Nei campi delle attrezzature di fascia alta come l'aerospaziale, la navigazione inerziale e il controllo dei robot, le prestazioni dei dispositivi inerziali (giroscopi, accelerometri, ecc.)) determina direttamente la precisione del controllo dell'atteggiamento e l'affidabilità della navigazione del vettoreIl giradischi di prova inerziale a tre assi, come dispositivo di prova di base, ha la funzione principale di riprodurre con precisione l'atteggiamento- emovimento angolare di un oggetto in uno spazio tridimensionale in ambiente di laboratorio, che fornisce eccitazione di movimento controllabile e ripetibile per la taratura, la prova,e verifica dei dispositivi inerzialiA differenza dei giradischi a un solo asse o a due assi, il giradisco a tre assi realizza una simulazione dell'atteggiamento in tutto lo spazio attraverso tre assi di rotazione reciprocamente ortogonali.Il suo principio di simulazione del movimento integra più discipline come la progettazione meccanica, cinematica e ingegneria del controllo, che lo rende un anello chiave indispensabile nella catena di R & S di apparecchiature di fascia alta.

Questo articolo partirà dalla definizione di base e analizzerà sistematicamente la logica sottostante,percorso di attuazione e tecnologie chiave di simulazione del movimento a tre gradi di libertà di un giradischi di prova inerziale a tre assi.

I. Concetto di base: la relazione essenziale tra un giradischi di prova inerziale a tre assi e tre gradi di libertà

Per comprendere il suo principio di simulazione del movimento, è necessario chiarire prima la connotazione di due concetti fondamentali:il giradischi di prova inerziale a tre assi e il movimento di rotazione a tre gradi di libertà.

Un giradischi di prova inerziale a tre assi è un dispositivo meccatronico ad alta precisione. I suoi componenti principali includono un telaio meccanico, un sistema di azionamento, un sistema di feedback di misura e un sistema di controllo.Il suo obiettivo principale di progettazione è quello di fornire il dispositivo inerziale sottoposto a prova (come un'unità di misura inerziale, IMU) montato sul giradischi con un preciso movimento angolare attorno a tre gradi di libertà indipendenti attraverso tre assi di rotazione ortogonali, simulando i cambiamenti di atteggiamento di un vettore (aeromobile,satellite, robot, ecc.) in scenari del mondo reale, come l'inclinazione, la declinazione e il rotolamento di un aeromobile e l'adeguamento dell'atteggiamento orbitale di un satellite.

Da una prospettiva cinematica, il cambiamento di atteggiamento di qualsiasi corpo rigido nello spazio può essere pienamente descritto da tre gradi di libertà di rotazione indipendenti.Questi tre gradi di libertà corrispondono a tre assi di rotazione reciprocamente ortogonali, e i tre assi si intersecano in un singolo punto (centro del giradischi/centro di prova).Questo assicura che il centro sensibile del dispositivo sottoposto a prova coincide sempre con il centro del giradischi, evitando l'influenza di ulteriori spostamenti sull'accuratezza della prova.In giro.l'asse verticale, il movimento di inclinazione (angolo di inclinazione)In giro.l'asse orizzontale e il movimento di rotolamento (angolo di rotolamento)In giro.Il movimento coordinato di questi tre può riprodurre qualsiasi atteggiamento nello spazio, che è la base teorica per la simulazione del movimento del giradischi a tre assi.

A differenza dei giradischi monoasse, che possono solo simulare la rotazione in una sola direzione, e dei giradischi a doppio asse, che non possono raggiungere una copertura completa dell'atteggiamento, i giradischi a tre assi,attraverso il controllo coordinato di tre gradi di libertà, rompere le limitazioni dimensionali della simulazione del movimento e riprodurre in modo realistico l'atteggiamento dinamico del vettore in condizioni di lavoro complesse,che soddisfano le esigenze di prova in condizioni complete di dispositivi inerziali ad alta precisione.

II. Fondamenti meccanici: logica di progettazione dei portatori strutturali con tre gradi di libertà

La simulazione del movimento a tre gradi di libertà su un giradischi di prova inerziale a tre assi si basa principalmente su una struttura meccanica precisa.Il suo nucleo è costituito da tre quadri rotanti ortogonali a coppia (quadro esternoLe strutture tipiche dei quadri sono quelle che sono strutturate in modo gerarchico per ottenere un movimento composto e coordinato.includono la verticale (U-O-Tipo O,T-U-Ttipo, ecc.) e orizzontaleLe strutture verticali, grazie alla loro elevata stabilità e alla loro eccezionale capacità di carico, sono ampiamente utilizzate in scenari di prova ad alta precisione nel settore aerospaziale.La loro progettazione strutturale segue tre principi principali.:ortogonalità, concentricità e rigidità.

