用于捕获轨迹风洞试验的运动机构的位姿标定方法技术

本发明专利技术提供用于捕获轨迹风洞试验的运动机构的位姿标定方法，该方法针对捕获轨迹风洞试验中使用六杆并联运动机构，建立模型质心坐标和模型姿态角与电机码盘值之间的关系，据此得到捕获轨迹风洞试验六杆并联运动机构中的未知参数。本发明专利技术首先根据理论推导确定捕获轨迹风洞试验六杆并联运动机构的数学模型结构，然后测量计算沿导轨全程的静平台虎克铰中心坐标，拟合静平台虎克铰中心坐标与电机码盘值之间的关系，之后通过测量标定点的位姿，利用非线性最小二乘法，获取参数化模型中的未知参数，实现对捕获轨迹风洞试验六杆并联运动机构的位姿标定工作。本发明专利技术可以用于捕获轨迹风洞试验的六杆并联运动机构的位姿标定，位姿的定位准度高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于风洞试验领域，具体涉及一种用于捕获轨迹风洞试验的运动机构的位姿标定方法。
技术介绍
外挂物轨迹捕获风洞试验(CaptiveTrajectorySystem,CTS)。它是一种测量外挂物投放轨迹的试验技术，是风洞试验、计算流体力学试验和飞行力学试验的有机结合。捕获轨迹风洞试验需要一套能精确控制的六自由度运动机构。六自由度运动机构可以是串联六自由度运动机构，也可以是并联六自由度运动机构。相比于串联六自由度运动机构，并联六自由度运动机构具有定位精度高、运动速度快、刚度大、阻塞度小和承载能力强的特点。目前，国内外用于捕获轨迹试验的六自由度运动机构都是串联六自由度运动机构，本专利技术第一次将并联六自由度运动机构用于捕获轨迹试验。用于捕获轨迹风洞试验的并联运动机构，要求驱动力大，运动空间大和阻塞度尽可能地小，因此一般采用电机驱动静平台、长支杆和小动平台布局的6-PTRT并联机构。捕获轨迹风洞试验要求在吹风过程中实现对位姿的精确定位，以准确模拟外挂物的投放轨迹。并联机构的定位误差由许多因素引起，主要包括并联机构各构件的加工和装配误差、温度和载荷变形引起的误差、振动引起的误差等。零件的加工和装配误差、构件的变形、运动副间的间隙等误差可占到全部误差的60％-70％。进行运动学标定是减小并联机构定位误差的有效手段。国内外的运动学标定方法根据测量方式不同可分为自标定方法和外标定方法。自标定方法由内部传感器测量计算模型位姿，外标定方法利用外部传感器测量模型位姿。捕获轨迹风洞试验的并联机构若采用自标定方法，内置传感器将会增大机构的堵塞度，而且试验过程中内置传感器容易受损。
技术实现思路
本专利技术采用外标定方法，以绝对测量臂为测量工具，通过测量与动平台固结的精加工过的十字校准架。利用运动学逆解和电机码盘值建立了基于逆解的运动学标定模型，利用最小二乘法对六自由度并联机构进行了运动学标定。本专利技术的目的在于：针对采用六杆并联运动机构的捕获轨迹风洞试验对模型位姿定位精度要求，提供了一种模型位姿的标定方法。本专利技术的技术方案是：用于捕获轨迹风洞试验的运动机构的位姿标定方法，其包括如下步骤：(1)构建用于捕获轨迹风洞试验的六杆并联运动机构的数学模型；(2)建立风洞坐标系；(3)测量风洞侧壁导轨沿程上静平台固定点的坐标，并根据风洞坐标系将其换算为静平台上铰链中心的坐标，拟合静平台铰链中心坐标关于电机码盘值的线性公式；(4)选取模型名义位姿序列1作为标定位姿序列，测量模型的标定位姿，获取用于标定的实测模型位姿数据，并根据数学模型和静平台铰链中心坐标关于电机码盘值的线性公式计算得出电机码盘值数据；(5)以实测模型位姿数据和电机码盘值数据作为输入，利用非线性最小二乘法获取未知结构参数；(6)选取模型名义位姿序列2作为校验位姿序列，测量模型的校验位姿，获取用于校验的实测模型位姿数据，并根据标定后的实测模型位姿与校验的实测模型位姿数据的误差来确定捕获轨迹风洞试验的定位准度；(7)如果定位准度未达到捕获轨迹风洞试验的位姿准度要求，重复(4)～(6)步骤，如果定位准度达到捕获轨迹风洞试验的准度要求，标定工作结束。