適用于運動載體的姿態(tài)模擬與實時測量裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種適用于運動載體的姿態(tài)模擬與實時測量裝置。包括網(wǎng)絡(luò)終端單元組、測姿搭載平臺、直線運動單元組、適配器、可編程控制器和存儲處理設(shè)備，其中：網(wǎng)絡(luò)終端單元組用于采集并處理網(wǎng)絡(luò)信息，并傳送至適配器和存儲處理設(shè)備；測姿搭載平臺用于搭載對象的姿態(tài)和位置模擬；直線運動單元組用于為測姿搭載平臺提供驅(qū)動；適配器用于可編程運動單元組與可編程運動控制器之間的信號調(diào)制和電路切換；可編程運動控制器用于為直線運動單元組提供指令信息；存儲處理設(shè)備用于實時存儲指令信息和收發(fā)的數(shù)據(jù)，并輸出搭載對象的實時姿態(tài)。
【專利說明】
適用于運動載體的姿態(tài)模擬與實時測量裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型隸屬于導(dǎo)航定位和網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其是涉及一種適用于運動載體的姿態(tài)模擬與實時測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]運動載體的姿態(tài)信息是載體遂行導(dǎo)航、制導(dǎo)、航跡規(guī)劃等任務(wù)的基本運動參數(shù)，尤其是在載體的三維運動中，載體的姿態(tài)信息與載體的位置和速度信息互相耦合，因此其精確度、可靠度和連續(xù)性直接影響著載體的任務(wù)完成。近年來，國內(nèi)外在運動載體的姿態(tài)測量與估計方向取得了豐碩的研究成果，新興的高效姿態(tài)測量/估計算法層出不窮;但是，新興的姿態(tài)測量方案或估計算法大多停留在理論研究階段，多數(shù)算法在研究過程中無法充分考慮實際應(yīng)用背景下的工程約束和各類干擾，這嚴(yán)重阻滯了理論成果向工程應(yīng)用的推廣。因此，運動載體姿態(tài)測量/估計方案的通用驗證裝置就自然成為連接理論成果與工程應(yīng)用的重要紐帶。
[0003]運動載體的姿態(tài)模擬與實時測量裝置包括運動姿態(tài)的模擬和姿態(tài)信息的測量/估計兩部分。運動姿態(tài)的模擬是遂行測姿方案性能驗證的前提，模擬的核心是激勵并驅(qū)動模擬平臺實現(xiàn)所需的精確的參考運動姿態(tài)，主流的設(shè)計方案包括電液控制式六自由度運動姿態(tài)模擬系統(tǒng)、水底姿態(tài)模擬裝置伺服控制系統(tǒng)、飛行器姿態(tài)模擬器(轉(zhuǎn)臺)、振動環(huán)境姿態(tài)模擬系統(tǒng)等，廣泛應(yīng)用于車輛平衡檢測、單兵虛擬訓(xùn)練、飛行姿態(tài)模擬、運動姿態(tài)控制與仿真、衛(wèi)星姿態(tài)控制等領(lǐng)域。以該運動姿態(tài)模擬系統(tǒng)的參考信息為基礎(chǔ)，可以實現(xiàn)半實物系統(tǒng)下姿態(tài)信息的測量/估計，驗證相關(guān)姿態(tài)測量/估計方案和算法的接近工程應(yīng)用背景條件下的實際性能，為此類算法的工程應(yīng)用提供更具可信度的驗證結(jié)果。
[0004]目前常用的姿態(tài)模擬系統(tǒng)多以萬向轉(zhuǎn)軸和托舉平臺為主要構(gòu)件，投資大，成本高，移動不便，且對被測對象的體積和均有很大程度地限制，難以滿足多種應(yīng)用環(huán)境下的姿態(tài)模擬需求;尤其是無線網(wǎng)絡(luò)信源和長距傳輸環(huán)境下的姿態(tài)測量場景，對于姿態(tài)模擬系統(tǒng)的室外應(yīng)用和搭載平臺體積有著多種多樣的要求。因此設(shè)計更加通用的、裝卸方便、調(diào)整靈活、成本適度的，適用于運動載體的姿態(tài)模擬與實時測量裝置就顯得尤為迫切。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]為解決上述的一個或多個問題，本實用新型提供了一種適用于運動載體的姿態(tài)模擬與實時測量裝置，目的是為運動載體的姿態(tài)模擬和測量提供一體化的通用演示驗證平臺。
