压电式六维加速度传感器动态解耦方法与实验研究

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六维加速度传感器是一种先进的传感器,可以感知三维空间的六维加速度,完整地还原被测物体的运动状态,在航天航空、无人驾驶、机器人等领域都有广泛的应用前景。由于六维加速度传感器属于多输入多输出的系统,都不可避免的存在一个问题——维间耦合,且输入在动态变化时,维间耦合的程度也随之动态变化,即产生维间动态耦合,严重影响传感器的动态性能。因此,要提高传感器的动态性能和获得更高精度的六维信息,就必须开展传感器动态耦合的研究工作。本文以前期设计制造的压电式六维加速度传感器为研究对象,开展传感器动态解耦方法和实验研究。基于传感器的结构和工作原理,并借助有限元仿真,分析了传感器耦合的特性以及原因;通过动态标定和系统辨识法完成了对传感器动态数学模型的建立;结合建立的动态模型,提出了基于动态补偿的解耦方法,并进行了相应的仿真验证;设计和搭建了动态实验平台,完成了对动态解耦方法的验证实验。本文的主要工作内容如下:(1)分析了传感器的耦合特性。从传感器的结构和感知原理入手,分析了其自身结构造成的耦合;对传感器进行了动态仿真,分析了各维度的动态耦合情况;结合上述分析,研究了传感器动态耦合的原因,并讨论了动态解耦的方法以及各自优缺点。(2)建立了传感器的动态模型。利用冲击响应法完成了传感器的动态标定;基于系统辨识法,并利用标定数据建立了传感器的动态模型;最后验证了模型的可靠性。(3)对传感器进行了动态解耦方法的研究。提出了基于动态补偿的解耦原理以及动态解耦补偿器的设计方法;借助建立的传感器动态模型,设计了各通道的解耦补偿器;然后对设计的补偿器进行了仿真分析。(4)搭建了传感器采集解算的动态实验平台。设计了基于FPGA的信号采集卡和基于Lab VIEW平台的采集处理上位机;利用搭建的实验平台和前期研制的传感器样机,完成了动态解耦方法的验证实验。本文通过动态标定建立了传感器的动态模型,基于建立的模型研究了传感器动态解耦的方法,提高了传感器的动态性能和测量精度;研究工作对多维传感器的动态解耦研究具有一定的指导意义。
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