專利名稱：一種基于磁鋼陣列的運(yùn)動平臺二維定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包含磁鋼陣列的運(yùn)動部件的測量方法，特別涉及一種利用線性霍爾傳感器進(jìn)行測量的方法，屬于測量及數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
目前，很多現(xiàn)代科學(xué)儀器需要精確的磁場環(huán)境工作；在導(dǎo)航、通訊、磁懸浮列車系列和醫(yī)療等方向，很多設(shè)備也是基于對磁場測量來實現(xiàn)的。特別是在如多自由度電機(jī)、伺服電機(jī)等相關(guān)電機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛。
其中，動圈式磁懸浮平面電機(jī)是一種基于磁鋼陣列產(chǎn)生磁場環(huán)境，能夠依靠擴(kuò)大磁鋼陣列面積，來實現(xiàn)大行程運(yùn)動的一類電機(jī)。它在定子平臺上放置大面積特殊布置的磁鋼陣列，在動子平臺上放置幾組動子線圈并與工作臺連接。在工作臺運(yùn)動過程中，若要確定工作臺的位置，只要能夠確定動子線圈的位置即可。
包括平面電機(jī)在內(nèi)的很多運(yùn)動系統(tǒng)中，都采用高精度光柵尺作為位置檢測元件，測量精度雖然較高，但需要較為復(fù)雜的電路與光學(xué)設(shè)備并且成本較高。同時，也有直接利用霍爾傳感器進(jìn)行位置測量的系統(tǒng)，專利技術(shù)PCT/IB01/02509對包括磁鋼陣列及動子線圈系統(tǒng)進(jìn)行了描述，并涉及到直接利用霍爾傳感器進(jìn)行位置測量問題，但測量信號本身及采樣過程都會存在噪聲而導(dǎo)致測量精度損失。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的提供一種基于磁鋼陣列的運(yùn)動平臺二維定位方法，實現(xiàn)一種運(yùn)動平臺相位解算的方法，且并不局限于平面電機(jī)，只要包含磁鋼陣列的運(yùn)動系統(tǒng)，涉及到在磁場環(huán)境下定位的問題，都能夠借鑒或應(yīng)用。該方法針對包含磁鋼陣列的運(yùn)動系統(tǒng)，利用多個傳感器的數(shù)據(jù)融合，提供一種簡單、便捷、魯棒的平臺定位方法，從而達(dá)到降低成本及降低噪聲對測量精度影響的目的。
為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下 一種基于磁鋼陣列的運(yùn)動平臺二維定位方法，其特征在于，所述方法包括 1)選定運(yùn)動系統(tǒng)中運(yùn)動平臺表面的磁鋼陣列一個或者一個以上極距內(nèi)任意n個不同位置，每個位置放置1個線性霍爾傳感器，其中，不同極距內(nèi)相同相位的位置被認(rèn)為是同一位置，而且n至少等于4； 2)根據(jù)運(yùn)動系統(tǒng)中磁鋼陣列確定磁通密度分布模型公式 Bz＝A×sin(X+α+α0)+B×sin(Y+β+β0)； 其中，Bz表示磁鋼陣列磁通密度，A、B表示磁通密度分布模型幅值分量，X、Y分別表示要解算的運(yùn)動平臺質(zhì)心在X軸上和Y軸上的相位，α、β分別表示線性霍爾傳感器安裝位置相對運(yùn)動平臺質(zhì)心在X軸上和Y軸上的相位，α0、β0分別表示在X軸上和Y軸上的初始相位； 3)在運(yùn)動平臺運(yùn)動前，測量步驟1)中線性霍爾傳感器的安裝位置(Sαi，Sβi)，其中，i＝1，2…，n，并轉(zhuǎn)化為相對運(yùn)動平臺質(zhì)心的相位(αi，βi)，其中，i＝1，2…，n； 