2.1 Divisione funzionale dei tre quadri principali (per esempio la struttura verticale)

La struttura gerarchica dei tre quadri garantisce l'indipendenza e il coordinamento di ciascun grado di libertà di movimento, con la divisione specifica del lavoro come segue: 

1. Cornice esterna (asse Azimut/Yaw): costituisce la base dell'intero giradischi ed è installato perpendicolare al piano orizzontale.responsabile della guida del telaio centrale, il telaio interno e il dispositivo sottoposto a prova per ruotare insieme attorno all'asse verticale,simulare il movimento di guinzaglio del vettore nel piano orizzontale (come la regolazione della rotta di una nave o la rotazione orizzontale di un aeromobile). Il telaio esterno deve avere un'alta rigidità e stabilità per sopportare il peso e il carico dell'intero giradischi;la sua precisione di rotazione influisce direttamente sulla precisione della simulazione complessiva dell'atteggiamento.

2. Cornice centrale (asse di passo): annidata all'interno della cornice esterna, il suo asse di rotazione è orizzontale e ortogonale all'asse della cornice esterna.È responsabile della rotazione del telaio interno e del dispositivo sottoposto a prova intorno all'asse orizzontale, simulando il movimento di passo del vettore (come il passo di un aeromobile, o la regolazione dell'atteggiamento di passo di un satellite).Il progetto del telaio centrale deve bilanciare rigidità e leggerezza per evitare un peso eccessivo che aumenterebbe il carico sul telaio esternoAllo stesso tempo, deve assicurare la precisione di ortogonalità con le cornici esterne e interne per ridurre gli errori di posizione causati dalle deviazioni dell'asse.

3. Cornice interna (asse di rotolamento): annidata all'interno della cornice centrale, il suo asse di rotazione è ortogonale all'asse centrale della cornice eperpendicolare alla superficie del tavolo. spinge direttamente la superficie del tavolo e il dispositivo sottoposto a prova (DUT) a ruotare attorno all'asse,simulare il movimento di rotolamento del vettore (come il rotolamento di un aereo o la regolazione dell'atteggiamento di un robot)Il telaio interno è la parte direttamente collegata al DUT, e la sua precisione di rotazione e la velocità di risposta dinamica hanno l'impatto più diretto sui risultati dei test.I cuscinetti ad alta precisione e i materiali leggeri sono generalmente utilizzati per garantire un movimento regolare e preciso.

2.2 Principali requisiti di progettazione strutturale

Per ottenere una simulazione di movimento ad alta precisione a tre gradi di libertà, la struttura meccanica deve soddisfare tre requisiti fondamentali:dove i tre assi di rotazione devono essere strettamente perpendicolari tra loro, con l'errore di perpendicolarità normalmente controllato al livello di secondo d'arco per evitare errori di calcolo dell'atteggiamento dovuti alla deviazione dell'asse; in secondo luogo, concentricità,dove i centri di rotazione dei tre assi devono convergere nello stesso punto (centro di prova), con deviazione controllata entro 0,5 mm, assicurando che il centro sensibile del dispositivo sottoposto a prova sia sempre al centro del movimento ed eliminando l'influenza di una forza centrifughe supplementare;e terzo, alta rigidità e bassa vibrazione, quando il telaio è realizzato in materiali ad alta rigidità (come leghe di alluminio e leghe di acciaio),con una lunghezza massima di 20 mm o più, ma non superiore a 30 mm,, evitando interferenze da vibrazioni con la precisione di misura dei dispositivi inerziali.

III. Principio fondamentale: Modellazione matematica e calcolo dell'atteggiamento del movimento a tre gradi di libertà

La simulazione del movimento a tre gradi di libertà su un giradischi a tre assi replica essenzialmente l'atteggiamento spaziale di un vettore controllando gli angoli di rotazione, le velocità angolari,e accelerazioni angolari dei tre assi per ottenere un movimento coordinato secondo specifiche leggi matematicheLa sua base teorica principale è il principio dell'angolo di Euler e la trasformazione della matrice di atteggiamento.si stabilisce una corrispondenza tra l'atteggiamento spaziale e i parametri di rotazione dei tre assi, che consente un controllo preciso e una simulazione dell'atteggiamento.