优选的是，所述的用于捕获轨迹风洞试验的运动机构的位姿标定方法中，根据用于捕获轨迹风洞试验的六杆并联运动机构的结构类型，利用运动学逆解关系确定六杆并联机构的非线性参数化模型。优选的是，所述的用于捕获轨迹风洞试验的运动机构的位姿标定方法中，所述六杆并联运动机构为6-PTRT并联机构。优选的是，所述的用于捕获轨迹风洞试验的运动机构的位姿标定方法中，所述六杆并联运动机构共有6条支链，每条支链上共有5个未知参数，分别为杆长、模型坐标系下动平台铰链中心相对于模型质心的坐标、风洞坐标系下静平台铰链中心的x坐标误差。优选的是，所述的用于捕获轨迹风洞试验的运动机构的位姿标定方法中，以如下方法建立风洞坐标系：将一方箱固连在风洞侧壁面上，并且使方箱的上平面与风洞入口的下壁面平行，使用绝对测量臂测量方箱互相垂直的三个面和风洞洞壁上一个固定点，从而建立方箱坐标系，通过移动原点将方箱坐标系平移到风洞坐标系。优选的是，所述的用于捕获轨迹风洞试验的运动机构的位姿标定方法中，选取的标定位姿序列需要满足如下要求：(1)标定位姿的个数至少为5个；(2)选定的标定位姿序列为非奇异，且历经6个自由度，6个自由度包括x向平移、y向平移、z向平移，俯仰运动、偏航运动和滚转运动。优选的是，所述的用于捕获轨迹风洞试验的运动机构的位姿标定方法中，选取的校验位姿序列遍历6个自由度。本专利技术与现有技术相比的优点在于：该方法针对捕获轨迹风洞试验中使用六杆并联运动机构，建立模型质心坐标和模型姿态角与电机码盘值之间的关系，据此得到捕获轨迹风洞试验六杆并联运动机构中的未知参数。本专利技术首先根据理论推导确定捕获轨迹风洞试验六杆并联运动机构的数学模型结构，然后测量计算沿导轨全程的静平台虎克铰中心坐标，拟合静平台虎克铰中心坐标与电机码盘值之间的关系，之后通过测量标定点的位姿，利用非线性最小二乘法，获取参数化模型中的未知参数，实现对捕获轨迹风洞试验六杆并联运动机构的位姿标定工作。本专利技术可以用于捕获轨迹风洞试验的六杆并联运动机构的位姿标定，位姿的定位准度高。本专利技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本专利技术的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。附图说明图1为本专利技术提供的用于捕获轨迹风洞试验的运动机构的位姿标定方法的流程图；图2为本专利技术提供的用于捕获轨迹风洞试验的运动机构的位姿标定方法中的六杆并联运动机构的结构示意图；图3为本专利技术提供的用于捕获轨迹风洞试验的运动机构的位姿标定方法中的风洞坐标系和方箱的位置关系示意图；图4为本专利技术提供的用于捕获轨迹风洞试验的运动机构的位姿标定方法中的风洞试验示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。如图1所示，本专利技术提供了一种用于捕获轨迹风洞试验运动机构的位姿标定方法，包括：(1)确定捕获轨迹风洞试验六杆并联运动机构数学模型结构。所述的步骤(1)中的六杆并联运动机构为6-PTRT并联机构，如图2所示。并联机构共有6条支链，每条支链在一个位姿下可以提供式(1)的方程，即标定数学模型。