4)在運(yùn)動平臺工作過程中，記錄步驟3)中各個線性霍爾傳感器磁通密度測量值Bzi，其中，i＝1，2…，n； 5)將步驟4)中測量值作為觀測量，將步驟2)中磁鋼陣列磁通密度分布模型作為計算模型，通過數(shù)學(xué)算法解算出運(yùn)動平臺的質(zhì)心相位(X，Y)，該質(zhì)心相位(X，Y)為相對相位； 6)根據(jù)步驟5)中解算出的運(yùn)動平臺質(zhì)心相位(X，Y)，進(jìn)一步確定運(yùn)動平臺質(zhì)心相對于初始相位的位置(Sx，Sy)，所述的初始相位由在運(yùn)動平臺上安裝的機(jī)械零位給出。
上述技術(shù)方案中，其特征在于，所述的線性霍爾傳感器相對運(yùn)動平臺質(zhì)心的相位(αi，βi)與安裝位置(Sαi，Sβi)的關(guān)系如下 其中，τ為定子平臺磁鋼陣列的極距。
本發(fā)明對步驟5)中解算出的運(yùn)動平臺質(zhì)心相位(X，Y)，還需要進(jìn)行以下處理 設(shè)(Xr，Yr)為運(yùn)動平臺質(zhì)心相對于初始相位的相位，Nx為X軸方向相對于初始相位的跳躍周期數(shù)，Ny為Y軸方向相對于初始相位的跳躍周期數(shù)，則Xr＝Nx×2π+X，Yr＝Ny×2π+Y，得到運(yùn)動平臺質(zhì)心相對于初始相位的相位，進(jìn)而得到運(yùn)動平臺質(zhì)心相對于初始相位的位置，即 本發(fā)明步驟5)中所述的數(shù)學(xué)算法采用無跡卡爾曼濾波、非線性最小二乘、擴(kuò)展卡爾曼濾波算法進(jìn)行。
本發(fā)明的技術(shù)特征還在于所述的相對于初始相位的跳躍周期數(shù)的確定方法如下 a.設(shè)(Xn，Yn)為當(dāng)前時刻解算出的運(yùn)動平臺質(zhì)心相位，(Xn-1，Yn-1)為上個時刻解算出的運(yùn)動平臺質(zhì)心相位，Nxn、Nyn為當(dāng)前時刻相對于初始相位的跳躍周期數(shù)，Nx(n-1)、Ny(n-1)為上個時刻相對于初始相位的跳躍周期數(shù)； b.當(dāng)(Xn-Xn-1)＞π且判斷運(yùn)動平臺在X軸方向的運(yùn)動速度為正時，Nxn＝Nx(n-1)+1，當(dāng)(Xn-Xn-1)＞π且判斷運(yùn)動平臺X軸方向的運(yùn)動速度為負(fù)時，Nyn＝Ny(n-1)-1；當(dāng)(Yn-Yn-1)＞π且判斷運(yùn)動平臺在Y軸方向的運(yùn)動速度為正時，Nyn＝Ny(n-1)+1，當(dāng)(Yn-Yn-1)＞π且判斷運(yùn)動平臺在Y軸方向的運(yùn)動速度為負(fù)時，Nyn＝Ny(n-1)-1；當(dāng)(Xn-Xn-1)≤π時，Nxn＝Nx(n-1)，當(dāng)(Yn-Yn-1)≤π時，Nyn＝Ny(n-1)。
由于采用了以上的技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下優(yōu)點及突出效果實現(xiàn)了運(yùn)動平臺的平面二維定位，為包含磁鋼陣列的運(yùn)動系統(tǒng)提供了一種簡單、便捷、魯棒的位置計算方法。本發(fā)明的思路及效果對包含磁鋼陣列的運(yùn)動系統(tǒng)(如磁浮、氣浮平面電機(jī))在定位方面的研究和發(fā)展具有重要的實際意義。



圖1是本發(fā)明算法流程圖。
圖2是本發(fā)明磁鋼陣列磁通密度分布圖。
圖3是本發(fā)明磁鋼陣列平面示意圖。
