本發(fā)明屬于風(fēng)洞試驗(yàn)領(lǐng)域，具體涉及一種用于捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位姿標(biāo)定方法。
背景技術(shù)：
：外掛物軌跡捕獲風(fēng)洞試驗(yàn)(CaptiveTrajectorySystem,CTS)。它是一種測(cè)量外掛物投放軌跡的試驗(yàn)技術(shù)，是風(fēng)洞試驗(yàn)、計(jì)算流體力學(xué)試驗(yàn)和飛行力學(xué)試驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合。捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)需要一套能精確控制的六自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。六自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以是串聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，也可以是并聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。相比于串聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有定位精度高、運(yùn)動(dòng)速度快、剛度大、阻塞度小和承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。目前，國內(nèi)外用于捕獲軌跡試驗(yàn)的六自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)都是串聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，本發(fā)明第一次將并聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于捕獲軌跡試驗(yàn)。用于捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)的并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，要求驅(qū)動(dòng)力大，運(yùn)動(dòng)空間大和阻塞度盡可能地小，因此一般采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)靜平臺(tái)、長支桿和小動(dòng)平臺(tái)布局的6-PTRT并聯(lián)機(jī)構(gòu)。捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)要求在吹風(fēng)過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)位姿的精確定位，以準(zhǔn)確模擬外掛物的投放軌跡。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的定位誤差由許多因素引起，主要包括并聯(lián)機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的加工和裝配誤差、溫度和載荷變形引起的誤差、振動(dòng)引起的誤差等。零件的加工和裝配誤差、構(gòu)件的變形、運(yùn)動(dòng)副間的間隙等誤差可占到全部誤差的60％-70％。進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定是減小并聯(lián)機(jī)構(gòu)定位誤差的有效手段。國內(nèi)外的運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定方法根據(jù)測(cè)量方式不同可分為自標(biāo)定方法和外標(biāo)定方法。自標(biāo)定方法由內(nèi)部傳感器測(cè)量計(jì)算模型位姿，外標(biāo)定方法利用外部傳感器測(cè)量模型位姿。捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)若采用自標(biāo)定方法，內(nèi)置傳感器將會(huì)增大機(jī)構(gòu)的堵塞度，而且試驗(yàn)過程中內(nèi)置傳感器容易受損。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明采用外標(biāo)定方法，以絕對(duì)測(cè)量臂為測(cè)量工具，通過測(cè)量與動(dòng)平臺(tái)固結(jié)的精加工過的十字校準(zhǔn)架。利用運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解和電機(jī)碼盤值建立了基于逆解的運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定模型，利用最小二乘法對(duì)六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定。本發(fā)明的目的在于：針對(duì)采用六桿并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)模型位姿定位精度要求，提供了一種模型位姿的標(biāo)定方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是：用于捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位姿標(biāo)定方法，其包括如下步驟：(1)構(gòu)建用于捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)的六桿并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型；(2)建立風(fēng)洞坐標(biāo)系；(3)測(cè)量風(fēng)洞側(cè)壁導(dǎo)軌沿程上靜平臺(tái)固定點(diǎn)的坐標(biāo)，并根據(jù)風(fēng)洞坐標(biāo)系將其換算為靜平臺(tái)上鉸鏈中心的坐標(biāo)，擬合靜平