CN105910625B - 运动物体的姿态模拟与网络化姿态测量验证装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运动物体的姿态模拟与网络化姿态测量验证装置。包括网络终端单元组、测姿搭载平台、直线运动单元组、适配器、可编程控制器和存储处理设备，其中：网络终端单元组用于采集并处理网络信息，并传送至适配器和存储处理设备；测姿搭载平台用于搭载对象的姿态和位置模拟；直线运动单元组用于为测姿搭载平台提供驱动；适配器用于可编程运动单元组与可编程运动控制器之间的信号调制和电路切换；可编程运动控制器用于为直线运动单元组提供指令信息；存储处理设备用于实时存储指令信息和收发的数据，并输出搭载对象的实时姿态。网络化载体姿态测量的闭环模拟***可用于载体的姿态通用化模拟和网络化信源背景下的姿态测量估计和演示验证。

Description

运动物体的姿态模拟与网络化姿态测量验证装置

技术领域

本发明隶属于导航定位和网络化***领域，尤其是涉及一种适用于运动物体的姿态模拟与网络化姿态测量验证装置。

背景技术

运动物体的姿态信息是载体遂行导航、制导、航迹规划等任务的基本运动参数，尤其是在载体的三维运动中，载体的姿态信息与载体的位置和速度信息互相耦合，因此其精确度、可靠度和连续性直接影响着载体的任务完成。近年来，国内外在运动载体的姿态测量与估计方向取得了***的研究成果，新兴的高效姿态测量/估计算法层出不穷；但是，新兴的姿态测量方案或估计算法大多停留在理论研究阶段，多数算法在研究过程中无法充分考虑实际应用背景下的工程约束和各类干扰，这严重阻滞了理论成果向工程应用的推广。因此，运动载体姿态测量/估计方案的通用验证装置就自然成为连接理论成果与工程应用的重要纽带。

运动物体的姿态模拟与网络化姿态测量验证装置包括运动姿态的模拟和姿态信息的测量/估计两部分。运动姿态的模拟是遂行测姿方案性能验证的前提，模拟的核心是激励并驱动模拟平台实现所需的精确的参考运动姿态，主流的设计方案包括电液控制式六自由度运动姿态模拟***、水底姿态模拟装置伺服控制***、飞行器姿态模拟器(转台)、振动环境姿态模拟***等，广泛应用于车辆平衡检测、单兵虚拟训练、飞行姿态模拟、运动姿态控制与仿真、卫星姿态控制等领域。以该运动姿态模拟***的参考信息为基础，可以实现半实物***下姿态信息的测量/估计，验证相关姿态测量/估计方案和算法的接近工程应用背景条件下的实际性能，为此类算法的工程应用提供更具可信度的验证结果。

目前常用的姿态模拟***多以万向转轴和托举平台为主要构件，投资大，成本高，移动不便，且对被测对象的体积和均有很大程度地限制，难以满足多种应用环境下的姿态模拟需求；尤其是无线网络信源和长距传输环境下的姿态测量场景，对于姿态模拟***的室外应用和搭载平台体积有着多种多样的要求。因此设计更加通用的、装卸方便、调整灵活、成本适度的，适用于运动物体的姿态模拟与网络化姿态测量验证装置就显得尤为迫切。

发明内容

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种适用于运动物体的姿态模拟与网络化姿态测量验证装置，目的是为运动物体的姿态模拟和网络化姿态测量提供一体化的通用演示验证平台。

根据本发明的一个方面，提供了一种适用于运动物体的姿态模拟与网络化姿态测量验证装置，其特征在于，包括网络终端单元组(1)、测姿搭载平台(2)、直线运动单元组(3)、适配器(4)、可编程运动控制器(5)和存储处理设备(6)六个部分，其中：

直线运动单元组(3)至少为四个，由运动滑块(31)、刚性直线滑道(32)和相关电缆组成，刚性直线滑道(32)一端固定于基座，另一端与运动滑块(31)连接。

测姿搭载平台(2)由适当形状尺寸的套杆组合件(21)、刚性平台(22)和铆接组件(23)组成，刚性套杆(21)通过铆接组件(23)与运动滑块(31)连接；运动滑块(31)沿刚性直线滑道(32)垂直运动时通过铆接组件(23)带动刚性套杆(21)运动，刚性套杆(21)带动刚性平台(22)运动；套杆组合件(21)包括刚性套杆(211)和套杆杆芯(212)，刚性套杆(211)和套杆杆芯(212)通过铆接组件(23)分别与不同的直线运动单元(3)的运动滑块(31)连接，套杆杆芯(212)通过嵌套方式连接在刚性套杆(211)的内壁。

