六維加速度傳感器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

尤晶晶 ，李成剛 ，左飛堯 ，何斌輝 ，吳洪濤 ，涂橋安

(1.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，南京　210037； 2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京　210016；3.江蘇師范大學(xué)傳媒與影視學(xué)院，江蘇徐州　221116)

第一作者尤晶晶男，博士，講師，1985年生

六維加速度傳感器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

尤晶晶1，李成剛2，左飛堯3，何斌輝1，吳洪濤2，涂橋安1

(1.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，南京210037； 2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京210016；3.江蘇師范大學(xué)傳媒與影視學(xué)院，江蘇徐州221116)

摘要：基于產(chǎn)品性能的高精尖發(fā)展需求，指出了研究六維加速度傳感器的必要性。根據(jù)輸入信號(hào)的作用部位對(duì)六維加速度傳感器進(jìn)行了分類(lèi)，分析了各類(lèi)型的本質(zhì)屬性和適用場(chǎng)合，并指出它們之間的關(guān)聯(lián)。以解耦算法為主線，詳細(xì)闡述了近十年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在六維加速度傳感器領(lǐng)域所做的工作及取得的成果，進(jìn)一步提煉出個(gè)體的創(chuàng)新思想和共同面臨的技術(shù)瓶頸。通過(guò)深入挖掘六維加速度傳感器的解耦機(jī)理，找到了解決瓶頸問(wèn)題的突破口，同時(shí)針對(duì)亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)給出了幾點(diǎn)思考。得出的結(jié)論和展望給從事這一領(lǐng)域的研究者們提供了較有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：六維加速度傳感器；原理樣機(jī)；解耦算法；誤差模型

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405237)；江蘇省高校自然科學(xué)研究資助項(xiàng)目(14KJB460020)；南京林業(yè)大學(xué)高學(xué)歷人才基金資助項(xiàng)目(GXL2014045)

收稿日期：2014-04-17修改稿收到日期：2014-06-13

中圖分類(lèi)號(hào):TH825

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.11.027

Abstract:The necessity of studying six-axis accelerometers was presented based on engineering practice’s requirements for sensors with high level, precies and sophisticated performances. Six-axis accelerometers were classified according to positions of imput signals. Their essential attributes, applicable areas and relationships between them were analyzed. The progresses and achievements obtained by domestic and foreign scholars in this field were expounded in detail. Some innovative ideas and technical bottlenecks for this type accelerometers were pointed out. Through deeply studying the decoupling mechanism of six-axis accelerometers, a sally port was found to solve bottleneck problems. At last, the key technologies needed and the future trends of this type sensors were presented. The conclusions and prospects provided a valuabe reference for researchers in this area.

Current studying status and developing trend of six-axis accelerometers

YOUJing-jing1,LICheng-gang2,ZUOFei-yao3,HEBin-hui1,WUHong-tao2,TUQiao-an1(1.College of Mechanical and Electronical Engineering, Nanjing Forestry University , Nanjing 210037,China;2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016,China;3.College of Media, Film and Television, Jiangsu Normal University, Xuzhou 221116,China)

Key words:six-axis accelerometer; principle prototype; decoupling algorithm; error model

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們認(rèn)識(shí)客觀世界要求的不斷提高，對(duì)物體的六維運(yùn)動(dòng)(包括沿三個(gè)正交軸向的平移運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))特征參量進(jìn)行探測(cè)顯得越來(lái)越重要。理論上講，只要測(cè)量出位移、速度和加速度三類(lèi)矢量中的其中之一，就能夠通過(guò)微分或者積分運(yùn)算獲取物體全面的運(yùn)動(dòng)信息。然而，有些情況下待測(cè)運(yùn)動(dòng)的位移值和速度值較小，而加速度值較大，再加上環(huán)境中不可避免的干擾噪聲，此時(shí)加速度數(shù)據(jù)的信噪比最理想，也即只有測(cè)量加速度信號(hào)才能夠完全還原出物體運(yùn)動(dòng)的真實(shí)狀態(tài)。例如，視覺(jué)系統(tǒng)所獲影像容易受到外界微小抖動(dòng)的干擾而產(chǎn)生模糊現(xiàn)象，有必要檢測(cè)鏡頭與拍攝物之間的相對(duì)加速度，將其反饋給控制系統(tǒng)并通過(guò)執(zhí)行器對(duì)鏡頭實(shí)施抖動(dòng)補(bǔ)償[1]。外界抖動(dòng)具有不確定性，可能是任意方向的平移、任意方向的旋轉(zhuǎn)，也可能同時(shí)包含了平移和旋轉(zhuǎn)。顯而易見(jiàn)，只有具備了同時(shí)檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)加速度六個(gè)分量功能的多維傳感器才能夠真正勝任視覺(jué)系統(tǒng)的檢測(cè)設(shè)備。

除此之外，這類(lèi)特殊的加速度傳感器在機(jī)器人動(dòng)力學(xué)控制[2]、慣性導(dǎo)航[3]、生物醫(yī)療[4]等領(lǐng)域都有著極其廣泛的應(yīng)用前景，而且隨著產(chǎn)品性能朝高、精、尖目標(biāo)進(jìn)軍的步伐越來(lái)越大，可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)對(duì)其剛性需求必將越來(lái)越突出。

在這樣的背景下，從2004年開(kāi)始，“六維加速度傳感器”的概念以及涉及到的關(guān)鍵技術(shù)被逐漸明晰化。由于多輸入多輸出量的強(qiáng)非線性耦合，相比于目前發(fā)展較為成熟的單維加速度傳感器和三維加速度傳感器[5]而言，六維加速度傳感器在技術(shù)層面上有著本質(zhì)的區(qū)別，其實(shí)現(xiàn)機(jī)理及潛在的核心技術(shù)問(wèn)題要復(fù)雜且豐富得多。也正因?yàn)槿绱?，六維加速度傳感器受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者越來(lái)越多的關(guān)注，并且迅速成為了一項(xiàng)熱門(mén)的研究課題。

