一种基于磁场信息的平面二自由度位移测量方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN109405725A(43)申请公布日2019.03.01(21)申请号201811157806.6(22)申请日2018.09.30(71)申请人清华大学地址100084北京市海淀区100084信箱82分箱清华大学专利办公室(72)发明人胡金春朱煜杜胜武韩如锦田畅张鸣尹文生成荣(74)专利代理机构北京鸿元知识产权代理有限公司11327代理人邸更岩(51)Int.Cl.G01B7/02(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图4页(54)发明名称一种基于磁场信息的平面二自由度位移测量方法(57)摘要本发明是一种基于磁场信息的平面二自由度位移测量方法，该方法利用非周期磁场信息实现位移测量，在相对运动的物体上分别固定永磁体和磁传感器阵列，永磁体产生磁场信息，按一定规则布局的磁传感器阵列检测磁场信息。该发明中采用勒让德正交多项式结构建立磁传感器测量模型，然后提出测量模型参数和位移同时在线求解的解算方法，保证每个测量点处的测量模型准确度，从而实现精密位移测量。本发明可以解决由于测量模型精确度不高而导致的基于磁场信息实现位移测量精度低的问题，该测量方法可应用于制造装备或机器人等运动系统中。CN109405725ACN109405725A权利要求书1/1页1.一种基于磁场信息的平面二自由度位移测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1)在相对运动的定子和动子上分别固定永磁体和磁传感器阵列，在永磁体上建立定坐标系OXYZ，在磁传感器阵列上建立动坐标系O'X'Y'Z'；T2)在动坐标系O'X'Y'Z'下，设磁传感器阵列中第i个磁传感器的安装坐标为(xi0,yi0)，其中i＝1,2,...,n，n为传感器个数；3)在定坐标系OXYZ下，第i个磁传感器的坐标为(xi,yi)；4)在初始测量时刻，设定坐标系OXYZ与动坐标系O'X'Y'Z'相重合，在某一时刻tk，磁传感器的平面二自由度位移为[x,y]T，即动坐标系O'X'Y'Z'原点在定坐标OXYZ中的位置，则TTT该时刻第i个磁传感器在定坐标系OXYZ中的位置为[xi,yi]＝[xi0,yi0]+[x,y]；5)建立磁传感器的位移测量模型为f(P,x,y)，P为模型参数，P＝[a00,a01,...,amn]，其中，amn为模型参数P中的变量，则第i个磁传感器的坐标方程为fi(P,xi,yi)，并建立定坐标系的零点约束方程fc1(0,y)与fc2(x,0)，设磁传感器位移测量模型和约束方程的向量为：TF(X)＝[f1(P,x1,y1),f2(P,x2,y2),…,fn(P,xn,yn),fc1(P,0,y),fc2(P,x,0)]TT其中，X＝[P,x,y]；同时，设tk时刻检测信息向量为Y(tk)＝[y1,y2,...,yn,0,0]，其中Y(tk)中后两项是零点约束方程的值；6)在tk时刻求解模型参数P和测量位移x、y，求解时首先通过前一个时刻的求解量X1(tk-1)对当前时刻的求解量X(tk)进行预测，预测量为X(tk)，然后利用检测信息向量Y(tk)，并采用迭代式计算进行更新，实现模型参数P和位移的求解；求解方法的具体步骤如下：1a).求解方法初始化：令j＝1，设X(tk)＝X(tk-1)，迭代次数为q；b).计算雅克比矩阵：继而更新该时刻的位移，如下式：j+1jjTj-1jTjX(tk)＝X(tk)+[J(X(tk))J(X(tk))]J(X(tk))[Y(tk)-F(X(tk))]c).判断：若j≤q，则更新迭代次数j＝j+1，返回步骤b)，否则，终止迭代，转为步骤d)；j+1d).终止迭代，第tk时刻的位移为X(tk)＝X(tk)，完成位移的测算。2.根据权利要求1所述的一种基于磁场的二自由度位移测量方法，其特征在于：步骤5)中采用二维勒让德正交多项式来构建位移测量模型f(P,x,y):其中：lx,Cx,ly,Cy为常数，Px,Py为一维勒让德正交多项式，将x,y归一化到[-1,1]范围内。2CN109405725A说明书1/4页一种基于磁场信息的平面二自由度位移测量方法技术领域[0001]本发明设计一种二自由度的位移测量方法，特别涉及适用于基于磁场信息的平面二自由度位移测量。背景技术[0002]随着工业4.0的提出，精密制造成为了一个国家经济发展的重要支柱，位移测量也越来越广泛地应用到工业领域中，而精密位移测量技术是制造精密仪器的基础，决定了整个制造业的制造精度，其中精密位移测量技术涉及精密仪器的加工制造、集成电路、航空航天、机器人制造等领域。位移测量的核心部分就是利用各个传感器将光、磁、电等信号转化为位移信息，目前常用的位移测量传感器有电容传感器、图像传感器、光栅尺传感器、电涡流传感器等。这些方法