基于并联机构的六维加速度传感器的反向动力学

摘要

六维加速度传感器能够测量完整的空间加速度信息，在人工智能等领域应用前景广阔。由于多输入、多输出量之间的强非线性耦合关系，该类系统的反向动力学问题至今尚未完全解决。以“12-6”、“9-3”两种并联式六维加速度传感器为例，通过引入四元数矩阵和关于四阶向量叉乘的运算规则，在相空间内重新推导并求解了反向动力学方程。据此，揭示了方程数值性态与其影响因素之间的映射规律。研究发现：不计入质量块与基座之间的相对运动参量时，方程的解算效果更优；方程的解算精度主要与弹性体的拓扑构型以及信号频率、采样频率比和采样时间有关；当采样频率小于60 kHz时，方程的解算效率满足实时性要求。结合虚功率原理和特征长度法，求解了两种构型刚度矩阵的最小特征值，找到了弹性体拓扑构型影响方程解算精度的根本原因，这为多维传感器的构型综合提供了理论指导。进一步地，针对方程中存在小扰动和大扰动时解算结果失效的问题，分别通过监测基座的转动方向交替点和构造关于输入量的协调闭链，构建了对应的误差补偿和故障修复算法。实验室条件下，两种构型实物样机的测量误差能够分别控制在5.822%和6.781%之内，且均满足实时性要求，验证了上述反向动力学模型是有效、可靠的。