一种基于磁场信息的平面二自由度位移测量方法技术

本发明专利技术是一种基于磁场信息的平面二自由度位移测量方法，该方法利用非周期磁场信息实现位移测量，在相对运动的物体上分别固定永磁体和磁传感器阵列，永磁体产生磁场信息，按一定规则布局的磁传感器阵列检测磁场信息。该发明专利技术中采用勒让德正交多项式结构建立磁传感器测量模型，然后提出测量模型参数和位移同时在线求解的解算方法，保证每个测量点处的测量模型准确度，从而实现精密位移测量。本发明专利技术可以解决由于测量模型精确度不高而导致的基于磁场信息实现位移测量精度低的问题，该测量方法可应用于制造装备或机器人等运动系统中。

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁场信息的平面二自由度位移测量方法
本专利技术设计一种二自由度的位移测量方法，特别涉及适用于基于磁场信息的平面二自由度位移测量。
技术介绍
随着工业4.0的提出，精密制造成为了一个国家经济发展的重要支柱，位移测量也越来越广泛地应用到工业领域中，而精密位移测量技术是制造精密仪器的基础，决定了整个制造业的制造精度，其中精密位移测量技术涉及精密仪器的加工制造、集成电路、航空航天、机器人制造等领域。位移测量的核心部分就是利用各个传感器将光、磁、电等信号转化为位移信息，目前常用的位移测量传感器有电容传感器、图像传感器、光栅尺传感器、电涡流传感器等。这些方法对传感器的安装条件有苛刻的要求，无法满足动态实时测量场合，而且调整难度大，对环境要求高。电磁传感器结构简单、对工作环境要求较低，但永磁体存在制造误差以及充磁不均匀性等有固有缺陷引起磁场分布模型误差，影响位移测量结果，因而一种基于磁场信息能实现高精度位移测量的方法亟待提出。
技术实现思路
如上所述，基于磁场信息的二自由度位移测量方法，则需保证在每个位置处的测量模型参数都是准确的，因为在不同位置处测量模型参数会发生变化，为了保证测量精度，本专利技术提出一种基于磁场信息的二自由度位移测量方法，利用永磁体产生的磁场信息，采用模型参数和位移同时在线求解，从而实现二自由度的位移测量，在保证模型准确度的条件下，实现位移解算。本专利技术所采用的技术方案如下：1)在相对运动的定子和动子上分别固定永磁体和磁传感器阵列，在永磁体上建立定坐标系OXYZ，在磁传感器阵列上建立动坐标系O'X'Y'Z'；2)在动坐标系O'X'Y'Z'下，设磁传感器阵列中第i个磁传感器的安装坐标为(xi0,yi0)T，其中i＝1,2,...,n，n为传感器个数；3)在定坐标系OXYZ下，第i个磁传感器的坐标为(xi,yi)；4)在初始测量时刻，设定坐标系OXYZ与动坐标系O'X'Y'Z'相重合，在某一时刻tk，磁传感器的平面二自由度位移为[x,y]T，即动坐标系O'X'Y'Z'原点在定坐标OXYZ中的位置，则该时刻第i个磁传感器在定坐标系OXYZ中的位置为[xi,yi]T＝[xi0,yi0]T+[x,y]T；5)建立磁传感器的位移测量模型为f(P,x,y)，P为模型参数，P＝[a00,a01,...,amn]，其中，amn为模型参数P中的变量，则第i个磁传感器的坐标方程为fi(P,xi,yi)，并建立定坐标系的零点约束方程fc1(0,y)与fc2(x,0)，设磁传感器位移测量模型和约束方程的向量为：F(X)＝[f1(P,x1,y1),f2(P,x2,y2),…,fn(P,xn,yn),fc1(P,0,y),fc2(P,x,0)]T其中，X＝[P,x,y]T；同时，设tk时刻检测信息向量为Y(tk)＝[y1,y2,...,yn,0,0]T，其中Y(tk)中后两项是零点约束方程的值；6)在tk时刻求解模型参数P和测量位移x、y，求解时首先通过前一个时刻的求解量X(tk-1)对当前时刻的求解量X(tk)进行预测，预测量X1(tk)，然后利用检测信息向量Y(tk)，并采用迭代式计算进行更新，实现模型参数P和位移的求解；求解方法的具体步骤如下：a).