[0006]根據(jù)本實用新型的一個方面，提供了一種適用于運動載體的姿態(tài)模擬與實時測量裝置，其特征在于，包括網(wǎng)絡(luò)終端單元組(I)、測姿搭載平臺(2)、直線運動單元組(3)、適配器(4)、可編程運動控制器(5)和存儲處理設(shè)備(6)六個部分，其中:
[0007]直線運動單元組(3)至少為四個，由運動滑塊(31)、剛性直線滑道(32)和相關(guān)電纜組成，剛性直線滑道(32) —端固定于基座，另一端與運動滑塊(31)連接。
[0008]測姿搭載平臺(2)由適當(dāng)形狀尺寸的套桿組合件(21)、剛性平臺(22)和鉚接組件
(23)組成，剛性套桿(21)通過鉚接組件(23)與運動滑塊(31)連接;運動滑塊(31)沿剛性直線滑道(32)垂直運動時通過鉚接組件(23)帶動剛性套桿(21)運動，剛性套桿(21)帶動剛性平臺(22)運動;套桿組合件(21)包括剛性套桿(211)和套桿桿芯(212)，剛性套桿(211)和套桿桿芯(212)通過鉚接組件(23)分別與不同的直線運動單元(3)的運動滑塊(31)連接，套桿桿芯(212)通過嵌套方式連接在剛性套桿(211)的內(nèi)壁。
[0009]網(wǎng)絡(luò)終端單元組(I)至少為七個，由串行通信接口(11)、無線傳輸裝置(12)和狀態(tài)指示模塊(13)組成，通過連接件固定于剛性平臺(22)，其中至少四個網(wǎng)絡(luò)終端單元組(I)布置在直線運動單元組(3)的四周，作為網(wǎng)絡(luò)定位信標(biāo)，根據(jù)組網(wǎng)協(xié)議發(fā)送信標(biāo)信息，另外至少三個網(wǎng)絡(luò)終端單元組(I)根據(jù)共面不共線的原則固定在剛性平臺(22)上，作為剛性平臺
(22)姿態(tài)的特征點，至少三個網(wǎng)絡(luò)終端單元組(I)分別通過接收來自網(wǎng)絡(luò)定位信標(biāo)的信息解算出各自的定位信息，并將定位信息通過無線信道發(fā)送至存儲處理設(shè)備(6)，在存儲處理設(shè)備(6)中實時解算出剛性平臺(22)的三維姿態(tài)。
[0010]適配器(4)由電纜接口(41)、信號調(diào)制板卡(42)、電路切換單元(43)、數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(44)組成，前端通過線纜與直線運動單元組(3)連接，后端通過線纜與可編程運動控制器(5)連接。
[0011]可編程運動控制器(5)由處理器板(51)、現(xiàn)場總線接口板(52)、反饋傳感器組
(53)、運動軌跡規(guī)劃模塊(54)、內(nèi)置電源模塊(55)組成，前端通過線纜與適配器(4)的電纜接口(41)連接，后端通過線纜與存儲處理設(shè)備(6)連接;用于被測對象運動狀態(tài)的模擬、I/O轉(zhuǎn)換、輸出和反饋?？删幊踢\動控制器(5)的控制指令信號經(jīng)過適配器(4)的處理后，通過相關(guān)線纜傳輸?shù)竭\動滑塊(31)，驅(qū)動運動滑塊(31)沿剛性直線滑道(32)進行垂直運動，多個運動模塊(31)依據(jù)控制指令信號的垂直運動，通過鉚接組件(23)與剛性平臺(22)形成聯(lián)動，直至剛性平臺(22)到達指定的姿態(tài)角。
[0012]處理器板(51)，用于被測對象運動狀態(tài)激勵信息和反饋信息的解算與處理。
[0013]運動軌跡規(guī)劃模塊(54)，內(nèi)置被測對象的運動狀態(tài)和干擾因素的數(shù)學(xué)模型，用于被測對象的軌跡規(guī)劃，輸出規(guī)劃軌跡下的被控對象的模擬運動姿態(tài)激勵和浮沉激勵。
[0014]反饋傳感器組(53)，用于所述直線運動單元組(I)垂直運動反饋信號的接收與修正。
[0015]內(nèi)置電源模塊(55)，用于模擬運動姿態(tài)和浮沉信號的激勵生成，以及反饋信號/修正信號的激勵生成，并為處理器板(51)、現(xiàn)場總線接口板(52)、反饋傳感器組(53)、運動軌跡規(guī)劃模塊(54)提供標(biāo)準(zhǔn)電源。
[0016]存儲處理設(shè)備(6)由存儲設(shè)備(61)、處理設(shè)備(62)、鍵盤八氧標(biāo)組件(63)、顯示設(shè)備
(64)和無線收發(fā)設(shè)備(65)組成，處理設(shè)備(62)內(nèi)置可編程運動控制器(5)的指令信息、網(wǎng)絡(luò)終端單元組(I)的收發(fā)驅(qū)動信息、搭載對象的運動模型和擾動模型、以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和測姿相關(guān)算法，輸出搭載對象的實時姿態(tài)信息。用于所述可編程運動控制器(5)、網(wǎng)絡(luò)終端單元組