圖4是本發(fā)明研究裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，1-定子平臺；2-磁鋼陣列；3-運(yùn)動平臺；4-線性霍爾傳感器。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
圖4為本發(fā)明采用的研究裝置結(jié)構(gòu)示意圖，包括定子平臺1、相對定子平臺1運(yùn)動的運(yùn)動平臺3，定子平臺1鑲有具有特定布置采用特殊設(shè)計的可形成如圖2所示磁通密度分布模型的永久磁鐵(即磁鋼陣列2)，運(yùn)動平臺3面積小于定子平臺1。
本發(fā)明提供的一種基于磁鋼陣列2的運(yùn)動平臺3二維定位方法，該方法包括以下步驟 1)選定運(yùn)動系統(tǒng)中運(yùn)動平臺3表面的磁鋼陣列2一個或者一個以上極距內(nèi)任意n個不同位置，每個位置放置1個線性霍爾傳感器4，其中，不同極距內(nèi)相同相位的位置被認(rèn)為是同一位置，而且n至少等于4； 2)確定運(yùn)動系統(tǒng)中磁鋼陣列2磁通密度分布模型公式 Bz＝A×sin(X+α+α0)+B×sin(Y+β+β0)； 其中，Bz表示磁鋼陣列2磁通密度，A、B表示磁通密度分布模型幅值分量，X、Y分別表示要解算的運(yùn)動平臺3質(zhì)心在X軸上和Y軸上的相位，α、β分別表示線性霍爾傳感器4安裝位置相對運(yùn)動平臺3質(zhì)心在X軸上和Y軸上的相位，α0、β0分別表示在X軸上和Y軸上的初始相位； 3)在運(yùn)動平臺3運(yùn)動前，測量步驟1)中線性霍爾傳感器4的安裝位置(Sαi，Sβi)，其中，i＝1，2…，n，并轉(zhuǎn)化為相對運(yùn)動平臺3質(zhì)心的相位(αi，βi)，其中，i＝1，2…，n； 4)在運(yùn)動平臺3工作過程中，記錄步驟3)中各個線性霍爾傳感器4磁通密度測量值Bzi，其中，i＝1，2…，n； 5)將步驟4)中測量值作為觀測量，將步驟2)中磁鋼陣列2磁通密度分布模型作為計算模型，通過數(shù)學(xué)算法解算出運(yùn)動平臺3的質(zhì)心相位(X，Y)，該質(zhì)心相位(X，Y)為相對相位； 6)根據(jù)步驟5)中解算出的運(yùn)動平臺3質(zhì)心相位(X，Y)，進(jìn)一步確定運(yùn)動平臺3質(zhì)心相對于初始相位的位置(Sx，Sy)，所述的初始相位由在運(yùn)動平臺3上安裝的機(jī)械零位給出。
所述的線性霍爾傳感器4相對運(yùn)動平臺3質(zhì)心的相位(αi，βi)與安裝位置(Sαi，Sβi)的關(guān)系如下 其中，τ為定子平臺1磁鋼陣列2的極距。
對步驟5)中解算出的運(yùn)動平臺3質(zhì)心相位(X，Y)，還需要進(jìn)行以下處理 設(shè)(Xr，Yr)為運(yùn)動平臺3質(zhì)心相對于初始相位的相位，Nx為X軸方向相對于初始相位的跳躍周期數(shù)，Ny為Y軸方向相對于初始相位的跳躍周期數(shù)，則Xr＝Nx×2π+X，Yr＝Ny×2π+Y，得到運(yùn)動平臺3質(zhì)心相對于初始相位的相位，進(jìn)而得到運(yùn)動平臺3質(zhì)心相對于初始相位的位置，即 所述的步驟5)中所述的數(shù)學(xué)算法采用無跡卡爾曼濾波、非線性最小二乘、擴(kuò)展卡爾曼濾波算法進(jìn)行。