3.1 Angoli di Euler e descrizione dell'atteggiamento a tre DOF

L'atteggiamento di qualsiasi corpo rigido nello spazio può essere completamente descritto da tre angoli di Euler (angolo di svolta ψ, angolo di passo θ e angolo di rotolamento φ).Questi tre angoli corrispondono agli angoli di rotazione dei tre assi del giradischi, e la loro sequenza di rotazione (ad esempio, yaw-pitch-roll) determina lo stato finale di atteggiamento."pernoblocco"L'impostazione di un'impostazione è basata su un'impostazione di base, basata su un'impostazione di base.I metodi di quaternione sono tipicamente utilizzati per il calcolo dell'atteggiamento per evitare la perdita di atteggiamento dovuta apernobloccare e garantire la continuità e l'accuratezza della simulazione dell'atteggiamento in tutto lo spazio.

In particolare, l'atteggiamento del bersaglio del dispositivo sottoposto a prova può essere rappresentato da angoli di Euler o quaternioni.guida del telaio esternoInfine, attraverso il movimento coordinato dei tre assi, il dispositivo sottoposto a prova viene regolato all'atteggiamento di destinazione.quando si simula la posizione di immersione di un aeromobile, il telaio centrale (asse di inclinazione) ruota nel senso orario (l'angolo di inclinazione diminuisce), mentre il telaio interno (asse di rotolamento) è finemente regolato in base alle esigenze di atteggiamento,e il telaio esterno (asse della spalla) rimane fissoI tre lavorano insieme per ottenere una simulazione accurata dell'atteggiamento di immersione.

3.2 Matrice di atteggiamento e controllo accoppiato al movimento

Per ottenere il controllo coordinato dei tre gradi di libertà,una relazione di mappatura tra l'atteggiamento di destinazione e i parametri di rotazione di ciascun asse deve essere stabilita attraverso la matrice di atteggiamento. La matrice di atteggiamento è una matrice ortogonale 3×3 i cui elementi sono composti da funzioni trigonometriche di tre angoli di Euler,in grado di descrivere il processo di trasformazione rotazionale di un corpo rigido dalla sua posizione iniziale alla sua posizione di destinazioneAttraverso la trasformazione inversa della matrice dell'atteggiamento, l'atteggiamento del bersaglio può essere decomposto in angoli di rotazione lungo i tre assi, fornendo comandi di controllo precisi per il sistema di propulsione.

Poiché i tre fotogrammi sono annidati gerarchicamente, la rotazione di un asse può causare cambiamenti nella posizione spaziale di altri assi, creando accoppiamento di movimento (ad esempio, quando il fotogramma centrale ruota,la direzione dell'asse di rotazione del telaio interno cambia con l'atteggiamento del telaio centrale)Pertanto, durante il controllo del movimento, sono necessari algoritmi di disaggregazione per eliminare l'effetto di accoppiamento e garantire che il movimento di ciascun asse sia indipendente e preciso.I metodi comuni di decoppiamento comprendono il decoppiamento feedforward e il decoppiamento feedback., che migliorano la precisione della simulazione dell'atteggiamento e la velocità di risposta dinamica compensando in tempo reale gli errori di accoppiamento.

IV. Percorso di attuazione: guida e controllo a ciclo chiuso di tre gradi di libertà

Le strutture meccaniche servono da portatori della simulazione del movimento, la modellazione matematica fornisce la base teorica,e il funzionamento coordinato del sistema di propulsione e del sistema di controllo è il percorso principale per ottenere una simulazione accurata del movimento a tre gradi di libertà. Il triassistagirarela tabella garantisce l'accuratezza e la stabilità della simulazione del movimento attraverso il controllo a circuito chiuso di "input di comando - esecuzione dell'azionamento - feedback di misurazione - correzione degli errori." I suoi componenti principali includono il sistema di propulsione, sistema di feedback di misura e sistema di controllo.

4.1 Sistema di propulsione: fonte di alimentazione per il movimento a tre gradi di libertà

La funzione principale del sistema di propulsione è quella di fornire una coppia di propulsione precisa ai tre assi secondo le istruzioni del sistema di controllo, ottenendo così un controllo preciso dell'angolo,velocità angolareAttualmente, i principali metodi di azionamento sono divisi in azionamento elettrico e azionamento ibrido elettroidraulico.I motori a coppia continua sono ampiamente utilizzati nei sistemi di posizione e servo e sono attuatori ideali per sistemi servo ad alta precisione.Hanno le caratteristiche di bassa velocità, coppia elevata, capacità di sovraccarico forte, risposta rapida, buona linearità e piccola fluttuazione di coppia.eliminazione della necessità di ingranaggi riduttori, migliorando così la precisione di funzionamento del sistema.come la sperimentazione di sistemi inerziali per grandi aeromobili.

