六自由度平臺角位置測量精度方法

李永強，盧明濤，馬建明，鄧慰敬

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

0 引言

隨著機器人技術不斷地發展,因其較高的剛度、穩定性以及可同時提供多自由度的運動特性,六自由度平臺在眾多高科技行業的模擬仿真中發揮著重要作用［1-2］。現已研發出來的六自由度平臺大多應用在無人機運動仿真、車載運動仿真、船舶運動仿真、導彈運動仿真、航空航天設備等的半實物仿真中［3-4］。

應用六自由度平臺進行半實物仿真過程中,平臺運動的精度將直接影響半實物仿真結果的真實性。因此,六自由度平臺各自由度運動精度的保證對仿真結果尤為重要。目前,國內外在六自由度平臺參數指標測試時,線位置精度大多采用激光干涉儀和激光跟蹤儀進行測量,而角位置精度幾乎均采用激光跟蹤儀進行測量［5-7］。激光跟蹤儀的使用和維護成本較高,原理及操作較為復雜,且國內擁有激光跟蹤儀的單位和機構非常少。因此,尋求一種測量相對簡單、測量及維護成本較低的測量方法具有很高的應用價值。

針對該問題,本文提出了一種測量成本低、測試方法及操作較為簡單的六自由度平臺角位置精度測量方法。在測量角位置精度時,該方法應用傾角儀、光電自準直儀以及帶棱鏡的360多齒分度盤等儀器對橫滾、俯仰以及偏航三個方向的角位置精度及重復性精度進行測量,方法簡單,能夠快速準確地測出各自由度角位置精度等參數,且成本較低。

1 六自由度平臺結構及控制系統

1.1 六自由度平臺整體機械結構

本文對某Stewart六自由度平臺進行角位置精度及重復性測量,驗證所設計測量方法的可靠性。六自由度平臺的結構示意圖如圖1所示,其為并聯結構,各軸均采用電動缸驅動。上鉸及下鉸處所用軸承均為FAG角接觸軸承,各軸電動缸均采用美國EXLAR原裝K系列伺服缸,各軸驅動電機均采用菲仕電機且配備EQN1325編碼器。該六自由度平臺上鉸圓半徑Ra=0.4m,下鉸圓半徑Rb=0.54m,平臺處于工作零位時電動缸上下鉸點間的距離L2=0.72m,上鉸相鄰鉸之間的短邊距離da=0.1m,下鉸相鄰鉸之間的短邊距離db=0.2m,電機與缸的安裝方式為平行安裝方式。如圖1所示坐標系,繞X軸轉動的為橫滾運動,繞Y軸轉動的為俯仰運動,繞Z軸轉動的為偏航運動,O為平臺中心點（平臺運動的中心）。

圖1 六自由度平臺結構示意圖Fig.1 Structure diagram of 6-DOF platform

1.2 六自由度平臺控制系統

六自由度平臺控制系統由上位機與下位機組成,其示意圖如圖2所示。上位機采用半加固型筆記本電腦,運行系統為Windows系統；下位機采用ACP-4000工控機,其運行系統為RT實時系統；上位機、下位機均采用LabVIEW軟件進行編程控制。整個控制系統的硬件中,電機的驅動控制單元均采用美國Copley公司XPL系列驅動器進行控制。驅動器與下位機之間為CAN通訊形式,使用的是NI公司的CAN卡,上位機與下位機之間采用網口通訊形式。整個控制系統采用三相220VAC/50Hz進行供電,控制系統能夠穩定的運行,上位機、下位機能夠實現實時通訊,滿足六自由度平臺的控制要求。