求解方法初始化：令j＝1，设X1(tk)＝X(tk-1)，迭代次数为q；b).计算雅克比矩阵：继而更新该时刻的位移，如下式：Xj+1(tk)＝Xj(tk)+[J(Xj(tk))TJ(Xj(tk))]-1J(Xj(tk))T[Y(tk)-F(Xj(tk))]c).判断：若j≤q，则更新迭代次数j＝j+1，返回步骤b)，否则，终止迭代，转步骤d)；d).终止迭代，第tk时刻的位移为X(tk)＝Xj+1(tk)，完成位移的测算。上述技术方案中，其特征在于：步骤5)中采用二维勒让德正交多项式来构建位移测量模型f(P,x,y):其中，lx,Cx,ly,Cy为常数，Px,Py为一维勒让德正交多项式，可将x,y归一化到[-1,1]范围内。本专利技术具有以下优点及突出性的技术效果：本专利技术采用模型参数和位移同时在线求解的方法，保证每个位置处的测量模型参数都是准确的，有效地克服永磁体制造误差以及充磁不均匀性引起测量模型误差等缺陷，可以解决由于在传感器安装空间有限等恶劣环境下在工业领域无法完成的更高精度的测量问题，应用前景广泛。附图说明图1为本专利技术所述的基于磁场信息的平面二自由度位移测量系统示意图，其中1为永磁体，2为磁传感器阵列。图2为本专利技术所用的磁传感器阵列拓扑结构。图3为本专利技术方法的流程框图。图4a-d为本专利技术实施例的仿真结果。具体实施方式下面结合附图对本专利技术实施方式进一步地详细描述。本专利技术所述的一种基于磁场信息的平面二自由度位移测量方法，具体包括如下步骤：参见图1所示，1)在相对运动的定子和动子上分别固定永磁体1和磁传感器阵列2，在永磁体上建立定坐标系OXYZ，在磁传感器阵列上建立动坐标系O'X'Y'Z'；2)在动坐标系O'X'Y'Z'下，设磁传感器阵列中第i个磁传感器的安装坐标为(xi0,yi0)T，其中i＝1,2,...,n，n为传感器个数；3)在定坐标系OXYZ下，第i个磁传感器的坐标为(xi,yi)；4)在初始测量时刻，设定坐标系OXYZ与动坐标系O'X'Y'Z'相重合，在某一时刻tk，磁传感器的平面二自由度位移为[x,y]T，即动坐标系O'X'Y'Z'原点在定坐标OXYZ中的位置，则该时刻第i个磁传感器在定坐标系OXYZ中的位置为[xi,yi]T＝[xi0,yi0]T+[x,y]T；5)建立磁传感器的位移测量模型为f(P,x,y)，P为模型参数，P＝[a00,a01,...a42]，则第i个磁传感器的坐标方程为fi(P,xi,yi)，根据函数逼近理论，采用二维勒让德正交多项式来构建测量模型f(P,x,y)：其中:lx,Cx,ly,Cy为常数，Px,Py为一维勒让德正交多项式，可将x,y归一化到[-1,1]范围内；6)建立定坐标系的零点约束方程fc1(0,y)与fc2(x,0)，设磁传感器位移测量模型和约束方程的向量为：F(X)＝[f1(P,x1,y1),f2(P,x2,y2),…,fn(P,xn,yn),fc1(P,0,y),fc2(P,x,0)]T其中，X＝[P,x,y]T；同时，设tk时刻检测信息向量为Y(tk)＝[y1,y2,...,yn,0,0]T，其中Y(tk)中后两项是零点约束方程的值；7)在tk时刻求解模型参数P和测量位移x、y，求解时首先通过前一个时刻的求解量X(tk-1)对当前时刻的求解量X(tk)进行预测，预测量X1(tk)，然后利用检测信息向量Y(tk)，并采用迭代式计算进行更新，实现模型参数P和位移的求解；求解方法的具体步骤如下：a).求解方法初始化：令j＝1，设X1(tk)＝X(tk-1)，迭代次数为q；b).计算雅克比矩阵：继而更新该时刻的位移，如下式：Xj+1(tk)＝Xj(tk)+[J(Xj(tk))TJ(Xj(tk))]-1J(Xj(tk))T[Y(tk)-F(Xj(tk))]c).判断：若j≤q，则更新迭代次数j＝j+1，返回步骤b)，否则，终止迭代，转步骤d)；d).