(I)等的激勵、采集和反饋信號的存儲、處理、顯示和反饋。
[0017]本實用新型適用于運動載體的姿態(tài)模擬與實時測量裝置具有下列有益效果:
[0018](I)本實用新型通過可編程運動控制器實現(xiàn)載體姿態(tài)的建模和指令生成，通過多個直線運動單元實現(xiàn)對可編程運動控制器的指令分解，最終通過直線運動單元與搭載平臺的同步運動實現(xiàn)載體姿態(tài)的動態(tài)模擬；
[0019](2)通過搭載平臺上多個網(wǎng)絡(luò)終端單元的獨立采集和處理網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)輔助信息，實現(xiàn)搭載平臺多個關(guān)鍵定位點的分布式同步感知，該同步感知信息經(jīng)并行處理和信息融合可在線解算出搭載平臺的姿態(tài)信息；
[0020](3)搭載平臺尺寸和幾何構(gòu)型可通過實際測量需要而調(diào)整，以滿足不同運動平臺的多樣化需求;網(wǎng)絡(luò)終端單元的位置可通過被測載體的多樣需求而自由調(diào)整，易于刪減，擴展性好。
【附圖說明】
[0021]圖1為本實用新型實施例適用于運動載體的姿態(tài)模擬與實時測量裝置的示意圖，圖中:
[0022]1-網(wǎng)絡(luò)終端單元組11-串行通信接口
[0023]12-無線傳輸裝置13-狀態(tài)指示模塊
[0024]2-測姿搭載平臺21-套桿組合件
[0025]22-剛性平臺23-鉚接組件
[0026]3-直線運動單元組31-運動滑塊
[0027]32-剛性直線滑道4-適配器
[0028]41-電纜接口42-信號調(diào)制板卡
[0029]43-電路切換單元44-數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換單元
[0030]5-可編程運動控制器51-處理器板
[0031]52-現(xiàn)場總線接口板53-反饋傳感器組
[0032]54-運動軌跡規(guī)劃模塊55-電源模塊
[0033]6-存儲處理設(shè)備61-存儲設(shè)備
[0034]62-處理設(shè)備63-鍵盤八氧標(biāo)組件
[0035]64-顯示設(shè)備65-無線收發(fā)設(shè)備
[0036]圖2為本實用新型實施例適用于運動載體的姿態(tài)模擬與實時測量裝置的運動姿態(tài)模擬原理流程圖；
[0037]圖3為本實用新型實施例適用于運動載體的姿態(tài)模擬與實時測量裝置的網(wǎng)絡(luò)化姿態(tài)測量原理流程圖。
【具體實施方式】
[0038]為使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照例圖，對本實用新型進一步詳細說明。雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計約束內(nèi)近似于所述值。
[0039]圖1為本實用新型實施例適用于運動載體的姿態(tài)模擬與實時測量裝置的示意圖。如圖1所示，運動載體的姿態(tài)模擬與實時測量裝置包括網(wǎng)絡(luò)終端單元組(1)、測姿搭載平臺
(2)、直線運動單元組(3)、適配器(4)、可編程運動控制器(5)和存儲處理設(shè)備(6)六個部分。其中:所述網(wǎng)絡(luò)終端單元組(I)，用于采集并處理網(wǎng)絡(luò)輔助信息，并將網(wǎng)絡(luò)輔助信息的處理結(jié)果發(fā)送至適配器(4)和存儲處理設(shè)備(5);所述測姿搭載平臺(2)，用于結(jié)合固連的網(wǎng)絡(luò)終端單元組(I)和可編程運動控制器(5)的搭載對象的姿態(tài)和位置模擬，為網(wǎng)絡(luò)終端單元組
(1)提供指令信息和環(huán)境信息;所述直線運動單元組(3)，用于結(jié)合可編程運動控制器(5)的指令信息，為測姿搭載平臺(2)的姿態(tài)和位置的模擬提供驅(qū)動和執(zhí)行裝置;所述適配器(4)，用于直線運動單元組(3)或網(wǎng)絡(luò)終端單元組(I)與可編程運動控制器(5)之間的信號調(diào)制設(shè)備和電路切換單元;所述可編程運動控制器(5)，用于根據(jù)搭載對象的運動數(shù)學(xué)模型，為直線運動單元組(3)提供指令信息;所述存儲處理設(shè)備(6)，用于實時存儲可編程運動控制器(5)的指令信息和網(wǎng)絡(luò)終端單元組(I)的收發(fā)信息，并結(jié)合搭載對象的運動模型和擾動模型、以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和測姿相關(guān)算法，輸出搭載對象的實時姿態(tài)信息。