圖2 六自由度平臺控制系統示意圖Fig.2 Diagram of 6-DOF platform control system

2 角位置參數檢測方案設計

2.1 傾角儀測試原理

角度測量在幾何量計量技術中占據重要位置,傾角儀被廣泛應用在角度測量中［8］。當傾角儀處于靜止狀態時,由于其只受重力作用,其重力垂直軸與傳感器靈敏軸間的夾角即為所求傾角［9-10］。圖3為傾角儀工作原理示意圖。在安裝傾角儀之前,應使用電子水平儀將六自由度平臺中位水平調整在30″以內,同時在與中位同一水平面的基準面上安裝傾角儀,保證傾角儀X軸方向與Y軸方向的敏感軸與六自由度中位的X軸方向與Y軸方向一致。通過水平精度的調整以及基準面加工精度的保證,傾角儀與六自由度平臺固聯后,平臺運動過程中可以忽略重力分量等對傾角儀測量精度的影響。當傾角儀相對敏感軸X方向或Y方向發生一個轉動角度時,傾角儀會將該角度測量出來,從而得出橫滾運動或俯仰運動的運動角度。

圖3 傾角儀工作原理示意圖Fig.3 Working principle diagram of inclinometer

本文測量時使用的傾角儀為Jewell公司制造的DXI-100系列的數字傾角儀,其實物圖如圖4所示。該傾角儀內部為集成形式,測量精度達到0.005°、分辨率達到0.001°的數字輸出,具有噪音低、穩定性高、工作溫度范圍大等性能。測試過程中,上位機與傾角儀通過RS485串口進行通信。六自由度平臺運動平穩后,傾角儀能夠得到平臺在X軸方向或Y軸方向的運動角度并顯示在上位機界面上,從而確定橫滾及俯仰兩個方向的角位置測量精度。

圖4 傾角儀實物圖Fig.4 Physical drawing of inclinometer

2.2 光電自準直儀測試原理

光電自準直儀是依據光學自準直成像原理,通過LED發光元件和線陣CCD成像技術設計而成。它由內置的高速數據處理系統對CCD信號進行實時采集處理,同時完成角度測量［11］,其測試原理圖如圖5所示。

圖5 光電自準直儀測試原理圖Fig.5 Test schematic diagram of photoelectric autocollimator

在光源處發射出一束光,光經過狹縫、分束器、準直物鏡后射到反射鏡上,通過反射鏡將光反射回去,形成的圖像由光感接收器接收。光電自準直儀的光軸在照射到棱鏡相鄰鏡面的不同位置時會引起一個微小的偏差,光電轉換系統敏感光學信號并將其轉換為電信號供后續處理,該偏差經過光電自準直儀的CCD線陣能夠被精確的測出［12-13］。反射鏡在位置1和位置2時,CCD線陣上的狹縫圖像位置如圖6所示。其中,Δy為反射鏡在位置1時CCD線陣上的狹縫圖像位置與反射鏡在位置2時CCD線陣上的狹縫圖像位置的偏差。

圖6 CCD線陣示意圖Fig.6 Schematic diagram of CCD linear array

測量出的偏轉角α即為誤差,該誤差為六自由度平臺偏航運動時角位置精度的測量值,α可通過以下公式計算得到

式（1）中,f為準直物鏡的焦距。

本文在測量角位置精度時使用的光電自準直儀是德國的ELCOMAT 3000系列,其實物圖如圖7所示。該光電自準直儀的分辨率最高能夠達到0.005″,精度可達0.1″且性能較穩定。

圖7 光電自準直儀實物圖Fig.7 Physical drawing of photoelectric autocollimator

2.3 360多齒分度盤測試原理

360多齒分度盤配合多面棱體能夠提供1°～360°的角度測量,圖8為安裝有棱體的360多齒分度盤。在測量角位置時,齒盤隨著平臺運動到指定位置后,將手柄松開,反向轉動齒盤使齒盤轉動剛剛平臺運動的角度,然后合上手柄固定齒盤,再使用光電自準直儀進行角位置精度測量。由于齒盤的加工精度極高,實驗過程中使用的齒盤精度能夠達到1″,可滿足整體測試要求。

圖8 360多齒分度盤實物圖Fig.8 Physical drawing of 360 multi-tooth index plate

2.4 總體檢測方法

（1）角運動幅值檢測方法

利用數字式電子水平儀將六自由度平臺水平調整在誤差允許范圍內后,在傾角儀安裝基準面上將傾角儀安裝,使其敏感軸與X軸及Y軸重合,并將傾角儀通電與上位機進行通信。打開傾角儀通信軟件,在六自由度平臺零位位置通過傾角儀通信軟件將讀數置零。將該位置默認為零位,將六自由度平臺橫滾和俯仰兩個方向的角位置分別設定為要求的最大限位值。啟動平臺,平臺達到相應極限位置后,讀取并記錄平臺在這兩個運動方向的最大運動范圍。