网络终端单元组(1)至少为七个，由串行通信接口(11)、无线传输装置(12)和状态指示模块(13)组成，通过连接件固定于刚性平台(22)，其中至少四个网络终端单元组(1)布置在直线运动单元组(3)的四周，作为网络定位信标，根据组网协议发送信标信息，另外至少三个网络终端单元组(1)根据共面不共线的原则固定在刚性平台(22)上，作为刚性平台(22)姿态的特征点，至少三个网络终端单元组(1)分别通过接收来自网络定位信标的信息解算出各自的定位信息，并将定位信息通过无线信道发送至存储处理设备(6)，在存储处理设备(6)中实时解算出刚性平台(22)的三维姿态。

适配器(4)由电缆接口(41)、信号调制板卡(42)、电路切换单元(43)、数模/模数转换单元(44)组成，前端通过线缆与直线运动单元组(3)连接，后端通过线缆与可编程运动控制器(5)连接。

可编程运动控制器(5)由处理器板(51)、现场总线接口板(52)、反馈传感器组(53)、运动轨迹规划模块(54)、内置电源模块(55)组成，前端通过线缆与适配器(4)的电缆接口(41)连接，后端通过线缆与存储处理设备(6)连接；用于被测对象运动状态的模拟、I/O转换、输出和反馈。可编程运动控制器(5)的控制指令信号经过适配器(4)的处理后，通过相关线缆传输到运动滑块(31)，驱动运动滑块(31)沿刚性直线滑道(32)进行垂直运动，多个运动模块(31)依据控制指令信号的垂直运动，通过铆接组件(23)与刚性平台(22)形成联动，直至刚性平台(22)到达指定的姿态角。

处理器板(51)，用于被测对象运动状态激励信息和反馈信息的解算与处理。

运动轨迹规划模块(54)，内置被测对象的运动状态和干扰因素的数学模型，用于被测对象的轨迹规划，输出规划轨迹下的被控对象的模拟运动姿态激励和浮沉激励。

反馈传感器组(53)，用于所述直线运动单元组(1)垂直运动反馈信号的接收与修正。

内置电源模块(55)，用于模拟运动姿态和浮沉信号的激励生成，以及反馈信号/修正信号的激励生成，并为处理器板(51)、现场总线接口板(52)、反馈传感器组(53)、运动轨迹规划模块(54)提供标准电源。

存储处理设备(6)由存储设备(61)、处理设备(62)、键盘/鼠标组件(63)、显示设备(64)和无线收发设备(65)组成，处理设备(62)内置可编程运动控制器(5)的指令信息、网络终端单元组(1)的收发驱动信息、搭载对象的运动模型和扰动模型、以及网络协议和测姿相关算法，输出搭载对象的实时姿态信息。用于所述可编程运动控制器(5)、网络终端单元组(1)等的激励、采集和反馈信号的存储、处理、显示和反馈。

本发明运动物体的姿态模拟与网络化姿态测量验证装置具有下列有益效果：

(1)本发明通过可编程运动控制器实现载体姿态的建模和指令生成，通过多个直线运动单元实现对可编程运动控制器的指令分解，最终通过直线运动单元与搭载平台的同步运动实现载体姿态的动态模拟；

(2)通过搭载平台上多个网络终端单元的独立采集和处理网络信标辅助信息，实现搭载平台多个关键定位点的分布式同步感知，该同步感知信息经并行处理和信息融合可在线解算出搭载平台的姿态信息；