[0040]由于本實用新型實施例采用至少七個網(wǎng)絡(luò)終端單元組(I)，其中三個固連于剛性平臺(22)上共面不共線的位置上，分別獨立采集并處理其他至少四個網(wǎng)絡(luò)終端單元組(I)提供定位信標(biāo)信息，進而解算出三個網(wǎng)絡(luò)終端單元組(I)處的位置測量信息，從而通過存儲處理設(shè)備(6)實時解算出測姿搭載平臺(2)的三維姿態(tài)。
[0041]測姿搭載平臺(2)通過套桿組合件(22)與直線運動單元組(3)連接，四個直線運動單元組(3)分別通過連接線纜與適配器(4)連接，適配器(4)通過連接線纜與可編程運動控制器(5)連接，而可編程運動控制器(5)通過連接線纜與存儲處理設(shè)備(6)連接。各網(wǎng)絡(luò)終端單元(I)均為Ad-hoc節(jié)點裝置，即采用Ad-hoc節(jié)點裝置作為無線傳輸?shù)氖侄危?，只要能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)終端單元(I)、可編程運動控制器(5)和存儲處理設(shè)備(6)的相互連通，也可以采用Zigbee、WiF1、藍牙等其他無線傳輸手段。
[0042]如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)終端單元(I)由串行通信接口(11)、無線傳輸裝置(12)和狀態(tài)指示模塊(13)組成。串行通信接口(II)包括SO-DIMM 200接口、電源轉(zhuǎn)換電路和UART接口 ；狀態(tài)指示模塊(13)包括ARM處理器、SDRAM存儲器和NAND FLASH存儲器。
[0043]如圖2所示，在姿態(tài)模擬過程中，可編程運動控制器(5)的指令信息通過對被測對象的先驗運動規(guī)律和干擾因素抽象建模得到，裝載在運動控制器的存儲單元中；其指令信息以數(shù)字信號形式通過連接線纜傳輸至適配器(4);再經(jīng)適配器(4)中數(shù)模變換單元轉(zhuǎn)換為模擬信號;經(jīng)轉(zhuǎn)接電路分配后經(jīng)連接線纜同時加載到多個直線運動單元組(3)，帶動各自的運動滑塊(31)在各自的直線運動滑道(32)中分別進行垂直滑動。與滑動模塊(31)固連的四個鉚接組件(23)通過與剛性套桿(211)的鉚接，帶動固連在剛性套桿(211)上的搭載平臺
(2)的各邊的運動，最終實現(xiàn)搭載平臺(2)按照可編程運動控制器(5)的指令信息的載體姿態(tài)模擬。
[0044]如圖3所示，在姿態(tài)測量過程中，首先由固定在剛性平臺(22)上的三個網(wǎng)絡(luò)終端單元(I)按照TDMA時序同步接收到其他至少四個網(wǎng)絡(luò)終端單元(I)的信標(biāo)位置信息，固定在剛性平臺(22)上的三個網(wǎng)絡(luò)終端單元(I)并行解算出各自無線傳輸裝置(12)距離信標(biāo)節(jié)點的相對距離，經(jīng)狀態(tài)指示模塊(13)解算得出本網(wǎng)絡(luò)終端單元(I)的位置信息，分別經(jīng)串行通信模塊(11)通過連接線纜傳輸至適配器(4)，模數(shù)變換后經(jīng)連接線纜傳輸至存儲處理設(shè)備
(5)，固定在剛性平臺(22)上的三個網(wǎng)絡(luò)終端單元(I)的位置信息在數(shù)據(jù)處理單元中經(jīng)融合算法解算得出搭載平臺(2)的姿態(tài)估計結(jié)果。至此，上述姿態(tài)模擬過程和姿態(tài)測量過程構(gòu)成了運動物體的姿態(tài)模擬與網(wǎng)絡(luò)化姿態(tài)測量驗證裝置兩項主要功能。