所述的相對于初始相位的跳躍周期數(shù)的確定方法如下 a.設(shè)(Xn，Yn)為當(dāng)前時刻解算出的運(yùn)動平臺3質(zhì)心相位，(Xn-1，Yn-1)為上個時刻解算出的運(yùn)動平臺3質(zhì)心相位，Nxn、Nyn為當(dāng)前時刻相對于初始相位的跳躍周期數(shù)，Nx(n-1)、Ny(n-1)為上個時刻相對于初始相位的跳躍周期數(shù)； b.當(dāng)(Xn-Xn-1)＞π且判斷運(yùn)動平臺3在X軸方向的運(yùn)動速度為正時，Nxn＝Nx(n-1)+1，當(dāng)(Xn-Xn-1)＞π且判斷運(yùn)動平臺3X軸方向的運(yùn)動速度為負(fù)時，Nyn＝Ny(n-1)-1；當(dāng)(Yn-Yn-1)＞π且判斷運(yùn)動平臺3在Y軸方向的運(yùn)動速度為正時，Nyn＝Ny(n-1)+1，當(dāng)(Yn-Yn-1)＞π且判斷運(yùn)動平臺3在Y軸方向的運(yùn)動速度為負(fù)時，Nyn＝Ny(n-1)-1；當(dāng)(Xn-Xn-1)≤π時，Nxn＝Nx(n-1)，當(dāng)(Yn-Yn-1)≤π時，Nyn＝Ny(n-1)。
實施例 所述的線性霍爾傳感器4在運(yùn)動平臺3上放置的最少個數(shù)由所述的磁鋼陣列2磁通密度分布模型所包含未知參數(shù)的個數(shù)決定，并在此基礎(chǔ)上放置個數(shù)越多，對于減小運(yùn)動平臺3相位解算結(jié)果的不確定性越有利，因此，n至少等于4。
參考圖4，以運(yùn)動平臺3表面放置4個線性霍爾傳感器4、運(yùn)用無跡卡爾曼濾波算法為例對本發(fā)明進(jìn)行描述，以便進(jìn)一步理解本發(fā)明。
1)選定運(yùn)動系統(tǒng)中運(yùn)動平臺3表面的磁鋼陣列2兩個極距內(nèi)任意4個不同位置，每個位置放置1個線性霍爾傳感器4； 2)參考圖2，根據(jù)運(yùn)動系統(tǒng)中磁鋼陣列2確定磁通密度分布模型公式 Bz＝A×sin(X+α+α0)+B×sin(Y+β+β0)； 其中，Bz表示磁鋼陣列2磁通密度，A、B表示磁通密度分布模型幅值分量，X、Y分別表示要解算的運(yùn)動平臺3質(zhì)心在X軸上和Y軸上的相位，α、β分別表示線性霍爾傳感器4安裝位置相對運(yùn)動平臺3質(zhì)心在X軸上和Y軸上的相位，α0、β0分別表示在X軸上和Y軸上的初始相位； 3)在運(yùn)動平臺3運(yùn)動前，測量步驟1)中線性霍爾傳感器4的安裝位置(Sαi，Sβi)，其中，i＝1，2，3，4，并轉(zhuǎn)化為相對運(yùn)動平臺3質(zhì)心的相位(αi，βi)，其中，i＝1，2，3，4； 4)在運(yùn)動平臺3工作過程中，記錄步驟3)中各個線性霍爾傳感器4磁通密度測量值Bzi，其中，i＝1，2，3，4； 5)將步驟4)中測量值作為觀測量，將步驟2)中磁鋼陣列2磁通密度分布模型中幅值分量及運(yùn)動平臺3的質(zhì)心相位作為狀態(tài)變量x(設(shè)x維數(shù)為L，即L＝4)，即x＝[ABXY]，且具有均值x與協(xié)方差陣Pxx，通過無跡卡爾曼濾波算法，解算出運(yùn)動平臺3的質(zhì)心相位(X，Y)，解算過程如下； 運(yùn)動系統(tǒng)的狀態(tài)方程為 xk＝I4×4xk-1 所述步驟2)中磁通密度分布模型作為計算模型，則運(yùn)動系統(tǒng)的量測方程為 Bzi＝A×sin(X+αi+α0)+B×sin(Y+βi+β0) 根據(jù)上述狀態(tài)方程和量測方程，可假定運(yùn)動系統(tǒng)離散方程為 其中，xk是不可觀測的狀態(tài)向量，yk是觀測向量，uk是激勵輸入向量，vk是系統(tǒng)噪聲向量，nk是觀測噪聲向量。假設(shè)以上噪聲是高斯白噪聲，且它們的協(xié)方差陣分別是Q和R。
