìn)一步地深入探討:(1)在由敏感元件輸出數(shù)據(jù)求解運(yùn)動(dòng)載體的角速度矢量以及旋轉(zhuǎn)矩陣時(shí),一般需要借助于遞推算法,這會(huì)導(dǎo)致解算結(jié)果隨時(shí)間發(fā)散,也即存在誤差累積效應(yīng)。針對(duì)該問(wèn)題,可以通過(guò)提取并分析特定的運(yùn)動(dòng)特征參量,構(gòu)建系統(tǒng)的誤差模型,進(jìn)而對(duì)解耦數(shù)據(jù)實(shí)施在線的或者離線的補(bǔ)償以消除累積誤差;也可以通過(guò)結(jié)合其它輔助測(cè)量方法(2)從動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看,六維加速度傳感器是一個(gè)相對(duì)比較復(fù)雜的系統(tǒng),目前還無(wú)法用解析法來(lái)求解涉及到的微分-代數(shù)方程,而經(jīng)典的時(shí)域有限差分法又存在數(shù)值穩(wěn)定性欠佳的不足(3)傳感器敏感元件的輸出不僅包含所需的有用信息,同時(shí)還夾雜著各種干擾噪聲,而且各信號(hào)之間還會(huì)存在串頻干擾,因此在進(jìn)行加速度解耦運(yùn)算之前還必須對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行各種抗干擾預(yù)處理,這類關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題目前尚未得到很好地解決。壓電式傳感器的輸出端需要配備前置放大器(包括電荷放大器和電壓放大器兩種),以完成信號(hào)的阻抗變換和放大;然而,目前市場(chǎng)上的這些前置放大器都是針對(duì)單維傳感器而設(shè)計(jì)的,在用于六維加速度傳感器的信號(hào)調(diào)理時(shí)就表現(xiàn)出很多不合理或不方便之處。例如,為了統(tǒng)一不同靈敏度傳感器在同一輸入信號(hào)下的輸出結(jié)果,前置放大器內(nèi)部一般都含有歸一化模塊,該模塊對(duì)六維加速度傳感器的信號(hào)處理起不到任何作用,反而會(huì)增大系統(tǒng)體積、成本和干擾噪聲。由此可見(jiàn),設(shè)計(jì)匹配于六維加速度傳感器的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)是一項(xiàng)亟需解決的課題。另外,除了信號(hào)處理的硬件平臺(tái),還需要開(kāi)發(fā)與之對(duì)應(yīng)的軟件平臺(tái),以控制數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、解耦運(yùn)算等全過(guò)程。(4)盡管不少學(xué)者已經(jīng)提出并研究了多種驅(qū)動(dòng)平臺(tái)、激振平臺(tái),但由于六