研究综述

（基于正交试验的六维加速度传感器的结构优化及动力学仿真）

由于产品性能的高精尖发展需求，指出了研究六维加速度传感器的必要性。根据待测加速度的作用部位来划分，六维加速度传感器有“质量块作用型”和“基座作用型”两大类。前者本质上属于六维力传感器的范畴，用于获取构件之间的相对六维加速度；后者又可以被细分为“多惯性质量块构型”和“单惯性质量块构型”两类，用于获取载体在惯性系中的绝对六维加速度。近十年来学者们所提出的六维加速度传感器的原理构型并不多，工作重心主要倾向于解耦算法的设计及改良。目前，六维加速度传感器的研究尚处于原理探索和论证阶段，距离最终的实用化还较远。六维加速度传感器的主要技术瓶颈在于解耦难度与结构复杂度之间存在矛盾，解决该问题的突破口是综合出一种结构简单的、耦合特性优越的机构，用于充当六维加速度传感器的弹性体结构。通过深入挖掘六维加速度传感器的解耦机理，找到瓶颈问题的突破口，同时针对亟需解决的关键技术和未来的发展趋势，继续致力于误差累积效应、数值稳定性、专用信号处理模块、标定平台及方法等关键技术问题的研究。

针对目前六维加速度传感器在研制过程中遇到的瓶颈，分别在位形空间内运用牛顿一欧拉方程以及在相空间内运用哈密顿正则方程推导出两类关于加速度六个分量的完全解耦算法。前者运用以牛顿运动定律为基础的矢量力学方法实现了六维加速的完全解耦，力和动量是其中的两个基本量；后者运用以变分原理为基础的分析力学方法进行解耦计算，力学函数和动能是其计算的两个基本量。为了进一步定量地对 比两类解耦算法 ，还要从精度 、效率和数值稳定性三方面展开研究 ，来寻找到每类算法的最佳适用场合。与传统算法相比，这两类算法均具有不依赖外部设备、不限制载体运动规律的优点。通过定性和定量对比两类算法数值求解精度、效率和稳定性，揭示了解耦机理，同时得到了六维加速度传感器解耦算法的五点选取原则。将实物样机安装在标准激振器上进行了实验测试，实验结果与理论分析相一致。

目前，国内外对加速度传感器的研究主要集中在三维加速度传感器上，极少有关于六维加速度传感器研究的报道，六维加速度传感器研制的主要瓶颈在于输入、输出信息量较多，系统的振动微分方程组强非线性耦合，加速度6个分量的实时、精确和稳定解耦十分困难。通过设计复杂的电桥可以从电路上实现输入信号的解耦，但由于该方法过分依赖于有限元软件的分析结果，且忽略了弹性体的小变形，解耦出的加速度存在精度低和横向灵敏度高等缺陷。Wang等在对六维加速度传感器实施解耦时，忽略了载体的角速度和旋转角度，得出的六维加速度是各单轴加速度计输出值的线性组合，故其算法仅适用于待测载体做微幅转动的场合。L in等六维加速度的测量装置上添加3个陀螺仪，用于角速度的直接测量，避免了角速度微分方程求解的繁琐，但该方法计算出的加速度分量只是在载体坐标系中的投影，并未实现完全解耦。于春战等从研究类人机器人腕用六维加速度传感器 的实践中体会到 ，正是人们对解耦算法没有实质性的突破或认识不足，使得六维加速度传感器的研究仍然停留在原理论证阶段。

针对一般惯性类传感系统(如捷联惯性导航系统)的误差累积问题，通常采用数据融合、旋转调制等技术对测量误差实施补偿，但精度的提高却增大了系统复杂度和成本、破坏了解算实时性。通过融合位形空间和相空间内的解耦算法，推导出关于八个Hamilton转动参量的常微分方程组以及广义加速度关于转动参量的一次多项式，共同构成了新的混合解耦算法，该算法能够很好地从机理上解释此类系统的误差累积效应。其次，通过剖析混合算法的基本结构及其中间参量的影响因素，找到了产生误差累积效应的根本原因。选取角速度、角位移的方向交替点为系统的振动状态特征点，推导了特征点与 Hamilton 变量的映射关系，并据此定义两个状态观测量。基于观测量的局部小值和特征阈值，构建了一种半闭环结构的误差自补偿算法找到了两类状态特征点所对应的广义坐标、广义动量的确定值，据此给出了一种不依赖于外部辅助设备的误差自补偿算法。 样机试验结果显示:混合解耦算法的计算精度明显高于纯空间算法，加入误差自补偿算法后，关键参量的相轨迹得到明显收敛，且未破坏整个算法的实时性，该方案有效缓解了误差累积效应。

目前基于不同工作原理的多维微型加速度传感器纷纷推出，如压电式、压阻式、电容式和光纤位移式等。传统方法采用的传感思路是将多个加速度计和多个陀螺仪组合在一起进行测量，缺陷是对单个传感器的安装精度要求极高，不利于工程实现。R．Puers等设计了一体化的三维电容式微型加速度传感器，质量块固定在四个对称的横梁上，形成了四个电容。Kijin Kwon等利用整体微细加工与硅直接粘合技术研制了一种一体化的三维压阻式微型加速度传感器。由于这些传感器研制成本高，没有得到广泛的应用，而且也不能同时检测同一空间坐标系中运动对象的角加速度。

本课题提出了一种基于单惯性质量块的一体化结构六维多维加速度传感器设计，可实现空间坐标系中被测对象的三维线加速度和三维角加速度。通过有限元仿真分析弹性体的静态和动态特性，从而得到的各轴向载荷作用下的应变，表明该结构具有较高的灵敏度，各轴向的灵敏度也比较接近，自解耦性高并且结构工艺简单。在弹性体有限元模型的基础上，可按照传感器各轴向灵敏度及其一致性和固有频率等目标进行结构尺寸的优化，为传感器性能提高提供有效的设计依据。

六维加速度传感器是一类多学科交叉的机一体化系统，是机器人、航空航天、生物医疗等领域获得动力学参数的一种新型惯性测量仪器。追求性能优越往往是传感器设计的宗旨。然而，由于涉及到复杂的耦合运动以及较多的输入、输出物理量，目前国内外对六维加速度传感器的研究还主要停留在原理论证阶段，对其性能建模及结构优化这两方面的研究还不多。