具體算法步驟如下 步驟一設(shè)置狀態(tài)變量x的初始估計值和初始誤差方差 步驟二計算Sigma點和相應(yīng)的加權(quán)因子； 其中，λ為一個比例因子； 步驟三預(yù)測狀態(tài)的均值和協(xié)方差； 其中，Wim、Wic是兩組加權(quán)系數(shù)，表達(dá)式如下 i＝1，2，……2L 步驟四利用觀測量進(jìn)行更新； 步驟五若還有線性霍爾傳感器4的測量值未利用，轉(zhuǎn)到步驟二，反之輸出的運(yùn)動平臺3質(zhì)心相位
6)根據(jù)步驟5)中解算出的運(yùn)動平臺質(zhì)心相位(X，Y)，利用轉(zhuǎn)換公式 Xr＝Nx×2π+X，Yr＝Ny×2π+Y及 進(jìn)一步確定運(yùn)動平臺3質(zhì)心相對于初始相位的位置(Sx，Sy)。
采用以上說明的本發(fā)明的一種基于磁鋼陣列2的運(yùn)動平臺3二維定位方法，則能通過多個傳感器的數(shù)據(jù)融合對包含磁鋼陣列2的運(yùn)動系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動平臺3質(zhì)心相位解算，給此類型運(yùn)動系統(tǒng)(如磁浮、氣浮平面電機(jī))提供了一種簡單、便捷、魯棒的平臺質(zhì)心位置計算方法。本發(fā)明的思路及效果對包含磁鋼陣列2的運(yùn)動系統(tǒng)在運(yùn)動平臺3定位方面的研究和發(fā)展具有重要的實際意義。
權(quán)利要求
1.一種基于磁鋼陣列的運(yùn)動平臺二維定位方法，所述磁鋼陣列放置在定子平臺上表面，所述的運(yùn)動平臺相對于定子平臺作直線運(yùn)動，其特征在于，所述方法包括
1)選定運(yùn)動系統(tǒng)中運(yùn)動平臺表面的磁鋼陣列一個或一個以上極距內(nèi)任意n個不同位置，每個位置放置1個線性霍爾傳感器，其中，不同極距內(nèi)相同相位的位置被認(rèn)為是同一位置，而且n至少等于4；
2)根據(jù)運(yùn)動系統(tǒng)中磁鋼陣列確定磁通密度分布模型公式
Bz＝A×sin(X+α+α0)+B×sin(Y+β+β0)；
其中，Bz表示磁鋼陣列磁通密度，A、B表示磁通密度分布模型幅值分量，X、Y分別表示要解算的運(yùn)動平臺質(zhì)心在X軸上和Y軸上的相位，α、β分別表示線性霍爾傳感器安裝位置相對運(yùn)動平臺質(zhì)心在X軸上和Y軸上的相位，α0、β0分別表示在X軸上和Y軸上的初始相位；
3)在運(yùn)動平臺運(yùn)動前，測量步驟1)中線性霍爾傳感器的安裝位置(Sαi，Sβi)，其中，i＝1，2…，n，并轉(zhuǎn)化為相對運(yùn)動平臺質(zhì)心的相位(αi，βi)，其中，i＝1，2…，n；
4)在運(yùn)動平臺工作過程中，記錄步驟3)中各個線性霍爾傳感器磁通密度測量值Bzi，其中，i＝1，2…，n；
5)將步驟4)中測量值作為觀測量，將步驟2)中磁鋼陣列磁通密度分布模型作為計算模型，通過數(shù)學(xué)算法解算出運(yùn)動平臺的質(zhì)心相位(X，Y)，該質(zhì)心相位(X，Y)為相對相位；
6)根據(jù)步驟5)中解算出的運(yùn)動平臺質(zhì)心相位(X，Y)，進(jìn)一步確定運(yùn)動平臺質(zhì)心相對于初始相位的位置(Sx，Sy)，所述的初始相位由在運(yùn)動平臺上安裝的機(jī)械零位給出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于磁鋼陣列的運(yùn)動平臺二維定位方法，其特征在于，所述的線性霍爾傳感器相對運(yùn)動平臺質(zhì)心的相位(αi，βi)與安裝位置(Sαi，Sβi)的關(guān)系如下