(Aix-(xia·h+xib))2+(Aiy-(yia·h+yib))2+(Aiz-(zia·hi+zib))2-Li=0---(1)]]>Aix——i支链动球铰铰点经坐标变换后在风洞坐标系下的x坐标Aiy——i支链动球铰铰点经坐标变换后在风洞坐标系下的y坐标Aiz——i支链动球铰铰点经坐标变换后在风洞坐标系下的z坐标xia,xib——i支链静球铰铰点x坐标关于电机码盘值的斜率和截距yia,yib——i支链静球铰铰点y坐标关于电机码盘值的斜率和截距zia,zib——i支链静球铰铰点z坐标关于电机码盘值的斜率和截距hi——i支链电机码盘值Li——i支链杆长式(1)中：AixAiyAiz=Twmaixaiyaiz---(2)]]>式(2)中：aix——i本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于捕获轨迹风洞试验的运动机构的位姿标定方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)构建用于捕获轨迹风洞试验的六杆并联运动机构的数学模型；(2)建立风洞坐标系；(3)测量风洞侧壁导轨沿程上静平台固定点的坐标，并根据风洞坐标系将其换算为静平台上铰链中心的坐标，拟合静平台铰链中心坐标关于电机码盘值的线性公式；(4)选取模型名义位姿序列1作为标定位姿序列，测量模型的标定位姿，获取用于标定的实测模型位姿数据，并根据数学模型和静平台铰链中心坐标关于电机码盘值的线性公式计算得出电机码盘值数据；(5)以实测模型位姿数据和电机码盘值数据作为输入，利用非线性最小二乘法获取未知结构参数；(6)选取模型名义位姿序列2作为校验位姿序列，测量模型的校验位姿，获取用于校验的实测模型位姿数据，并根据标定后的实测模型位姿与校验的实测模型位姿数据的误差来确定捕获轨迹风洞试验的定位准度；(7)如果定位准度未达到捕获轨迹风洞试验的位姿准度要求，重复(4)～(6)步骤，如果定位准度达到捕获轨迹风洞试验的准度要求，标定工作结束。

【技术特征摘要】
1.用于捕获轨迹风洞试验的运动机构的位姿标定方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)构建用于捕获轨迹风洞试验的六杆并联运动机构的数学模型；(2)建立风洞坐标系；(3)测量风洞侧壁导轨沿程上静平台固定点的坐标，并根据风洞坐标系将其换算为静平台上铰链中心的坐标，拟合静平台铰链中心坐标关于电机码盘值的线性公式；(4)选取模型名义位姿序列1作为标定位姿序列，测量模型的标定位姿，获取用于标定的实测模型位姿数据，并根据数学模型和静平台铰链中心坐标关于电机码盘值的线性公式计算得出电机码盘值数据；(5)以实测模型位姿数据和电机码盘值数据作为输入，利用非线性最小二乘法获取未知结构参数；(6)选取模型名义位姿序列2作为校验位姿序列，测量模型的校验位姿，获取用于校验的实测模型位姿数据，并根据标定后的实测模型位姿与校验的实测模型位姿数据的误差来确定捕获轨迹风洞试验的定位准度；(7)如果定位准度未达到捕获轨迹风洞试验的位姿准度要求，重复(4)～(6)步骤，如果定位准度达到捕获轨迹风洞试验的准度要求，标定工作结束。2.如权利要求1所述的用于捕获轨迹风洞试验的运动机构的位姿标定方法，其特征在于，根据用于捕获轨迹风洞试验的六杆并联运动机构的结构类型，利用运动学逆解关系确定六杆并联机构的非...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢峰，魏忠武，张江，秦永明，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11