沿Z軸方向（偏航運動）安裝帶有棱鏡的360多齒分度盤,并架設光電自準直儀,同樣將六自由度平臺沿Z軸方向轉動的位置設定為要求的最大限位值。啟動平臺,平臺達到相應的極限位置后,手動轉動多齒分度盤,反向轉動平臺所運行的角度并保證光電自準直儀有讀數,運動的最大極限范圍即為該運動方向運動范圍。

（2）角位置定位精度測量方法

首先,測量橫滾及俯仰兩個方向的角位置測量精度。在基準面上安裝好傾角儀后,將傾角儀讀數設置為零位。從平臺系統橫滾或俯仰極限位置-10°開始,記錄傾角儀讀數α1。以數字顯示為準,依次使平臺沿著X軸方向正向間隔2°運動直至運動到+10°位置,記錄傾角儀的其它相應讀數α2、α3、 …、αi, 目標位置分別記為α01、α02、…、α0i,i=N（N為測量點數）。 再分別依次間隔2°將平臺反向運動一趟,記錄下正反運動的2組數據。

以上兩個方向測量完成后,對偏航方向的角位置精度進行測量。調整好平臺后將六自由度平臺運行至零位,將帶有棱鏡的齒盤安裝在六自由度平臺運動中心（Z軸方向）。光電自準直儀和被測平臺放置在同一隔震地基上,使光電自準直儀的光軸線垂直于帶有棱鏡的齒盤。從平臺系統角位置數字顯示-10°開始,記錄光電自準直儀讀數α1。 以數字顯示為準,依次使軸正向間隔2°轉動直至轉到+10°位置,記錄光電自準直儀的其它相應讀數α2、α3、 …、αi,i=N（N為測量點數）。 再分別依次間隔2°將平臺反向運動一趟,記錄下正反運動的2組數據。

根據儀器測得的數據與目標位置的關系,可以得到三個運動方向的角位置定位精度

式（2）中,eαi為以角位置測量系統數字顯示0為準的圓周分度誤差,即實際值與目標值之間的差值,測量偏航運動方向時該值為消除棱體誤差后的值。被測運動方式正向運動時,取eαi中最大分度誤差為（正值）和最小分度誤差為（負值）；被測運動方式反向運動時,取eαi中最大分度誤差為（正值）和最小分度誤差為e2-i（負值）。

通過式（3）可得到被測方向的角位置定位精度,即平臺正方向或反方向運動時誤差峰峰值的1/2。

式（3）中,εj為第j次測量的角位置定位精度。取正向運動位置精度與反向運動位置精度的最大值作為該平臺的角位置精度,其計算方法如下

根據平臺正反兩次運動測得的數據,對被測方向的角位置重復精度進行計算。

在六自由度平臺做角運動時,其橫滾、俯仰及偏航運動可以看做是分別繞X軸、Y軸、Z軸的轉動,參照GJB-1801慣性技術測試設備主要性能測試方法［14］,可通過式（5）計算得到各方向的角位置測量重復性

式（5）中,e1,i=α1,i+1-α1,i（i=1,2, …,N）為被測方向正向運動時相鄰測試點實測值之間的差值,e2,i=α2,i+1-α2,i（i=1,2, …,N）為被測方向反向運動時相鄰測試點實測值之間的差值,N為正轉或反轉時測量的點數。

3 六自由度平臺角位置精度測試

為驗證所設計測試方法的可行性及穩定性,對某Stewart平臺進行角位置測量精度的實驗,包括橫滾、俯仰及偏航三個運動方向的角運動范圍、角位置測量精度及角位置測量重復性,并對測試結果進行處理分析。測試現場如圖9所示。