臺(tái)鉸鏈中心坐標(biāo)關(guān)于電機(jī)碼盤值的線性公式；(4)選取模型名義位姿序列1作為標(biāo)定位姿序列，測(cè)量模型的標(biāo)定位姿，獲取用于標(biāo)定的實(shí)測(cè)模型位姿數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)學(xué)模型和靜平臺(tái)鉸鏈中心坐標(biāo)關(guān)于電機(jī)碼盤值的線性公式計(jì)算得出電機(jī)碼盤值數(shù)據(jù)；(5)以實(shí)測(cè)模型位姿數(shù)據(jù)和電機(jī)碼盤值數(shù)據(jù)作為輸入，利用非線性最小二乘法獲取未知結(jié)構(gòu)參數(shù)；(6)選取模型名義位姿序列2作為校驗(yàn)位姿序列，測(cè)量模型的校驗(yàn)位姿，獲取用于校驗(yàn)的實(shí)測(cè)模型位姿數(shù)據(jù)，并根據(jù)標(biāo)定后的實(shí)測(cè)模型位姿與校驗(yàn)的實(shí)測(cè)模型位姿數(shù)據(jù)的誤差來確定捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)的定位準(zhǔn)度；(7)如果定位準(zhǔn)度未達(dá)到捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)的位姿準(zhǔn)度要求，重復(fù)(4)～(6)步驟，如果定位準(zhǔn)度達(dá)到捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)的準(zhǔn)度要求，標(biāo)定工作結(jié)束。優(yōu)選的是，所述的用于捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位姿標(biāo)定方法中，根據(jù)用于捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)的六桿并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解關(guān)系確定六桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)的非線性參數(shù)化模型。優(yōu)選的是，所述的用于捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位姿標(biāo)定方法中，所述六桿并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為6-PTRT并聯(lián)機(jī)構(gòu)。優(yōu)選的是，所述的用于捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位姿標(biāo)定方法中，所述六桿并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)共有6條支鏈，每條支鏈上共有5個(gè)未知參數(shù)，分別為桿長、模型坐標(biāo)系下動(dòng)平臺(tái)鉸鏈中心相對(duì)于模型質(zhì)心的坐標(biāo)、風(fēng)洞坐標(biāo)系下靜平臺(tái)鉸鏈中心的x坐標(biāo)誤差。優(yōu)選的是，所述的用于捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位姿標(biāo)定方法中，以如下方法建立風(fēng)洞坐標(biāo)系：將一方箱固連在風(fēng)洞側(cè)壁面上，并且使方箱的上平面與風(fēng)洞入口的下壁面平行，使用絕對(duì)測(cè)量臂測(cè)量方箱互相垂直的三個(gè)面和風(fēng)洞洞壁上一個(gè)固定點(diǎn)，從而建立方箱坐標(biāo)系，通過移動(dòng)原點(diǎn)將方箱坐標(biāo)系平移到風(fēng)洞坐標(biāo)系。優(yōu)選的是，所述的用于捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位姿標(biāo)定方法中，選取的標(biāo)定位姿序列需要滿足如下要求：(1)標(biāo)定位姿的個(gè)數(shù)至少為5個(gè)；(2)選定的標(biāo)定位姿序列為非奇異，且歷經(jīng)6個(gè)自由度，6個(gè)自由度包括x向平移、y向平移、z向平移，俯仰運(yùn)動(dòng)、偏航運(yùn)動(dòng)和滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。優(yōu)選的是，所述的用于捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位姿標(biāo)定方法中，選取的校驗(yàn)位姿序列遍歷6個(gè)自由度。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：該方法針對(duì)捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)中使用六桿并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，建立模型質(zhì)心坐標(biāo)和模型姿態(tài)角與電機(jī)碼盤值之間的關(guān)系，據(jù)此得到捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)六桿并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的未知參數(shù)。本發(fā)明首先根據(jù)理論推導(dǎo)確定捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)六桿并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)，然后測(cè)量計(jì)算沿導(dǎo)軌全程的靜平臺(tái)虎克鉸中心坐標(biāo)，擬合靜平臺(tái)虎克鉸中心坐標(biāo)與電機(jī)碼盤值之間的關(guān)系，之后通過測(cè)量標(biāo)定點(diǎn)的位姿，利用非線性最小二乘法，獲取參數(shù)化模型中的未知參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)六桿并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位姿標(biāo)定工作。