為了吸引更多的學(xué)者深入了解并從事六維加速度傳感器的研究工作，早日實(shí)現(xiàn)該類(lèi)多維傳感器在我國(guó)的實(shí)用化目標(biāo)，本文對(duì)其在國(guó)內(nèi)外的研究情況進(jìn)行了綜述。首先，逐一闡述最近十年來(lái)幾種最為典型的設(shè)計(jì)構(gòu)型及其工作原理和適用場(chǎng)合，并對(duì)各自的潛在特性進(jìn)行分析總結(jié)；然后，基于現(xiàn)有的研究成果及其方案路線，探討六維加速度傳感器在未來(lái)十年甚至更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的研究趨勢(shì)和發(fā)展方向。

1國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

從待測(cè)加速度在傳感設(shè)備上作用部位的角度來(lái)看，六維加速度傳感器可以劃分成 “質(zhì)量塊作用型”和“基座作用型”兩大類(lèi)。

1.1質(zhì)量塊作用型六維加速度傳感器

將構(gòu)件A、構(gòu)件B分別固定在傳感器的質(zhì)量塊和基座上，待測(cè)加速度作用在質(zhì)量塊上。通過(guò)采集質(zhì)量塊與基座之間若干個(gè)敏感元件的輸出信號(hào)，并借助于一定的算法可以還原出構(gòu)件A相對(duì)于構(gòu)件B空間運(yùn)動(dòng)的三維線加速度矢量以及三維角加速度矢量。本文將能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能的慣性類(lèi)傳感器統(tǒng)一稱為“質(zhì)量塊作用型六維加速度傳感器”。由于這里構(gòu)件A和構(gòu)件B可以同時(shí)運(yùn)動(dòng)，也可以只有一個(gè)運(yùn)動(dòng)而另一個(gè)靜止，傳感器測(cè)量出的僅僅是兩構(gòu)件之間的相對(duì)加速度，因此這類(lèi)傳感器也可以稱為“六維相對(duì)加速度傳感器”。

目前，研究類(lèi)人機(jī)器人手腕處的加速度所產(chǎn)生的慣性力對(duì)抓取動(dòng)作的影響，以及開(kāi)發(fā)人類(lèi)手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)都是比較熱門(mén)的課題，通過(guò)檢測(cè)多個(gè)構(gòu)件之間的相對(duì)六維加速度參量能夠?yàn)檫@兩項(xiàng)課題提供必備的反饋信息。為此，一批學(xué)者對(duì)質(zhì)量塊作用型六維加速度傳感器展開(kāi)了研究。

圖1　基于四梁結(jié)構(gòu)的六維加速度傳感器Fig.1 Six-axis accelerometer based on four-beam structure

Amarasinghe等[6-7]在一種壓阻式六維力傳感器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出并研究了一種基于四梁結(jié)構(gòu)的壓阻式六維加速度傳感器，實(shí)物樣機(jī)見(jiàn)圖1，整體尺寸為3 mm×3 mm×0.9 mm。質(zhì)量塊通過(guò)四根彈性梁連接到傳感器的基座上，每根梁上粘貼了5個(gè)壓敏電阻。借助于6個(gè)惠斯通電橋?qū)好綦娮枳柚档淖兓兽D(zhuǎn)換成電壓值，并參考原理樣機(jī)的有限元仿真結(jié)果，將橋路輸出電壓值所對(duì)應(yīng)的四根彈性梁應(yīng)變量換算成質(zhì)量塊相對(duì)于基座的六維加速度。該設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是滿足了傳感器的微型化制造要求；缺點(diǎn)是靈敏度各向同性度差，且難以從理論上準(zhǔn)確建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，模型線性化處理之后直接造成傳感器的測(cè)量精度較低，顯然不能用于需要精確測(cè)量構(gòu)件之間相對(duì)六維加速度的場(chǎng)合。

孟明等[8-9]提出并研究了一種基于雙環(huán)狀膜結(jié)構(gòu)的六維加速度傳感器，原理樣機(jī)見(jiàn)圖2。作用在質(zhì)量塊上的加速度所產(chǎn)生的慣性力引起上膜片、下膜片以及橫梁的彈性變形，從而導(dǎo)致粘貼在其表面的多個(gè)應(yīng)變片阻值發(fā)生變化。通過(guò)有限元仿真的方法得到膜片、橫梁的變形量與質(zhì)量塊慣性力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而運(yùn)用牛頓第二定律將慣性力換算成待測(cè)加速度的6個(gè)分量。從仿真結(jié)果可以看出，雙環(huán)狀膜結(jié)構(gòu)具有較高的靈敏度，且各軸向的靈敏度也比較接近。這種設(shè)計(jì)方案同樣是基于六維力傳感器的基本原理，其不足之處是對(duì)應(yīng)變片粘貼位置及粘貼方向的精度要求比較高。

圖2　基于雙環(huán)狀膜結(jié)構(gòu)的六維加速度傳感器Fig.2 Six-axis accelerometer based on double annular membrane

于春戰(zhàn)等[10-11]提出并研究了一種基于Stewart平臺(tái)的六維加速度傳感器，原理樣機(jī)見(jiàn)圖3。傳感器的彈性體元件為一種改進(jìn)的Stewart平臺(tái)，敏感元件為粘貼在六根彈性連接桿上的應(yīng)變片。在忽略慣性質(zhì)量塊相對(duì)于下平臺(tái)位姿變化的前提下(也即將彈性體結(jié)構(gòu)的力雅可比矩陣近似視為恒定不變)，嘗試了運(yùn)用理論建模(不僅僅依賴于軟件仿真)的思路研究輸入、輸出量之間的傳遞關(guān)系。依據(jù)矢量積法和并聯(lián)機(jī)構(gòu)理論推導(dǎo)了6個(gè)惠斯通電橋輸出電壓與作用于質(zhì)量塊上廣義慣性力之間的線性關(guān)系，并運(yùn)用牛頓第二定律將廣義慣性力轉(zhuǎn)換成相對(duì)六維加速度，進(jìn)而建立被測(cè)加速度矢量與六根彈性連接桿應(yīng)變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，見(jiàn)式(1)。在此基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)的基本特征誤差和影響誤差分別與加速度雅可比矩陣和彈性元件的輸出應(yīng)變矩陣相關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步全面分析了誤差對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響?；谶@種設(shè)計(jì)方案的傳感器比較適合于測(cè)量靜態(tài)或者準(zhǔn)靜態(tài)下的六維加速度，但不適合于測(cè)量工作頻帶較寬的信號(hào)。

圖3　基于Stewart平臺(tái)的六維加速度傳感器Fig.3 Six-axis accelerometer based on Stewart platform

