工業(yè)檢測機器人的運動控制與數(shù)據(jù)傳輸研究-重點實驗室項目申報書(編輯修改稿)
2025-02-13 23:33 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 捷聯(lián)導(dǎo)航理論和卡爾曼濾波理論的研究，對工業(yè)機器人進行行走控制。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)基本工作原理是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過測量線加速度計和陀螺儀輸出值，再根據(jù)相應(yīng)的坐標變換，由加速度計和陀螺的輸出參數(shù)解算得到飛行體姿態(tài)信息。由運動學(xué)理論可知，要完整的描述一個物體在空間的運動情況，需要至少 6 個獨立的參數(shù)信息，其中有三個參量用于表示物體質(zhì)心處的平動信息，另外三個用以表示物體繞質(zhì)心處的轉(zhuǎn)動情況，在捷聯(lián)導(dǎo)航系統(tǒng)中，通常由三個加速度計測量載體的平動信息，載體繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動則由三個陀螺儀來量測。但是通過研究可以得出，如果當(dāng)載體相對某一參考坐標系的牽連運動形式是轉(zhuǎn)動的情況時，那么在載體非質(zhì)心處的加速度信息中將涵蓋著相關(guān)的角速度信息。所以，在運動載體非質(zhì)心位置合理的放置足夠多的線加速度計，根據(jù)各只加速度計安裝位置和敏感方向便可將加速度計的輸出信息中涵蓋的角速度信息提取出來，這便是依靠線加速度計獲取到角速度信息的理論基礎(chǔ)。而載體導(dǎo)航信息的獲取是經(jīng)過各個坐標系之間的特定轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)的，因此選取合適的參考坐標系是非常重要的，它將影響到整個導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和復(fù)雜度。在捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，較為常用的參考坐標系通常為以下幾種：（1）、地心慣性坐標系以地球的中心作為坐標系原點構(gòu)成右手直角坐標系, 軸的選取為地心指向北極的方向，軸、在地球赤道平面內(nèi)且兩個軸分別指向兩顆恒星與地軸相垂直并符合右手定律。因此，對于在地球表面附近運動的載體選用慣性坐標系作為參考基準是非常合理的。通常將地心慣性系記作，也簡稱為i系。（2）、地球坐標系地球系坐標原點與慣性系的原點重合，均在地球中心處，它相對于慣性系以地球自轉(zhuǎn)角速率 /h旋轉(zhuǎn)，坐標系中在赤道平面內(nèi)，軸與軸重合，軸指向格林威治經(jīng)度線，軸的指向為東經(jīng) 900 的方向。將地球系記作，也簡稱作 e 系；（3）、地理坐標系地理坐標系是根據(jù)載體導(dǎo)航的需要建立在載體上的坐標系，其原點O與載體中心重合，通常簡稱為東、北、天坐標系，其中指向東，即 E 向；則指向北，即 N 向；沿垂線方向指向天。將地理系記作，也簡稱為 t 系；（4）、導(dǎo)航坐標系 導(dǎo)航坐標系是在計算導(dǎo)航參數(shù)時而作為導(dǎo)航計算基準的坐標系。通?？蓪⑸鲜鼋榻B的地理系選為導(dǎo)航坐標系，有時在地球極區(qū)附近選取軸與軸重合，而使 與 軸，軸與軸存在一個角度的方位關(guān)系。將導(dǎo)航坐標系記為，也簡稱為n系，如圖所示；（5）、載體坐標系載體坐標系是建立在運動載體上的坐標系，一般選取載體質(zhì)心作為該坐標系的原點，其中軸沿著載體縱軸并且指示載體運動的方向；軸指向運動載體的縱軸方向；軸、和之間兩兩正交構(gòu)成右手直角坐標系，指向豎軸方向。將載體系記作，可以簡稱為 系。在研究導(dǎo)航中經(jīng)常應(yīng)用載體系與導(dǎo)航系的坐標變換關(guān)系。其中e系到b系位置轉(zhuǎn)換矩陣，通常情況下，同一載體以東北天方向為例，此時選取導(dǎo)航系與地理系重合，為載體所在位置對應(yīng)的經(jīng)度，為載體所在位置對應(yīng)的緯度。地球系與導(dǎo)航系空間轉(zhuǎn)動關(guān)系可以用矩陣，其坐標變化公式為： b系到n系是按一定順序經(jīng)三次旋轉(zhuǎn)而得，轉(zhuǎn)動關(guān)系可用捷聯(lián)矩陣表示，式中為航向角，為俯仰角，為滾轉(zhuǎn)角。當(dāng)接近目標時，利用超聲波和圖像傳感器對機器人進行精確定位控制，利用理論與實驗并重的雙重研究方法，在可靠性理論及完整性實驗的基礎(chǔ)上為工業(yè)檢測導(dǎo)航定位提供可靠性很高的參考價值?；诔暡夹g(shù)的精密檢測方法，通常需要精確地測量超聲波在介質(zhì)中的傳輸時間．目前利用超聲波的傳輸時間特性已經(jīng)實現(xiàn)并完成了許多領(lǐng)域測量方面的任務(wù)，人們利用測量超聲波的傳輸時間特性實現(xiàn)了流量、溫度等方面的研究．２０世紀７０年代超聲波進入工業(yè)領(lǐng)域，９０年代中期計算機軟硬件和高速數(shù)字信號處理技術(shù)的快速發(fā)展，使得利用超聲波傳輸時間對流量、溫度、液位和距離等參數(shù)進行精密測量得以迅速推廣和應(yīng)用．對超聲波傳輸時間的測量方法中最常見的測時方法是脈沖計數(shù)法，測時的分辨率決定了此方法的測量精度．通常情況下，為了提高測時分辨率，只能不斷提高計時脈沖的頻率．如果要求測時精度達到ｎｓ級，則相應(yīng)的計時脈沖頻率必須達到ＧＨｚ量級以上．提高計時脈沖的頻率就等于增加計數(shù)器的位數(shù)，從而加大硬件成本的開銷超聲波在介質(zhì)中傳輸時就載上了傳輸介質(zhì)的信息，因此通過檢測接收到的超聲波回波信號就可以間接測量所需介質(zhì)的信息．例如，時差法超聲波流量計中利用超聲波傳輸時間來測量介質(zhì)流速、流量等信息．超聲波在潔凈水中的傳輸速度約為1450m/s，即380ns。％的測量精度，因此對超聲波傳輸時間的測量必須穩(wěn)定在ns級水平范圍內(nèi)．又例如超聲波溫度計中傳輸距離不變時利用不同超聲波傳輸時間精密測量溫度，如20℃和21℃，則在20℃和21℃，其時間差為１．５２μｓ．要保證測量達到０．００１℃的測量分辨率，最大誤差為１．５ｎｓ，則要求對超聲波傳輸時間的測量要小于１．５ｎｓ．針對上述問題，作者提出了一種精密測量超聲波傳輸時間的方法，并對其中的一些關(guān)鍵技術(shù)加以說明．該方法不但有效解決了精密測量超聲波傳輸時間的關(guān)鍵問題，而且保證超聲波傳輸時間的測量達到了ns級，乃至ps級的精度CMOS 圖像傳感器的研究始于20 世紀60 年代末，受當(dāng)時工藝技術(shù)的限制，發(fā)展和應(yīng)用有限。直到20世
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