圖9 測試現場Fig.9 Diagram of test site

實驗以六自由度平臺為測試對象,控制運動平臺按照所設計的測試方法逐點運動。通過傾角儀測量橫滾及俯仰兩個方向的運動角度,使用帶有棱鏡的360多齒分度盤及光電自準直儀對偏航方向的運動角度進行測量。三個運動方向均采集22個實驗點,即平臺正向運動和反向運動各取11個實驗點。對記錄的數據進行分析處理,可得到其角位置測量精度及角位置測量重復性,測試數據及數據處理結果如表1～表3所示。

表1 六自由度平臺橫滾方向角位置精度測量結果Table 1 Measurement results of angular position accuracy of 6-DOF platform in roll direction

表2 六自由度平臺俯仰方向角位置精度測量結果Table 2 Measurement results of angular position accuracy of 6-DOF platform in pitch direction

表3 六自由度平臺偏航方向角位置精度測量結果Table 3 Measurement results of angular position accuracy of 6-DOF platform in yaw direction

從以上實驗測試數據的處理結果可以看出：橫滾、俯仰及偏航三種運動形式的角運動范圍均為-10°～+10°,角位置測量精度分別達到0.012°、0.009°、 0.018°, 測量重復性分別達到 0.005°、0.007°、 0.001°。

對平臺三個運動方向的測量結果進行處理,可以得到如圖10所示的各運動方向的正向運動和反向運動的角位置測量誤差范圍。通過計算,也可得到各運動方向的角位置測量重復性。實驗過程中,傾角儀和光電自準直儀能夠快速準確地測量出三個方向的角運動位置。

圖10 角位置測量誤差范圍Fig.10 Error range of angular position measurement

Stewart平臺進行速度反解時,考慮到平臺有六個缸,根據相關資料［15］可以得到上平臺廣義速度到缸伸長速度的Jacobi矩陣Jlq

式（6）中,Ln為缸軸線方向單位矢量組成的矩陣,Ap為上鉸鏈中心在臺體坐標系中的坐標矩陣,R為動坐標系到靜坐標系的方向余弦陣。

由式（6）可知,該Jacobi矩陣只與平臺的結構尺寸及其位姿有關。當運動學Jacobi矩陣中各元素量綱都一樣時,基于運動學Jacobi矩陣的條件數性能指標函數的定義如下［16-17］

式（7）中,cond（J）為某位姿時基于運動學Jacobi矩陣J的條件數性能指標函數,σmax（J）為某位姿時J的最大奇異值,σmin（J）為某位姿時J的最小奇異值。

由式（7）可知,當Jacobi矩陣Jlq越接近奇異即平臺運動越接近臨界運動范圍時,其條件數越大。條件數是評價機器人性能最常用的性能指標函數,條件數越大,進行反解時會使速度的輸入與輸出傳遞過程嚴重失真,最終導致平臺的運動誤差增大。從圖10各運動方向的角位置測量誤差范圍可以看出：最大正向運動及最大反向運動的角位置測量誤差出現在+10°和-10°位置處,而且三個方向所測量的角位置誤差相對各自的運動軸具有一定的線性關系,該結果也驗證了Stewart平臺在其極限運動范圍處Jacobi矩陣的條件數最大,呈現病態。導致平臺的運動以及動力傳遞特性最差的固有特性,即隨著平臺向極限位置運動的過程中,平臺自身產生的運動誤差也隨之增大,同時也從側面反映了該測試方法的準確性及可行性。

4 結論

針對目前六自由度平臺角位置精度測量方法較少、測量成本較高且測試原理及操作繁瑣的實際情況,本文提出了一種六自由度平臺角位置精度測量方法。該測量方法原理相對簡單、操作方便且使用和維護成本較低,能夠快速準確地測量出各運動方向的角位置測量精度、角位置測量重復性以及幅值范圍等。本文結合實驗室現有某Stewart平臺,對其角位置測量精度等進行了測試,得到三個運動方向（橫滾、俯仰及偏航）相應的實驗數據。測量結果表明：應用該方法測量出的平臺角位置測量精度及角位置測量重復性等能夠很好地滿足六自由度平臺的技術指標,為今后進一步開展新的全參數測試方法研究奠定了堅實的基礎。