(1)

式中:a、ε為待測(cè)的線加速度矢量、角加速度矢量；E為彈性桿材料的彈性模量；A為彈性桿的橫截面面積；Ja、Jε為傳感器的線加速度雅可比矩陣、角加速度雅可比矩陣；s為沿彈性連接桿軸向的應(yīng)變矢量。

圖4　基于八組石英晶組的六維加速度傳感器Fig.4 Six-axis accelerometer based on eight quartz groups

李敏等[12]在平板式壓電六維力傳感器的啟發(fā)下，提出并研究了一種基于八組石英晶組的六維加速度傳感器，原理樣機(jī)見(jiàn)圖4。圖4中，數(shù)字1代表蓋子，2代表預(yù)緊螺栓，3代表慣性質(zhì)量塊，4代表石英晶組(八組石英晶組均勻分布在同一圓周上)，5代表基座。在假設(shè)石英晶組和慣性質(zhì)量塊的各向剛度和靈敏度都絕對(duì)相等的前提下，推導(dǎo)出六維加速度傳感器輸入、輸出量的結(jié)構(gòu)模型關(guān)系式，與式(1)類(lèi)似，同樣表現(xiàn)為純線性映射的特性。

以上四類(lèi)六維加速度傳感器是目前為止比較典型的質(zhì)量塊作用型六維加速度傳感器，不難看出，學(xué)者們對(duì)其展開(kāi)的研究主要集中在解耦算法上。解耦算法的基本思想是首先通過(guò)軟件仿真或者線性化近似處理的方法得到敏感元件輸出量與質(zhì)量塊慣性力之間的傳遞矩陣，然后運(yùn)用牛頓第二定律將質(zhì)量塊慣性力換算成作用于質(zhì)量塊上的六維加速度。本質(zhì)上，質(zhì)量塊作用型六維加速度傳感器屬于六維力傳感器的范疇，它們?cè)跀?shù)學(xué)模型上只相差一個(gè)慣性矩陣而已。由于該類(lèi)型六維加速度傳感器的輸入、輸出量之間最終被簡(jiǎn)化成純線性映射的關(guān)系，理論上并不需要對(duì)其解耦參數(shù)實(shí)施辨識(shí)，直接對(duì)仿真或試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合就能夠提取出系統(tǒng)的加速度雅可比矩陣。解耦運(yùn)算時(shí)，用加速度雅可比矩陣左乘以敏感元件的輸出信號(hào)矢量即得到待測(cè)的六維加速度。

1.2基座作用型六維加速度傳感器

為實(shí)現(xiàn)飛行器、汽車(chē)、航母等空間運(yùn)載體的導(dǎo)航、振動(dòng)測(cè)試等功能，需要借助于外部傳感設(shè)備同時(shí)獲取載體相對(duì)于慣性參考系的三維線加速度以及三維角加速度信息。實(shí)際工作時(shí)，將傳感器的基座直接固連在運(yùn)動(dòng)載體上，因此基座的加速度即為待測(cè)的六維加速度。考慮到這里測(cè)量的是作用在基座上的絕對(duì)加速度，本文將這類(lèi)傳感器稱為“基座作用型六維加速度傳感器”或者“六維絕對(duì)加速度傳感器”。

基座作用型六維加速度傳感器基座的加速運(yùn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)質(zhì)量塊做伴隨運(yùn)動(dòng)，由于這兩者之間不是剛性連接，因此各自的速度、加速度等運(yùn)動(dòng)參量并不相等。與質(zhì)量塊作用型六維加速度傳感器不同的是，該類(lèi)型傳感器的工作原理是通過(guò)測(cè)量質(zhì)量塊相對(duì)于基座的運(yùn)動(dòng)來(lái)反推出基座相對(duì)于慣性參考系的絕對(duì)六維加速度。顯然，從六維加速度的解耦機(jī)理上來(lái)看，后者比前者要復(fù)雜得多，甚至可以說(shuō)，前者的解耦機(jī)理僅僅是后者的一種特殊情況，后者更具一般性。

鑒于此，國(guó)內(nèi)外從事六維加速度傳感器研究的大部分學(xué)者將工作重點(diǎn)放在基座作用型六維加速度傳感器上。從系統(tǒng)中質(zhì)量塊數(shù)量的角度來(lái)看，這種六維加速度傳感器又可以細(xì)分為“多慣性質(zhì)量塊構(gòu)型”和“單慣性質(zhì)量塊構(gòu)型”兩類(lèi)。

1.2.1多慣性質(zhì)量塊構(gòu)型

圖5　基于6加速度計(jì)組合的立方塊式六維加速度傳感器Fig.5 Cube-style six-axis accelerometer based on six accelerometers

Tan等[13]提出并研究了一種基于6加速度計(jì)組合的立方塊式六維加速度傳感器，原理樣機(jī)見(jiàn)圖5。從導(dǎo)航的觀點(diǎn)來(lái)看，實(shí)際上這屬于無(wú)陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的范疇。六個(gè)線加速度傳感器(加速度計(jì))分別安裝固定在立方塊六個(gè)平面的中心，其敏感軸沿各自安裝平面的對(duì)角線方向。立方塊(基座)剛性固定在運(yùn)動(dòng)載體上，感應(yīng)載體相對(duì)于慣性參考系的六維加速度信息。將每個(gè)加速度計(jì)近似等效成一個(gè)“彈簧-質(zhì)量”系統(tǒng)，能夠輸出所在位置處沿敏感方向上的線加速度值。為了實(shí)現(xiàn)六維加速度的解耦，構(gòu)建了式(2)所示的解耦方程組，其中前三個(gè)是關(guān)于轉(zhuǎn)動(dòng)參量的狀態(tài)方程，后三個(gè)是關(guān)于平動(dòng)參量的代數(shù)方程。圖5所示的加速度計(jì)配置方式能夠保證立方塊的角加速度僅僅是關(guān)于6個(gè)加速度計(jì)輸出值的線性組合，(見(jiàn)式(3))，為六維加速度的實(shí)時(shí)解耦運(yùn)算提供了極大的方便，同時(shí)這也是該設(shè)計(jì)方案相比于以往方案最大的優(yōu)勢(shì)。

(2)