Il motore a coppia continua, come unità motrice centrale, deve possedere capacità di controllo della velocità e della posizione di alta precisione.Converte la rotazione ad alta velocità del motore in bassa velocità, una rotazione di alta precisione del telaio, fornendo al contempo una coppia di azionamento sufficiente a superare l'inerzia del telaio e la resistenza al carico.assicurando che il movimento dei tre gradi di libertà possa essere controllato in modo indipendente e lavorare in collaborazione per ottenere una simulazione accurata diatteggiamentos. Il suo intervallo di velocità angolare può coprire ± 0,001 ∼ 400°/s, soddisfacendo i requisiti di prova in condizioni complete dalla taratura statica alla risposta transitoria.

4.2 Sistema di feedback di misurazione: componente chiave per garantire l'accuratezza

La funzione del sistema di feedback di misura è quella di raccogliere parametri quali angolo di rotazione, velocità angolare,e l'accelerazione angolare dei tre assi in tempo reale e li riporta al sistema di controllo per formare un controllo a circuito chiusoI dispositivi di misurazione principali comprendono codificatori d'angolo e sensori di velocità angolare.La precisione dell'encoder angolare (come un encoder fotoelettrico) determina direttamente la precisione di controllo dell'atteggiamento del giradischiAttualmente, i giradischi a tre assi di fascia alta possono ottenere un posizionamento angolare- eaccuratezza di ripetibilità di ±2′′ e una risoluzione della posizione angolare di ±0.0001°, che soddisfa i severi requisiti di taratura di alta precisione del dispositivo inerziale.

Il sistema di feedback di misurazione deve avere un'elevata velocità di risposta e un'elevata affidabilità,con una capacità di accumulo di massa superiore o uguale a 10 kg/m2Simultaneamente, it needs to employ error compensation algorithms to correct for inherent system errors in the measuring devices (such as zero-point error and scale error) and errors introduced by the mechanical structure (such as shaft deviation and vibration error), migliorando ulteriormente la precisione delle misurazioni e fornendo dati di feedback accurati per il controllo a circuito chiuso.Tutte le specifiche tecniche del giradischi sono calibrate utilizzando apparecchiature standard angolarigarantire la tracciabilità dei dati di misurazione.

4.3 Sistema di controllo: il "cervello" di tre gradi di libertà che lavorano in armonia

Il sistema di controllo è il nucleo del tre assigirareLa simulazione di movimento a tre gradi di libertà è responsabile della ricezione di comandi di prova (comeatteggiamentoe traiettoria di movimento), decompongono il bersaglioatteggiamentoin comandi di controllo per i tre assi attraverso algoritmi di modellazione matematica e disaggregazione, che guidano il sistema di propulsione per eseguire il movimento,e correzione dinamica dei comandi di controllo basati sui dati in tempo reale del sistema di feedback di misurazione per eliminare gli errori e garantire l'accuratezza e la stabilità della simulazione del movimento.

Le funzioni fondamentali del sistema di controllo comprendono:che converte l'atteggiamento del bersaglio (angoli di Euler o quaternioni) in parametri di rotazione per i tre assi per evitare problemi di blocco del cardanoIn secondo luogo, il controllo del disaggrega­mento, che elimina l'accoppiamento del moto tra i tre assi per garantire che il moto di ciascun asse sia indipendente e coordinato;che corregge i comandi di azionamento in tempo reale sulla base dei dati di feedback di misurazione per compensare gli errori di sistema e le interferenze esterneInfine, la pianificazione della traiettoria, che prevede le traiettorie di movimento dei tre assi (come la rotazione uniforme, la rotazione a velocità variabile, l'oscillazione sinusoidale, ecc.).) secondo i requisiti di prova per simulare atteggiamenti complessiAlcuni software di misurazione e controllo supportano anche modalità di controllo multiple come la modalità di posizione, la modalità di velocità esventolamodalità per soddisfare le esigenze di diversi scenari di prova.

Attualmente, i sistemi di controllo utilizzano per lo più PLC, DSP o computer industriali come nucleo di controllo, combinati con algoritmi di controllo avanzati (come il controllo PID, il controllo fuzzy,e controllo delle reti neurali) per ottenere un'alta precisione, controllo coordinato ad alta risposta dinamica, tra cui il controllo PID migliorato (come il PID adattivo) che può adattarsi alle caratteristiche non lineari e variabili nel tempo del sistema,migliorare efficacemente la precisione del controllo; mentre il controllo fuzzy e il controllo della rete neurale possono gestire le incertezze nel sistema, migliorare la capacità anti-interferenza del sistema e ottimizzare ulteriormente la stabilità della simulazione del movimento.