[0045]依據(jù)本實用新型所說明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和連接結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了一個適用于運動載體的姿態(tài)模擬與實時測量裝置。無線傳輸裝置(12)采用遠距離UWB無線傳輸模塊，其最大視距傳輸距離為2.5千米，工作頻段2.380GHz?2.500GHz ；狀態(tài)指示模塊(13)采用處理器ATmegal28 ；測姿搭載平臺(2)采用PVC+鋁合金框架組合;直線運動滑道(32)采用THK直線導(dǎo)軌，滑軌高2.5米;運動滑塊(32)采用THK LS1027導(dǎo)軌直線滾動單元;可編程運動控制器(5)采用美國UMAC八軸控制系統(tǒng);存儲處理設(shè)備采用工控機或其他高性能工作站設(shè)備。按照實用新型所述，各個部分相應(yīng)布局后得到該裝置。
[0046]以上所述的具體實施例，對本實用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.適用于運動載體的姿態(tài)模擬與實時測量裝置，其特征在于，包括網(wǎng)絡(luò)終端單元組(I)、測姿搭載平臺(2)、直線運動單元組(3)、適配器(4)、可編程運動控制器(5)和存儲處理設(shè)備(6)，其中: 直線運動單元組(3)由運動滑塊(31)、剛性直線滑道(32)和相關(guān)電纜組成，剛性直線滑道(32) —端固定于基座，另一端與運動滑塊(31)連接； 測姿搭載平臺(2)由適當(dāng)形狀尺寸的套桿組合件(21)、剛性平臺(22)和鉚接組件(23)組成，剛性套桿(21)通過鉚接組件(23)與運動滑塊(31)連接;運動滑塊(31)沿剛性直線滑道(32)垂直運動時通過鉚接組件(23)帶動剛性套桿(21)運動，剛性套桿(21)帶動剛性平臺(22)運動; 網(wǎng)絡(luò)終端單元組(I)由串行通信接口(11)、無線傳輸裝置(12)和狀態(tài)指示模塊(13)組成，通過無線傳輸裝置(12)將定位信息發(fā)送至存儲處理設(shè)備(6); 適配器(4)由電纜接口(41)、信號調(diào)制板卡(42)、電路切換單元(43)、數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(44)組成，前端通過線纜與直線運動單元組(3)連接，后端通過線纜與可編程運動控制器(5)連接; 可編程運動控制器(5)由處理器板(51)、現(xiàn)場總線接口板(52)、反饋傳感器組(53)、運動軌跡規(guī)劃模塊(54)、電源模塊(55)組成，前端通過線纜與適配器(4)的電纜接口(41)連接，后端通過線纜與存儲處理設(shè)備(6)連接； 存儲處理設(shè)備(6)由存儲設(shè)備(61)、處理設(shè)備(62)、鍵盤八氧標(biāo)組件(63)、顯示設(shè)備(64)和無線收發(fā)設(shè)備(65)組成，處理設(shè)備(62)中裝載著可編程運動控制器(5)的指令信息、網(wǎng)絡(luò)終端單元組(I)的收發(fā)驅(qū)動信息、搭載對象的運動模型和擾動模型、以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和測姿相關(guān)算法。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于運動載體的姿態(tài)模擬與實時測量裝置，其特征在于:所述直線運動單元組(3)為至少為四個。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于運動載體的姿態(tài)模擬與實時測量裝置，其特征在于，所述測姿搭載平臺(2)的套桿組合件(21)包括剛性套桿(211)和套桿桿芯(212)，剛性套桿(211)和套桿桿芯(212)通過鉚接組件(23)分別與不同的直線運動單元(3)的運動滑塊(31)連接，套桿桿芯(212)通過嵌套方式連接在剛性套桿(211)的內(nèi)壁。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于運動載體的姿態(tài)模擬與實時測量裝置，其特征在于，網(wǎng)絡(luò)終端單元組(I)至少為七個，其中至少三個網(wǎng)絡(luò)終端單元組(I)固定在剛性平臺(22)上，另外至少四個網(wǎng)絡(luò)終端單元組(I)布置在直線運動單元組(3)的四周。
【文檔編號】G01C25/00GK205619940SQ201620422651
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年5月10日
【發(fā)明人】趙國榮, 高超, 盧建華, 曾賓, 劉帥
【申請人】中國人民解放軍海軍航空工程學(xué)院