式中:J為彈性體的構(gòu)型矩陣；aj為第j個(gè)加速度計(jì)的輸出值；θj為第j個(gè)加速度計(jì)的安裝姿態(tài)矢量；uj為第j個(gè)加速度計(jì)的安裝位置矢量；Ω為與角速度矢量相對(duì)應(yīng)的反對(duì)稱矩陣

(3)

式中：l為立方塊的半邊長(zhǎng)

Tan等接下來(lái)還分析并給出了組合式六維加速度傳感器的兩個(gè)先決條件，即：①?gòu)椥泽w的構(gòu)型矩陣可逆；②至少需要6個(gè)加速度計(jì)。另外，他們對(duì)加速度計(jì)的安裝誤差問(wèn)題也進(jìn)行了深入研究，并提出了一種“二步法”用于校準(zhǔn)加速度計(jì)的安裝誤差，其具體操作步驟為：第一步，在靜態(tài)條件下，借助于重力效應(yīng)，校準(zhǔn)加速度計(jì)的安裝方向誤差；第二步，通過(guò)沿不同方向施加恒角速度旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，校準(zhǔn)加速度計(jì)的安裝位置誤差。

針對(duì)“二步法”中可能出現(xiàn)的校準(zhǔn)結(jié)果不唯一的問(wèn)題，Hung等[14]在上述操作步驟的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)：首先，從理想輸出信號(hào)的角度將全部加速度計(jì)劃分成線性無(wú)關(guān)的兩組；然后，通過(guò)多點(diǎn)試驗(yàn)依次比較每一組加速度計(jì)的理想輸出值與實(shí)際輸出值之間的差異，辨識(shí)出所有加速度計(jì)真實(shí)的安裝誤差和輸出誤差。改進(jìn)之后的校準(zhǔn)效果得到一定程度的改善，但式(3)本身卻產(chǎn)生了變異，因此總體效果并不理想。

基于6加速度計(jì)組合的立方塊式六維加速度傳感器除了對(duì)加速度計(jì)的安裝精度要求高以外，最大的缺陷是系統(tǒng)誤差隨時(shí)間發(fā)散得比較嚴(yán)重。產(chǎn)生該現(xiàn)象的一個(gè)重要原因是在對(duì)角加速度進(jìn)行數(shù)值積分以計(jì)算角速度的過(guò)程中不可避免地引入了截?cái)嗾`差和舍入誤差，兩類(lèi)誤差又進(jìn)一步傳遞到立方塊的旋轉(zhuǎn)矩陣中，進(jìn)而整體傳遞至下一個(gè)采樣時(shí)刻。針對(duì)上述不足，Park等[15-17]在立方塊的質(zhì)心處沿3個(gè)正交方向安裝了3個(gè)加速度計(jì)，從而構(gòu)成了基于9加速度計(jì)組合的立方塊式六維加速度傳感器。運(yùn)用擴(kuò)展Kalman濾波技術(shù)，將3個(gè)冗余加速度計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)與基于原構(gòu)型理論計(jì)算出的立方塊質(zhì)心處的線加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，進(jìn)而對(duì)理論計(jì)算出的角速度進(jìn)行修正。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明，該方法在一般條件下能夠有效抑制解耦加速度的誤差擴(kuò)散。

擴(kuò)展Kalman濾波的性能很大程度上取決于狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)的局部非線性度，因此，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)算法不收斂的情況[18-19]。針對(duì)該問(wèn)題，有學(xué)者嘗試著對(duì)濾波算法進(jìn)行修正，一定程度上改善了其收斂特性，然而卻是以降低計(jì)算效率為代價(jià)的[20]。

為了削弱由角速度的數(shù)值計(jì)算而引起的加速度誤差累積效應(yīng)，同時(shí)避免在對(duì)冗余傳感信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合過(guò)程中所產(chǎn)生的不收斂現(xiàn)象，有必要對(duì)頗具經(jīng)典的基于6加速度計(jì)組合的立方塊式六維加速度傳感器的結(jié)構(gòu)構(gòu)型及其解耦算法進(jìn)行改進(jìn)或修正。

王代華等[21-22]通過(guò)對(duì)圖5中的六維加速度傳感器中6個(gè)加速度計(jì)的配置方式進(jìn)行調(diào)整，提出并研究了一種基于共面的6加速度計(jì)組合方式的六維加速度傳感器，原理樣機(jī)及實(shí)物樣機(jī)見(jiàn)圖6。六個(gè)加速度計(jì)被依次固定在立方體的六條首尾相連且相互垂直的棱邊的中點(diǎn)處，它們的質(zhì)心位于同一個(gè)平面上，且其敏感軸與各自所處的棱邊重合。顯而易見(jiàn)，改進(jìn)后的布局方式具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便的優(yōu)點(diǎn)。

圖6　基于共面的6加速度計(jì)組合式六維加速度傳感器Fig.6 Combined type six-axis accelerometer based on coplanar six accelerometers

在對(duì)圖6中的六維加速度傳感器實(shí)施加速度信號(hào)解耦時(shí)，王代華等忽略了傳感器基座的角速度和旋轉(zhuǎn)角度，也即假設(shè)待測(cè)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度和頻率小至可以忽略不計(jì)。在此前提下，推導(dǎo)并給出了待測(cè)六維加速度是各加速度計(jì)輸出值加權(quán)求和，且權(quán)重由加速度計(jì)的安裝位置矢量和安裝姿態(tài)矢量決定的結(jié)論。簡(jiǎn)化后的解耦方程(見(jiàn)式(4))，對(duì)應(yīng)的解耦算法具有無(wú)累積誤差、不需要初始對(duì)準(zhǔn)以及計(jì)算效率高的優(yōu)點(diǎn)。然而，由于在建立動(dòng)力學(xué)方程時(shí)簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)動(dòng)特征參量，上述解耦算法僅能適用于待測(cè)載體做微幅轉(zhuǎn)動(dòng)的場(chǎng)合，其泛化能力欠佳。

針對(duì)壓電式傳感器無(wú)靜態(tài)響應(yīng)的特點(diǎn)，袁剛等[23]提出了與圖6中的六維加速度傳感器構(gòu)型相匹配的校準(zhǔn)方法，其具體操作步驟(“三步法”)為：第一步，通過(guò)多次測(cè)量并計(jì)算傳感器靜止時(shí)輸出量的平均值，校準(zhǔn)加速度計(jì)的輸出偏差；第二步，通過(guò)沿不同方向給傳感器基座施加正弦規(guī)律線加速度的激勵(lì)，校準(zhǔn)加速度計(jì)的輸出放大系數(shù)誤差和安裝姿態(tài)誤差；第三步，通過(guò)沿不同方向給傳感器基座施加正弦規(guī)律角加速度的激勵(lì)，校準(zhǔn)加速度計(jì)的安裝位置誤差。