V. Principali sfide tecniche e misure di garanzia dell'accuratezza

La sfida principale nella simulazione del movimento a tre gradi di libertà di un giradischi di prova inerziale a tre assi risiede nel raggiungimento di un controllo coordinato con "alta precisione, alta stabilità,e elevata risposta dinamica." Questa precisione è influenzata da molti fattori, tra cui la struttura meccanica, il sistema di azionamento, il sistema di misurazione e il sistema di controllo.sono necessarie misure mirate di garanzia della precisione per garantire l'accuratezza e l'affidabilità della simulazione del movimento e soddisfare i severi requisiti di prova dei dispositivi inerziali;.

5.1 Sfide tecniche fondamentali

1- Errori di ortogonalità e di concentricità del sistema di assi: la precisione di ortogonalità e di concentricità dei tre assi influisce direttamente sulla precisione del calcolo dell'atteggiamento.Anche piccole deviazioni nel processo di lavorazione e assemblaggio possono portare a errori di simulazione dell'atteggiamentoIn particolare, i requisiti di precisione a livello di secondo d'arco pongono richieste estremamente elevate ai processi di lavorazione e assemblaggio.

2. Interferenza di accoppiamento di movimento: la nidificazione gerarchica dei tre fotogrammi porta a accoppiamento di movimento. Il movimento di un asse interferirà con l'atteggiamento degli altri assi.Soprattutto in scenari di movimento dinamico ad alta velocità, l'interferenza di accoppiamento influenzerà significativamente la precisione del controllo e richiede algoritmi di decoppiamento complessi per eliminare le interferenze.

3Errori di sistema e interferenze esterne: la zona morta del sistema di propulsione, la deriva zero del sistema di misurazione, le vibrazioni esterne e altri fattori possono tutti portare a errori di simulazione del movimento.Per migliorare la stabilità del sistema sono necessarie una compensazione degli errori e una progettazione anti-interferenza.

4. Equilibrio tra risposta dinamica e precisione: una risposta dinamica elevata richiede che il sistema di azionamento risponda rapidamente ai comandi di controllo, mentre un'elevata precisione richiede che il sistema funzioni senza intoppi.C'è una certa contraddizione tra i due.È necessario raggiungere un equilibrio tra i due ottimizzando l'algoritmo di controllo e la struttura meccanica,ad esempio utilizzando una struttura ad alta rigidità e un servo drive ad alta precisione per tenere conto sia della risposta dinamica che della stabilità operativa.

5.2 Misure di garanzia dell'accuratezza

1. lavorazione e assemblaggio di precisione: vengono utilizzati processi di lavorazione di alta precisione per garantire la precisione del sistema dell'albero dei tre telai; mediante assemblaggio e taratura di precisione,l'ortogonalità e la concentricità del sistema dell'albero sono regolate per ridurre gli errori meccanici■ allo stesso tempo, materiali ad alta rigidità e cuscinetti di precisione sono utilizzati per migliorare la stabilità strutturale, controllare la piattezza deltavolinoe la fuoriuscita della faccia finale entro 0,02 mm, e migliorare la capacità di carico (fino a 45 kg o più).

2Algorithmi avanzati di decoppiamento e controllo: calcolo dell' atteggiamento Quaternion è adottato per evitare problemi di blocco del cardano;L'interferenza di accoppiamento di movimento viene eliminata attraverso algoritmi quali il decoppiamento feedforward e il decoppiamento feedback.; l'algoritmo di controllo è ottimizzato, come ad esempio il PID adattivo e il controllo della rete neurale fuzzy,migliorare la velocità di risposta dinamica e la precisione di controllo del sistema e raggiungere un equilibrio tra risposta dinamica e precisione;

3Misurazione e compensazione degli errori ad alta precisione: per migliorare la precisione delle misurazioni vengono utilizzati codificatori angolari e sensori di velocità angolare ad alta precisione;un modello di errore è stabilito attraverso esperimenti di taratura per compensare gli errori di misura e gli errori di sistema in tempo reale;■ una struttura di ammortizzazione delle vibrazioni è adottata per ridurre le interferenze da vibrazioni esterne e garantire un funzionamento stabile del sistema.Alcuni dispositivi possono inoltre fornire rapporti di dati completi e verificabili che coprono tutte le posizioni, velocità e parametri meccanici per garantire l'affidabilità e la tracciabilità dei dati di prova.