其中，τ為定子平臺磁鋼陣列的極距。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于磁鋼陣列的運(yùn)動平臺二維定位方法，其特征在于，對步驟5)中解算出的運(yùn)動平臺質(zhì)心相位(X，Y)，還需要進(jìn)行以下處理
設(shè)(Xr，Yr)為運(yùn)動平臺質(zhì)心相對于初始相位的相位，Nx為X軸方向相對于初始相位的跳躍周期數(shù)，Ny為Y軸方向相對于初始相位的跳躍周期數(shù)，則Xr＝Nx×2π+X，Yr＝Ny×2π+Y，得到運(yùn)動平臺質(zhì)心相對于初始相位的相位，進(jìn)而得到運(yùn)動平臺質(zhì)心相對于初始相位的位置，即
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于磁鋼陣列的運(yùn)動平臺二維定位方法，其特征在于，步驟5)中所述的數(shù)學(xué)算法采用無跡卡爾曼濾波、非線性最小二乘、擴(kuò)展卡爾曼濾波算法進(jìn)行。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于磁鋼陣列的運(yùn)動平臺二維定位方法，其特征在于，所述的相對于初始相位的跳躍周期數(shù)的確定方法如下
a.設(shè)(Xn，Yn)為當(dāng)前時刻解算出的運(yùn)動平臺質(zhì)心相位，(Xn-1，Yn-1)為上個時刻解算出的運(yùn)動平臺質(zhì)心相位，Nxn、Nyn為當(dāng)前時刻相對于初始相位的跳躍周期數(shù)，Nx(n-1)、Ny(n-1)為上個時刻相對于初始相位的跳躍周期數(shù)；
b.當(dāng)(Xn-Xn-1)＞π且判斷運(yùn)動平臺在X軸方向的運(yùn)動速度為正時，Nxn＝Nx(n-1)+1，當(dāng)(Xn-Xn-1)＞π且判斷運(yùn)動平臺X軸方向的運(yùn)動速度為負(fù)時，Nyn＝Ny(n-1)-1；當(dāng)(Yn-Yn-1)＞π且判斷運(yùn)動平臺在Y軸方向的運(yùn)動速度為正時，Nyn＝Ny(n-1)+1，當(dāng)(Yn-Yn-1)＞π且判斷運(yùn)動平臺在Y軸方向的運(yùn)動速度為負(fù)時，Nyn＝Ny(n-1)-1；當(dāng)(Xn-Xn-1)≤π時，Nxn＝Nx(n-1)，當(dāng)(Yn-Yn-1)≤π時，Nyn＝Ny(n-1)。
全文摘要
一種基于磁鋼陣列的運(yùn)動平臺二維定位方法，該方法包括以下步驟在運(yùn)動系統(tǒng)中運(yùn)動平臺表面的磁鋼陣列一個或一個以上極距內(nèi)任意不同位置放置4個以上線性霍爾傳感器，根據(jù)磁鋼陣列確定磁通密度分布模型，確定上述線性霍爾傳感器的安裝位置，并轉(zhuǎn)化為相對運(yùn)動平臺質(zhì)心的相位，在運(yùn)動過程中記錄所述線性霍爾傳感器磁通密度測量值，并以所述測量值作為觀測量，所述磁通密度分布模型作為計算模型，解算運(yùn)動平臺質(zhì)心在平面內(nèi)的相位，再以所述相位為依據(jù)，確定運(yùn)動平臺質(zhì)心相對于初始相位的位置，實現(xiàn)運(yùn)動平臺的平面定位。本發(fā)明為包含磁鋼陣列的運(yùn)動系統(tǒng)提供了一種簡單、便捷、魯棒的平臺質(zhì)心位置計算方法。
文檔編號G01M1/00GK101750187SQ201010034190
公開日2010年6月23日 申請日期2010年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月19日
發(fā)明者胡金春, 朱煜, 汪勁松, 張鳴, 廖凱, 楊開明, 徐登峰, 尹文生, 段廣洪 申請人:清華大學(xué)