在不限制載體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的前提下，為了徹底避開(kāi)關(guān)于角速度微分方程組的數(shù)值求解，Lin等[24-25]在由3個(gè)兩維加速度傳感器組成的全加速度計(jì)測(cè)量裝置上添加了1個(gè)三維陀螺儀，用于直接檢測(cè)傳感器基座的角速度矢量。實(shí)際工作時(shí)，通過(guò)對(duì)加速度傳感器以及陀螺儀的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的代數(shù)運(yùn)算，即可得到基座的六維加速度值。這種設(shè)計(jì)思想在理論上能夠保證傳感器具有較高的測(cè)量精度，然而由于添加了1個(gè)三維陀螺儀，使得整個(gè)系統(tǒng)的成本高、功耗大、體積大、動(dòng)態(tài)范圍有限，這與無(wú)陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷相違背。另外，仿真結(jié)果也表明加速度計(jì)以及陀螺儀的安裝誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響比較大。

圖7　基于12加速度計(jì)組合的坐標(biāo)軸式六維加速度傳感器Fig.7 Coordinate axis type six-axis accelerometer based on twelve accelerometers

覃方君等[26]提出并研究了一種基于12個(gè)加速度計(jì)組合的坐標(biāo)軸式六維加速度傳感器，加速度計(jì)的布局結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。分別在三個(gè)垂直坐標(biāo)軸的正軸上沿三個(gè)正交方向安裝3個(gè)加速度計(jì)，在三個(gè)負(fù)軸上沿所在坐標(biāo)軸的方向安裝1個(gè)加速度計(jì)，且同一個(gè)正軸上3個(gè)加速度計(jì)的理論安裝位置保持重合。滿足上述安裝配置方式的六維加速度傳感器系統(tǒng)對(duì)應(yīng)于九個(gè)解耦方程(見(jiàn)式(5))。其中，前三個(gè)方程為用加速度計(jì)輸出值線性表示的基座質(zhì)心處的3個(gè)線加速度分量，中間三個(gè)方程為用加速度計(jì)輸出值以及基座質(zhì)心的3個(gè)線加速度分量線性表示的基座轉(zhuǎn)動(dòng)的3個(gè)角加速度分量，后三個(gè)方程為用加速度計(jì)輸出值線性表示的基座轉(zhuǎn)動(dòng)的3個(gè)角速度分量的平方值。

在實(shí)際解耦過(guò)程中：首先，分別根據(jù)前三個(gè)線性方程、后三個(gè)線性方程直接計(jì)算基座質(zhì)心的3個(gè)線加速度分量以及基座3個(gè)角速度分量的絕對(duì)值；然后，根據(jù)中間三個(gè)線性方程直接計(jì)算3個(gè)角加速度分量，并運(yùn)用數(shù)值積分的方法獲取它們所對(duì)應(yīng)的角速度的正負(fù)號(hào)，連同角速度的絕對(duì)值一起構(gòu)成3個(gè)角速度分量的具體數(shù)值；最后，運(yùn)用三階Hermite插值法計(jì)算基座的旋轉(zhuǎn)矩陣，并將加速度矢量投影到慣性參考系中。這種設(shè)計(jì)方案最大的優(yōu)勢(shì)是不需要精確計(jì)算關(guān)于角速度的常微分方程組(獲取正負(fù)號(hào)即可)，且不需要借助于陀螺儀就能夠獲取到基座轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度矢量，具有理論計(jì)算精度高、設(shè)備成本低的優(yōu)點(diǎn)。然而，由于正軸上3個(gè)加速度計(jì)的實(shí)際安裝位置幾乎不可能保證絕對(duì)重合，這會(huì)引入較大的原理性誤差，因此，實(shí)際測(cè)量過(guò)程中往往難以達(dá)到較高的解耦精度。

由于機(jī)械結(jié)構(gòu)和安裝尺寸的限制，加上基座角運(yùn)動(dòng)的影響，特別是當(dāng)運(yùn)動(dòng)載體處于高動(dòng)態(tài)情況下，圖7所示的六維加速度傳感器存在比較嚴(yán)重的尺寸效應(yīng)誤差。盡管很多學(xué)者[27-30]提出了一些方法用于補(bǔ)償該尺寸效應(yīng)誤差，但要么由于需要添加昂貴的硬件設(shè)備而提高了系統(tǒng)成本，要么由于需要構(gòu)建繁瑣的修正算法而降低了計(jì)算效率，該問(wèn)題至今還沒(méi)有一個(gè)較為理想的解決方案。

不難發(fā)現(xiàn)，以上幾類(lèi)基座作用型六維加速度傳感器的一個(gè)共同點(diǎn)是它們都是由若干個(gè)線加速度計(jì)(個(gè)別還配備了陀螺儀)通過(guò)某種布局方式組合而成的，且每個(gè)加速度計(jì)內(nèi)部均含有一個(gè)用于產(chǎn)生慣性力的質(zhì)量塊。多質(zhì)量塊的質(zhì)心不一致，這導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)各加速度計(jì)的安裝精度要求非常高，工程實(shí)現(xiàn)起來(lái)相當(dāng)困難。另外，由于獨(dú)立的單維加速度傳感器都存在一定的橫向靈敏度，基座的角運(yùn)動(dòng)會(huì)在加速度計(jì)上引起動(dòng)態(tài)誤差。鑒于此，一些學(xué)者開(kāi)始考慮將多個(gè)質(zhì)量塊合并在一起，以避開(kāi)以上兩個(gè)由于多質(zhì)量塊而帶來(lái)的問(wèn)題。

1.2.2單慣性質(zhì)量塊構(gòu)型

圖8　彈簧光電型單質(zhì)量塊六維加速度傳感器Fig.8 Spring photoelectric type six-axis accelerometer based on single mass