本發(fā)明可以用于捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)的六桿并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位姿標(biāo)定，位姿的定位準(zhǔn)度高。本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征將部分通過下面的說明體現(xiàn)，部分還將通過對(duì)本發(fā)明的研究和實(shí)踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。附圖說明圖1為本發(fā)明提供的用于捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位姿標(biāo)定方法的流程圖；圖2為本發(fā)明提供的用于捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位姿標(biāo)定方法中的六桿并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明提供的用于捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位姿標(biāo)定方法中的風(fēng)洞坐標(biāo)系和方箱的位置關(guān)系示意圖；圖4為本發(fā)明提供的用于捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位姿標(biāo)定方法中的風(fēng)洞試驗(yàn)示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實(shí)施。應(yīng)當(dāng)理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術(shù)語并不配出一個(gè)或多個(gè)其它元件或其組合的存在或添加。如圖1所示，本發(fā)明提供了一種用于捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位姿標(biāo)定方法，包括：(1)確定捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)六桿并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)。所述的步驟(1)中的六桿并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為6-PTRT并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如圖2所示。并聯(lián)機(jī)構(gòu)共有6條支鏈，每條支鏈在一個(gè)位姿下可以提供式(1)的方程，即標(biāo)定數(shù)學(xué)模型。(Aix-(xia·h+xib))2+(Aiy-(yia·h+yib))2+(Aiz-(zia·hi+zib))2-Li=0---(1)]]>Aix——i支鏈動(dòng)球鉸鉸點(diǎn)經(jīng)坐標(biāo)變換后在風(fēng)洞坐標(biāo)系下的x坐標(biāo)Aiy——i支鏈動(dòng)球鉸鉸點(diǎn)經(jīng)坐標(biāo)變換后在風(fēng)洞坐標(biāo)系下的y坐標(biāo)Aiz——i支鏈動(dòng)球鉸鉸點(diǎn)經(jīng)坐標(biāo)變換后在風(fēng)洞坐標(biāo)系下的z坐標(biāo)xia,xib——i支鏈靜球鉸鉸點(diǎn)x坐標(biāo)關(guān)于電機(jī)碼盤值的斜率和截距yia,yib——i支鏈靜球鉸鉸點(diǎn)y坐標(biāo)關(guān)于電機(jī)碼盤值的斜率和截距zia,zib——i支鏈靜球鉸鉸點(diǎn)z坐標(biāo)關(guān)于電機(jī)碼盤值的斜率和截距hi——i支鏈電機(jī)碼盤值Li——i支鏈桿長式(1)中：AixAiyAiz=Twmaixaiyaiz---(2)]]>式(2)中：aix——i支鏈動(dòng)球鉸鉸點(diǎn)在模型坐標(biāo)系下的x坐標(biāo)aiy——i支鏈動(dòng)球鉸鉸點(diǎn)在模型坐標(biāo)系下的y坐標(biāo)aiz——i支鏈動(dòng)球鉸鉸點(diǎn)在模型坐標(biāo)系下的z坐標(biāo)Twm——模型坐標(biāo)系到風(fēng)洞坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣式(1)和式(2)共同組成并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。(2)使用絕對(duì)測(cè)量臂建立風(fēng)洞坐標(biāo)系所述的步驟(2)中的建立風(fēng)洞坐標(biāo)系的方法為：將一方箱固連在風(fēng)洞側(cè)壁面上，并且使方箱的上平面與風(fēng)洞入口處的下壁面平行，使用絕對(duì)測(cè)量臂測(cè)量方箱互相垂直的三個(gè)面和風(fēng)洞洞壁上一個(gè)固定點(diǎn)，如圖3所示。由三個(gè)面和一個(gè)點(diǎn)建立方箱坐標(biāo)系。這里方箱坐標(biāo)系與風(fēng)洞坐標(biāo)系三軸方向一致，只有原點(diǎn)不同。使用絕對(duì)測(cè)量臂測(cè)量風(fēng)洞坐標(biāo)系原點(diǎn)在方箱坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，將方箱坐標(biāo)系平移到風(fēng)洞坐標(biāo)系。(3)使用絕對(duì)測(cè)量臂測(cè)量風(fēng)洞側(cè)壁導(dǎo)軌沿程上靜平臺(tái)固定點(diǎn)的坐標(biāo)，換算到靜平臺(tái)鉸鏈中心的坐標(biāo)，擬合靜平臺(tái)鉸鏈中心坐標(biāo)關(guān)于電機(jī)碼盤值的線性公式。所述的步驟(3)中的靜平臺(tái)沿風(fēng)洞側(cè)壁導(dǎo)軌前后移動(dòng)，移動(dòng)的位置由電機(jī)碼盤值表征。