[发明专利]基于三自由度球型电机的相对坐标变换算法及检测系统

说明书

技术领域

本发明涉及球型电机相对位置检测，尤其涉及的是基于三自由度球型电机的相对坐标变换算法及检测系统。

背景技术

常规电机一般只具有一个自由度，使得在空间中做多自由度运动往往需要多个常规电机进行配合运作。球型电机因其结构特殊性，使其具备多自由度运动的能力。当一个具备多自由度的球型电机搭载在一个机械关节处，能够有效的简化机械结构。目前，针对多自由度电机的研究已经在各个领域中展开，提出了具备三自由度的超声波电机，日本产业技术综合研究所提出了基于多面体划分的永磁直流球型电机，新加坡南洋理工大学提出的直流永磁球型电机。

各类球型电机的控制方法因其结构不同而异，而多自由度球型电机究其结构的多样性，其转子与定子的形状均脱离不出球型的范畴，因此多自由度球型电机的坐标变换具有一定的普适意义。坐标变换在捷联惯导系统中已经得到广泛应用。球型电机的坐标变换大多参照捷联惯导中类似的坐标变换提出的，一般都是转子坐标系相对于固有坐标系，而多自由度球型电机的一般都是用于各类球型关节，传统的绝对坐标变换难以给球型电机投入运用带来实质性进展。

球型电机因其结构空间延展性，其姿态检测影响电机的控制策略。针对球型电机目前针对球型电机的检测方法研究在国内外已经得到广泛的开展。如合肥工业大学提出了将球型电机的转子表面进行喷涂，用视觉传感器对转子进行位置检测，北京航天航空大学设计了以被动球关节作为检测机构的检测装置，内置了倾角传感器和光电编码器。新加坡南洋理工大学设计了以万向关节的检测方法。目前，基于球型电机的检测方法均以转子相对于大地坐标系的绝对位置检测，这种绝对位置检测给球型电机的应用于空间关节处带来困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了基于三自由度球型电机的相对坐标变换算法及检测系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：基于三自由度球型电机的相对相对坐标变换算法，定子、转子上对应安装姿态检测装置，对定子、转子姿态进行分别检测，包括如下步骤：

(1)定子姿态检测传感器检测三自由度球型电机定子坐标系R_s相对于地面坐标系R₀的定子转动欧拉角，获得方向余弦阵

(2)转子姿态检测传感器检测三自由度球型电机转子坐标系R_r相对于地面坐标系R₀的转子转动欧拉角，获得方向余弦阵

(3)将定子线圈在定子坐标系R_s中的位置转换到转子坐标系R_r中，在转子坐标系内定子线圈和转子永磁体之间的位置满足：其中，

作为上述方案的进一步优化，地面坐标系R₀绕x轴旋转角度α，绕y轴旋转角度β，绕z轴旋转γ得到定子坐标系R_s，且满足：

其中，

作为上述方案的进一步优化，地面坐标系R₀绕x轴旋转角θ，绕y轴旋转角度绕z轴旋转ψ得到转子坐标系R_r，且满足：

其中，

作为上述方案的进一步优化，方向余弦阵的矩阵行列式为1，可逆，且

作为上述方案的进一步优化，将代入得：

一种球型电机相对位置检测系统，包括上位机、微处理器和定子检测陀螺仪和转子检测陀螺仪，所述转子陀螺仪固定在球型电机的输出轴顶端，所述定子陀螺仪安装在球型电机的底座上，所述定子检测陀螺仪和所述转子检测陀螺仪的信号输出端与所述微处理器的信号输入端连接。

作为上述方案的进一步优化，定子检测陀螺仪对空间旋转角度检测，输出经过姿态解后，输出三个定子欧拉角，三个定子欧拉角旋转顺序遵循x-y-z的旋转顺序，建立定子旋转方向余弦阵R_s；

转子检测陀螺仪对空间旋转角度检测，输出经过姿态解后，输出三个转子欧拉角，三个转子欧拉角旋转顺序遵循x-y-z的旋转顺序，建立转子旋转方向余弦阵R_r；

DSP28335微处理器芯片读取所述定子检测陀螺仪和所述转子检测陀螺仪数据信号，并经数据信号进行滤波处理，并将定子检测陀螺仪和所述转子检测陀螺仪数据信号上传给上位机；

上位机基于相对坐标变换算法，将接受到的转子陀螺仪求得姿态解数据填入矩阵定子陀螺仪求得姿态解数据旋转角度填入矩阵计算球型电机的相对位置变换矩阵并由公式得到转子球体的位置姿态相对于定子位置姿态。