Chapsky等[31]提出并研究了一種彈簧光電型的單質(zhì)量塊六維加速度傳感器，原理樣機(jī)見(jiàn)圖8。整個(gè)系統(tǒng)由1個(gè)立方體慣性質(zhì)量塊、24個(gè)連接質(zhì)量塊頂點(diǎn)與基座內(nèi)壁的且起支撐作用的彈簧、6個(gè)粘貼在基座內(nèi)表面且與質(zhì)量塊上出射光孔相對(duì)的光學(xué)位置敏感探測(cè)器、1個(gè)位于質(zhì)量塊中心的光電二極管以及基座組成。當(dāng)有外界加速度作用于基座上時(shí)，由于產(chǎn)生了慣性力，質(zhì)量塊相對(duì)于基座的位姿會(huì)發(fā)生改變，這時(shí)6個(gè)光學(xué)位置敏感探測(cè)器就能檢測(cè)到相應(yīng)點(diǎn)處的位移變化數(shù)據(jù)。

在六維加速度的解耦過(guò)程中，Vladimir Chapsky等將慣性質(zhì)量塊在傳感器測(cè)量過(guò)程中的絕對(duì)位姿近似視為始終與其初始狀態(tài)時(shí)的位姿相重合，也即忽略了質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)。這樣，基座的六維加速度與質(zhì)量塊上幾個(gè)測(cè)量點(diǎn)沿探測(cè)器敏感方向的位移之間就能夠滿足簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。顯然，這種近似處理所帶來(lái)的六維加速度解耦的原理性誤差是相當(dāng)大的。因此，這類(lèi)彈簧光電型單質(zhì)量塊六維加速度傳感器僅適用于需要確定加速度的方向或基本變化趨勢(shì)的場(chǎng)合，對(duì)于需要精確測(cè)量加速度大小的場(chǎng)合并不適用。

崔峰等[32-34]提出并研究了一種靜電懸浮型單質(zhì)量塊六維加速度傳感器，原理樣機(jī)見(jiàn)圖9。質(zhì)量塊與基座之間不直接接觸，而是通過(guò)靜電力將質(zhì)量塊懸浮在電極腔的中心。當(dāng)緩慢變化的、微弱的加速度作用在傳感器基座上時(shí)，質(zhì)量塊會(huì)偏移其平衡位置，這樣質(zhì)量塊與定子電極之間所構(gòu)成的差動(dòng)電容就會(huì)發(fā)生微小的變化。閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的電容變化量在極板上施加相應(yīng)的反饋電壓，反饋電壓所產(chǎn)生的靜電力能夠使質(zhì)量塊又重新回到零位平衡位姿。進(jìn)一步分析可知，在位移變化量很小的情況下，通過(guò)簡(jiǎn)單的線性運(yùn)算就可以將反饋電壓轉(zhuǎn)換成待測(cè)的六維加速度。這類(lèi)六維加速度傳感器的體積小，且在測(cè)量微重力環(huán)境中的載體運(yùn)動(dòng)時(shí)具有相當(dāng)高的靈敏度。 然而，靜電懸浮型傳感器容易發(fā)生高壓擊穿，因此不能承受較大加速度的輸入。另外，由于引入了負(fù)反饋控制系統(tǒng)，相應(yīng)地增加了傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，而且對(duì)外接電路的性能也提出了較高的要求，這些無(wú)疑都提高了系統(tǒng)的整體成本。

圖9　靜電懸浮型單質(zhì)量塊六維加速度傳感器Fig.9 Electrostatic suspension type six-axis accelerometer based on single mass

考慮到并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有剛度大、精度高、承載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊且穩(wěn)定等諸多潛在優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入的理論、仿真和試驗(yàn)研究，并且在運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及控制方面取得了豐碩的成果[35-40]。為了充分利用并聯(lián)機(jī)構(gòu)自身的優(yōu)勢(shì)以及前人的研究成果，尤晶晶等目前一共提出了兩代基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六維加速度傳感器(本文也將其稱為“并聯(lián)式六維加速度傳感器”)模型。

尤晶晶[41]公布了所在科研團(tuán)隊(duì)的研究成果，也即提出并研究了一種基于6-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的壓電式六維加速度傳感器，原理樣機(jī)見(jiàn)圖10。分別將正交型6-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的上平臺(tái)和下平臺(tái)作為六維加速度傳感器的慣性質(zhì)量塊和基座(外殼)。原理樣機(jī)中一共有六條完全相同的支鏈，且每條支鏈都是由1組圓柱狀壓電陶瓷和2個(gè)彈性球鉸鏈串聯(lián)而成的。在所設(shè)計(jì)六維加速度傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，壓電陶瓷同時(shí)充當(dāng)了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)副以及傳感器的敏感元件，彈性鉸鏈(也可以稱之為“柔性鉸鏈”)消除了傳統(tǒng)鉸鏈存在的間隙、摩擦等問(wèn)題，且可以為未來(lái)實(shí)現(xiàn)六維加速度傳感器的微型化制造提供條件[42]。

圖10　基于6-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六維加速度傳感器Fig.10 Six-axis accelerometer based on 6-SPS parallel mechanism

考慮到壓電陶瓷的質(zhì)量較輕(相比于慣性質(zhì)量塊的質(zhì)量可以忽略不計(jì))，且兩端通過(guò)三自由度球面副分別與質(zhì)量塊的外壁和外殼的內(nèi)壁相固連，各支鏈可近似視為二力桿。也就是說(shuō)，理論上所有支鏈上的敏感元件不會(huì)受到橫向影響，這也是并聯(lián)式傳感器的一大優(yōu)勢(shì)。六維加速度傳感器在實(shí)際工作時(shí)，外殼剛性固定在待測(cè)載體上一起做加速運(yùn)動(dòng)，質(zhì)量塊在慣性力的作用下壓縮或拉伸支鏈。各支鏈上壓電陶瓷受到純軸向力的作用，且受力方向與其極化方向平行。由于正壓電效應(yīng)，壓電陶瓷的兩極會(huì)產(chǎn)生電荷，且電荷量的多少與作用在外殼上六維加速度的大小有關(guān)。