靜平臺(tái)逐步從導(dǎo)軌后端移動(dòng)到導(dǎo)軌前端，每步到位后使用絕對(duì)測(cè)量臂測(cè)量靜平臺(tái)固定點(diǎn)在風(fēng)洞坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。根據(jù)靜平臺(tái)固定點(diǎn)和靜平臺(tái)鉸鏈中心的幾何位置關(guān)系，計(jì)算出靜平臺(tái)鉸鏈中心在風(fēng)洞坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。由于直線導(dǎo)軌方向與風(fēng)洞坐標(biāo)系的x軸存在夾角，本發(fā)明建立了靜平臺(tái)鉸鏈中心風(fēng)洞坐標(biāo)系下的坐標(biāo)關(guān)于電機(jī)碼盤值之間的線性關(guān)系，如式(3)。xi=kxaixi′+kxbiyi=kyaixi′+kybizi=kzaixi′+kzbi,i=1~6---(3)]]>共有6條導(dǎo)軌，因此共有6組靜平臺(tái)鉸鏈中心坐標(biāo)關(guān)于電機(jī)碼盤值之間的線性公式。(4)選取模型名義位姿序列1作為標(biāo)定位姿序列，使用絕對(duì)測(cè)量臂測(cè)量模型位姿，獲取用于標(biāo)定的實(shí)測(cè)模型位姿數(shù)據(jù)1和電機(jī)碼盤值數(shù)據(jù)1。所述步驟(4)中的標(biāo)定位姿序列需要滿足：位姿數(shù)量必須多于5個(gè)，位姿必須歷經(jīng)6個(gè)自由度，6個(gè)自由度為x向平移、y向平移、z向平移，俯仰運(yùn)動(dòng)、偏航運(yùn)動(dòng)和滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。按照標(biāo)定位姿序列，根據(jù)式(1)求解電機(jī)碼盤值1，并且根據(jù)電機(jī)碼盤值1控制電機(jī)使模型按照標(biāo)定位姿序列運(yùn)動(dòng)，使用絕對(duì)測(cè)量臂逐步測(cè)量模型的位姿以獲取實(shí)測(cè)模型位姿。(5)獲取并聯(lián)機(jī)構(gòu)的未知結(jié)構(gòu)參數(shù)：以實(shí)測(cè)的模型位姿數(shù)據(jù)1和電機(jī)碼盤值1作為輸入，利用非線性最小二乘法獲取未知結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到標(biāo)定后的位姿控制程序。所述步驟(5)中的并聯(lián)機(jī)構(gòu)共有6條支鏈，每條支鏈上共有5個(gè)未知結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別為：桿長、模型坐標(biāo)系下動(dòng)平臺(tái)鉸鏈中心相對(duì)于模型質(zhì)心的坐標(biāo)、風(fēng)洞坐標(biāo)系下靜平臺(tái)鉸鏈中心的x坐標(biāo)誤差。針對(duì)每條支鏈，獲取未知結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法為非線性最小二乘法，以實(shí)測(cè)的模型位姿數(shù)據(jù)1和電機(jī)碼盤值1作為輸入，并且引入目標(biāo)函數(shù)，見式(4)。I=Σj=1n(h~j-hj)2---(4)]]>其中n為模型位姿的數(shù)目，為根據(jù)式(1)計(jì)算的碼盤值，hj為電機(jī)碼盤值1。使用非線性最小二乘法求出使目標(biāo)函數(shù)最小的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。(6)選取模型名義位姿序列2作為校驗(yàn)位姿序列，使用絕對(duì)測(cè)量臂測(cè)量模型的位姿，獲取用于校驗(yàn)的實(shí)測(cè)模型位姿數(shù)據(jù)，比較實(shí)測(cè)模型位姿與校驗(yàn)位姿的誤差確定捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)的定位準(zhǔn)度。所述步驟(6)中的校驗(yàn)位姿序列需要?dú)v經(jīng)6個(gè)自由度。將步驟(5)中獲取的結(jié)構(gòu)參數(shù)代入式(1)中，計(jì)算校驗(yàn)位姿對(duì)應(yīng)的電機(jī)碼盤值2，并且以此碼盤值控制電機(jī)使模型運(yùn)動(dòng)，使用絕對(duì)測(cè)量臂測(cè)量模型的位姿，獲得實(shí)測(cè)模型位姿2，定位準(zhǔn)度以極限誤差表示，見式(5)。εi＝xi-xinorm(5)其中xi為實(shí)測(cè)模型位姿2，xinorm為校驗(yàn)位姿序列，εi為定位準(zhǔn)度。(7)根據(jù)校驗(yàn)的結(jié)果，如果定位準(zhǔn)度未達(dá)到捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)的位姿準(zhǔn)度要求，重復(fù)(4)～(6)步驟，如果定位準(zhǔn)度達(dá)到捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)的準(zhǔn)度要求，標(biāo)定工作結(jié)束。所述步驟(7)中的捕獲軌跡風(fēng)洞試驗(yàn)的位姿準(zhǔn)度要求如表1所示。表1捕獲軌跡試驗(yàn)位姿準(zhǔn)度要求軸向位移誤差(mm)±0.1垂直位移誤差(mm)±0.1側(cè)向位移誤差(mm)±0.1俯仰角誤差(°)±0.05偏航角誤差(°)±0.05滾轉(zhuǎn)角誤差(°)±0.05本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。盡管本發(fā)明的實(shí)施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實(shí)施方式中所列運(yùn)用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實(shí)現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。當(dāng)前第1頁1 2 3