终止迭代，第tk时刻的位移为X(tk)＝Xj+1(tk)，完成位移的测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于磁场信息的平面二自由度位移测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1)在相对运动的定子和动子上分别固定永磁体和磁传感器阵列，在永磁体上建立定坐标系OXYZ，在磁传感器阵列上建立动坐标系O'X'Y'Z'；2)在动坐标系O'X'Y'Z'下，设磁传感器阵列中第i个磁传感器的安装坐标为(xi0,yi0)T，其中i＝1,2,...,n，n为传感器个数；3)在定坐标系OXYZ下，第i个磁传感器的坐标为(xi,yi)；4)在初始测量时刻，设定坐标系OXYZ与动坐标系O'X'Y'Z'相重合，在某一时刻tk，磁传感器的平面二自由度位移为[x,y]T，即动坐标系O'X'Y'Z'原点在定坐标OXYZ中的位置，则该时刻第i个磁传感器在定坐标系OXYZ中的位置为[xi,yi]T＝[xi0,yi0]T+[x,y]T；5)建立磁传感器的位移测量模型为f(P,x,y)，P为模型参数，P＝[a00,a01,...,amn]，其中，amn为模型参数P中的变量，则第i个磁传感器的坐标方程为fi(P,xi,yi)，并建立定坐标系的零点约束方程fc1(0,y)与fc2(x,0)，设磁传感器位移测量模型和约束方程的向量为：F(X)＝[f1(P,x1,y1),f2(P,x2,y2),…,fn(P,xn,yn),fc1(P,0,y),fc2(P,x,0)]T其中，X＝[P,x,y]T；同时，设tk时刻检测信息向量为Y(tk)＝[y1,y2,...,yn,0,0]T，其中Y(tk)中后两项是零点约束方程的值；6)在tk时刻求解模型参数P和测量位移x、y，求解时首先通过前一个时刻的求解量X(tk‑1)对当前时刻的求解量X(tk)进行预测，预测量为X1(tk)，然后利用检测信息向量Y(tk)，并采用迭代式计算进行更新，实现模型参数P和位移的求解；求解方法的具体步骤如下：a).求解方法初始化：令j＝1，设X1(tk)＝X(tk‑1)，迭代次数为q；b).计算雅克比矩阵：...

【技术特征摘要】
1.一种基于磁场信息的平面二自由度位移测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1)在相对运动的定子和动子上分别固定永磁体和磁传感器阵列，在永磁体上建立定坐标系OXYZ，在磁传感器阵列上建立动坐标系O'X'Y'Z'；2)在动坐标系O'X'Y'Z'下，设磁传感器阵列中第i个磁传感器的安装坐标为(xi0,yi0)T，其中i＝1,2,...,n，n为传感器个数；3)在定坐标系OXYZ下，第i个磁传感器的坐标为(xi,yi)；4)在初始测量时刻，设定坐标系OXYZ与动坐标系O'X'Y'Z'相重合，在某一时刻tk，磁传感器的平面二自由度位移为[x,y]T，即动坐标系O'X'Y'Z'原点在定坐标OXYZ中的位置，则该时刻第i个磁传感器在定坐标系OXYZ中的位置为[xi,yi]T＝[xi0,yi0]T+[x,y]T；5)建立磁传感器的位移测量模型为f(P,x,y)，P为模型参数，P＝[a00,a01,...,amn]，其中，amn为模型参数P中的变量，则第i个磁传感器的坐标方程为fi(P,xi,yi)，并建立定坐标系的零点约束方程fc1(0,y)与fc2(x,0)，设磁传感器位移测量模型和约束方程的向量为：F(X)＝[f1(P,x1,y1),f2(P,x2,y2),…,fn(P,xn,yn),fc1(P,0,y),f...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡金春，朱煜，杜胜武，韩如锦，田畅，张鸣，尹文生，成荣，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11