文獻(xiàn)[41]中詳細(xì)給出了六維加速度的解耦方案：首先，測(cè)量出所有壓電陶瓷兩端的電荷量，并運(yùn)用壓電理論[43]將其換算成支鏈的變形量；然后，運(yùn)用并聯(lián)機(jī)構(gòu)正向運(yùn)動(dòng)學(xué)理論將支鏈的變形量換算成質(zhì)量塊相對(duì)于外殼的位姿；最后，用外殼相對(duì)于慣性參考系以及質(zhì)量塊相對(duì)于外殼的運(yùn)動(dòng)參量來(lái)表示質(zhì)量塊相對(duì)于慣性參考系的運(yùn)動(dòng)參量，進(jìn)而通過(guò)建立并求解系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程得到待測(cè)加速度的6個(gè)分量。將加工制作出的第一代并聯(lián)式六維加速度傳感器實(shí)物樣機(jī)安裝固定在標(biāo)準(zhǔn)的LabworkET-127激振器上進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果較為理想，有效驗(yàn)證了并聯(lián)式六維加速度傳感器設(shè)計(jì)方案的可行性。

之后，尤晶晶等運(yùn)用拓?fù)淅碚撚志C合出了一種基于四面體構(gòu)型的含混合單開(kāi)鏈支路的9-SPS冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)，且理論分析結(jié)果表明該機(jī)構(gòu)具有初始位姿空間內(nèi)零奇異、運(yùn)動(dòng)學(xué)正解封閉、冗余信息可用于處理次級(jí)噪聲、解耦特性優(yōu)越，以及拓?fù)錁?gòu)型緊湊且對(duì)稱等眾多優(yōu)點(diǎn)[44]。鑒于此，用其充當(dāng)六維加速度傳感器的彈性體結(jié)構(gòu)，原理樣機(jī)見(jiàn)圖11。

圖11　基于9-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六維加速度傳感器Fig.11 Six-axis accelerometer based on 9-SPS parallel mechanism

針對(duì)該構(gòu)型的并聯(lián)式六維加速度傳感器，尤晶晶等還從解耦算法[45-47]、結(jié)構(gòu)優(yōu)化[48]、參數(shù)辨識(shí)[49]三個(gè)方面進(jìn)行了深入研究和探討。將第二代實(shí)物樣機(jī)安裝在自行研制的試驗(yàn)平臺(tái)上，并從其輸入量程范圍內(nèi)任意選取20組目標(biāo)加速度值進(jìn)行試驗(yàn)。不失一般性，給出其中3組試驗(yàn)的結(jié)果(見(jiàn)表1)，顯示其測(cè)量誤差不大于7.5%(誤差主要來(lái)源于噪聲干擾及信號(hào)調(diào)理過(guò)程)，綜合精度優(yōu)于同類(lèi)型傳感器，進(jìn)一步有效驗(yàn)證了并聯(lián)式六維加速度傳感器設(shè)計(jì)方案的合理性以及解耦算法的可靠性。

表1　并聯(lián)式六維加速度傳感器的測(cè)量誤差

2研究趨勢(shì)的展望

縱觀六維加速度傳感器的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前這還是一項(xiàng)仍處于探索階段的課題。通過(guò)深入剖析已有研究成果的技術(shù)路線，不能發(fā)現(xiàn)，六維加速度傳感器最突出的技術(shù)瓶頸在于六維加速度完全解耦的難度與傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度之間存在矛盾。解耦難度決定了傳感器能否最終實(shí)現(xiàn)高精度、高效率、高穩(wěn)定性地測(cè)量，結(jié)構(gòu)復(fù)雜度決定了傳感器的加工、裝配及安裝方便與否，以及在以上過(guò)程中所引入的誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響如何。人們往往需要通過(guò)提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度來(lái)降低解耦算法的難度，或者通過(guò)提高解耦算法的難度來(lái)降低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，正是這兩者之間的矛盾關(guān)系制約了六維加速度傳感器的研究進(jìn)程。緩解、甚至徹底解決蘊(yùn)藏在六維加速度傳感器背后的解耦難度與結(jié)構(gòu)復(fù)雜度之間的矛盾是學(xué)者們夢(mèng)寐以求的奮斗目標(biāo)和基本出發(fā)點(diǎn)。

一般情況下，為實(shí)現(xiàn)絕對(duì)六維加速度的傳感，離不開(kāi)三大組成要素，包括用于產(chǎn)生慣性力的質(zhì)量塊、用于將傳感器固定在運(yùn)動(dòng)載體上的基座，以及用于感應(yīng)質(zhì)量塊相對(duì)于基座運(yùn)動(dòng)參量的敏感元件。敏感元件的布置方式有很多種，系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型與之直接相關(guān)。也就是說(shuō)，六維加速度的解耦難度是由敏感元件的布置方式來(lái)決定的。不合理的或者較復(fù)雜的布置方式使得人們根本無(wú)法準(zhǔn)確推導(dǎo)出系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，從而導(dǎo)致六維加速度的完全解耦非常困難。為了降低解耦難度，一般除了需要提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度之外，人們往往還會(huì)對(duì)待測(cè)運(yùn)動(dòng)施加一定的限制性條件，或者對(duì)非線性模型進(jìn)行線性化處理，而它們卻分別是以縮小傳感器的適用范圍和降低六維加速度的解耦精度為代價(jià)的。嚴(yán)格來(lái)講，這些還僅僅是權(quán)宜之計(jì)，并不能從根本上解決解耦與結(jié)構(gòu)之間的矛盾。

解耦難度是由組成要素的布置方式?jīng)Q定的，同時(shí)布置方式又關(guān)系到結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，由此就不難找到解決上述矛盾問(wèn)題的突破口，即綜合出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的、耦合特性優(yōu)越的機(jī)構(gòu)，并用其充當(dāng)六維加速度傳感器的彈性體結(jié)構(gòu)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)六維加速度傳感器已經(jīng)做了大量而有實(shí)效的工作，取得了一定的研究成果。然而，由于六維加速度傳感器是一項(xiàng)多學(xué)科交叉的龐大而極富挑戰(zhàn)性的課題，涉及到的許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題還沒(méi)有得到完美解決，需要留待今后進(jìn)一步地深入探討：

(1)在由敏感元件輸出數(shù)據(jù)求解運(yùn)動(dòng)載體的角速度矢量以及旋轉(zhuǎn)矩陣時(shí)，一般需要借助于遞推算法，這會(huì)導(dǎo)致解算結(jié)果隨時(shí)間發(fā)散，也即存在誤差累積效應(yīng)。針對(duì)該問(wèn)題，可以通過(guò)提取并分析特定的運(yùn)動(dòng)特征參量，構(gòu)建系統(tǒng)的誤差模型，進(jìn)而對(duì)解耦數(shù)據(jù)實(shí)施在線的或者離線的補(bǔ)償以消除累積誤差；也可以通過(guò)結(jié)合其它輔助測(cè)量方法[50-52](如視覺(jué)系統(tǒng)、GPS等)，運(yùn)用多信息融合技術(shù)進(jìn)行組合校正。其中，后者本質(zhì)上是利用濾波技術(shù)對(duì)冗余信息進(jìn)行優(yōu)化組合，顯然，濾波算法的品質(zhì)決定了最終的檢測(cè)效果?？紤]到任何濾波方法都是由積分公式衍生出的，有必要從多種積分公式出發(fā)，對(duì)逐一凝煉出的濾波方法進(jìn)行探討和優(yōu)化，以尋找到真正適合于六維加速度傳感器與其它輔助設(shè)備的數(shù)據(jù)融合方案。

(2)從動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看，六維加速度傳感器是一個(gè)相對(duì)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，目前還無(wú)法用解析法來(lái)求解涉及到的微分-代數(shù)方程，而經(jīng)典的時(shí)域有限差分法又存在數(shù)值穩(wěn)定性欠佳的不足[53]。為解決Hamilton系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算問(wèn)題，我國(guó)數(shù)學(xué)家馮康提出了一套新的思想和算法，即“辛幾何算法[54-55]”?？紤]到辛算法在長(zhǎng)時(shí)間計(jì)算中能給出穩(wěn)定的數(shù)值結(jié)果，而且能夠較好地保持系統(tǒng)中的各種不變量(即保辛)，未來(lái)在求解六維加速度傳感器的微分-代數(shù)方程時(shí)引入辛幾何算法，進(jìn)而雜交出匹配于該系統(tǒng)的解耦算法將會(huì)是一種可選的策略。另外，在搜尋最合適解耦算法的過(guò)程中，不可避免地還會(huì)涉及到計(jì)算效率與計(jì)算精度之間的矛盾，這也是一個(gè)值得深入研究的問(wèn)題。

(3)傳感器敏感元件的輸出不僅包含所需的有用信息，同時(shí)還夾雜著各種干擾噪聲，而且各信號(hào)之間還會(huì)存在串頻干擾，因此在進(jìn)行加速度解耦運(yùn)算之前還必須對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行各種抗干擾預(yù)處理，這類(lèi)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題目前尚未得到很好地解決。壓電式傳感器的輸出端需要配備前置放大器(包括電荷放大器和電壓放大器兩種)，以完成信號(hào)的阻抗變換和放大；然而，目前市場(chǎng)上的這些前置放大器都是針對(duì)單維傳感器而設(shè)計(jì)的，在用于六維加速度傳感器的信號(hào)調(diào)理時(shí)就表現(xiàn)出很多不合理或不方便之處。例如，為了統(tǒng)一不同靈敏度傳感器在同一輸入信號(hào)下的輸出結(jié)果，前置放大器內(nèi)部一般都含有歸一化模塊，該模塊對(duì)六維加速度傳感器的信號(hào)處理起不到任何作用，反而會(huì)增大系統(tǒng)體積、成本和干擾噪聲。由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)匹配于六維加速度傳感器的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)是一項(xiàng)亟需解決的課題。另外，除了信號(hào)處理的硬件平臺(tái)，還需要開(kāi)發(fā)與之對(duì)應(yīng)的軟件平臺(tái)，以控制數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、解耦運(yùn)算等全過(guò)程。

(4)盡管不少學(xué)者已經(jīng)提出并研究了多種驅(qū)動(dòng)平臺(tái)、激振平臺(tái)，但由于六維加速度傳感器自身結(jié)構(gòu)以及工作機(jī)理的特殊性，現(xiàn)有平臺(tái)還不能被直接用來(lái)對(duì)傳感器進(jìn)行參數(shù)和性能的標(biāo)定。文獻(xiàn)[49]中提出了一種基于雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)平臺(tái)，具有能夠輸出多種模式的運(yùn)動(dòng)、加速度大小和頻率可控、可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作等優(yōu)點(diǎn)，但尚存在加速度頻率范圍較小、無(wú)法實(shí)現(xiàn)加速度方向的無(wú)極調(diào)節(jié)等不足。因此，有必要設(shè)計(jì)出與六維加速度傳感器相匹配的標(biāo)定平臺(tái)及其控制算法。另外，保證標(biāo)定平臺(tái)上六維加速度傳感器外殼的旋轉(zhuǎn)軸線精確穿過(guò)質(zhì)量塊的質(zhì)心也是一個(gè)值得進(jìn)一步探討的問(wèn)題。

3結(jié)論

(1)根據(jù)待測(cè)加速度的作用部位來(lái)劃分，六維加速度傳感器有“質(zhì)量塊作用型”和“基座作用型”兩大類(lèi)。其中，前者本質(zhì)上屬于六維力傳感器的范疇，用于獲取構(gòu)件之間的相對(duì)六維加速度；后者又可以被細(xì)分為“多慣性質(zhì)量塊構(gòu)型”和“單慣性質(zhì)量塊構(gòu)型”兩類(lèi)，用于獲取載體在慣性系中的絕對(duì)六維加速度。

(2)近10年來(lái)學(xué)者們所提出的六維加速度傳感器的原理構(gòu)型并不多，工作重心主要傾向于解耦算法的設(shè)計(jì)及改良。目前，六維加速度傳感器的研究尚處于原理探索和論證階段，距離最終的實(shí)用化還較遠(yuǎn)。

(3)六維加速度傳感器的主要技術(shù)瓶頸在于解耦難度與結(jié)構(gòu)復(fù)雜度之間存在矛盾，解決該問(wèn)題的突破口是綜合出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的、耦合特性優(yōu)越的機(jī)構(gòu)，用于充當(dāng)六維加速度傳感器的彈性體結(jié)構(gòu)。

(4)未來(lái)10年，甚至更長(zhǎng)時(shí)間，六維加速度傳感器領(lǐng)域內(nèi)的學(xué)者們將以解決其瓶頸問(wèn)題為奮斗目標(biāo)，繼續(xù)致力于誤差累積效應(yīng)、數(shù)值穩(wěn)定性、專(zhuān)用信號(hào)處理模塊、標(biāo)定平臺(tái)及方法等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的研究。

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