(3)搭载平台尺寸和几何构型可通过实际测量需要而调整，以满足不同运动平台的多样化需求；网络终端单元的位置可通过被测载体的多样需求而自由调整，易于删减，扩展性好。

附图说明

图1为本发明实施例运动物体的姿态模拟与网络化姿态测量验证装置的示意图；

图中：

1-网络终端单元组 11-串行通信接口

12-无线传输装置 13-状态指示模块

2-测姿搭载平台 21-套杆组合件

22-刚性平台 23-铆接组件

3-直线运动单元组 31-运动滑块

32-刚性直线滑道 4-适配器

41-电缆接口 42-信号调制板卡

43-电路切换单元 44-数模/模数转换单元

5-可编程运动控制器 51-处理器板

52-现场总线接口板 53-反馈传感器组

54-运动轨迹规划模块 55-电源模块

6-存储处理设备 61-存储设备

62-处理设备 63-键盘/鼠标组件

64-显示设备 65-无线收发设备

图2为本发明实施例运动物体的姿态模拟与网络化姿态测量验证装置的运动姿态模拟原理流程图；

图3为本发明实施例运动物体的姿态模拟与网络化姿态测量验证装置的网络化姿态测量原理流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照例图，对本发明进一步详细说明。虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于所述值。

图1为本发明实施例运动物体的姿态模拟与网络化姿态测量验证装置的示意图。如图1所示，运动物体的姿态模拟与网络化姿态测量验证装置包括网络终端单元组(1)、测姿搭载平台(2)、直线运动单元组(3)、适配器(4)、可编程运动控制器(5)和存储处理设备(6)六个部分。其中：所述网络终端单元组(1)，用于采集并处理网络辅助信息，并将网络辅助信息的处理结果发送至适配器(4)和存储处理设备(5)；所述测姿搭载平台(2)，用于结合固连的网络终端单元组(1)和可编程运动控制器(5)的搭载对象的姿态和位置模拟，为网络终端单元组(1)提供指令信息和环境信息；所述直线运动单元组(3)，用于结合可编程运动控制器(5)的指令信息，为测姿搭载平台(2)的姿态和位置的模拟提供驱动和执行装置；所述适配器(4)，用于直线运动单元组(3)或网络终端单元组(1)与可编程运动控制器(5)之间的信号调制设备和电路切换单元；所述可编程运动控制器(5)，用于根据搭载对象的运动数学模型，为直线运动单元组(3)提供指令信息；所述存储处理设备(6)，用于实时存储可编程运动控制器(5)的指令信息和网络终端单元组(1)的收发信息，并结合搭载对象的运动模型和扰动模型、以及网络协议和测姿相关算法，输出搭载对象的实时姿态信息。

由于本发明实施例采用至少七个网络终端单元组(1)，其中三个固连于刚性平台(22)上共面不共线的位置上，分别独立采集并处理其他至少四个网络终端单元组(1)提供定位信标信息，进而解算出三个网络终端单元组(1)处的位置测量信息，从而通过存储处理设备(6)实时解算出测姿搭载平台(2)的三维姿态。

测姿搭载平台(2)通过套杆组合件(22)与直线运动单元组(3)连接，四个直线运动单元组(3)分别通过连接线缆与适配器(4)连接，适配器(4)通过连接线缆与可编程运动控制器(5)连接，而可编程运动控制器(5)通过连接线缆与存储处理设备(6)连接。各网络终端单元(1)均为Ad-hoc节点装置，即采用Ad-hoc节点装置作为无线传输的手段，但是，只要能够实现网络终端单元(1)、可编程运动控制器(5)和存储处理设备(6)的相互连通，也可以采用Zigbee、WiFi、蓝牙等其他无线传输手段。

如图1所示，网络终端单元(1)由串行通信接口(11)、无线传输装置(12)和状态指示模块(13)组成。串行通信接口(11)包括SO-DIMM 200接口、电源转换电路和UART接口；状态指示模块(13)包括ARM处理器、SDRAM存储器和NAND FLASH存储器。

如图2所示，在姿态模拟过程中，可编程运动控制器(5)的指令信息通过对被测对象的先验运动规律和干扰因素抽象建模得到，装载在运动控制器的存储单元中；其指令信息以数字信号形式通过连接线缆传输至适配器(4)；再经适配器(4)中数模变换单元转换为模拟信号；经转接电路分配后经连接线缆同时加载到四个直线运动单元组(3)，带动各自的运动滑块(31)在各自的直线运动滑道(32)中分别进行垂直滑动。与滑动模块(31)固连的四个铆接组件(23)通过与刚性套杆(211)的铆接，带动固连在刚性套杆(211)上的搭载平台(2)的各边的运动，最终实现搭载平台(2)按照可编程运动控制器(5)的指令信息的载体姿态模拟。

如图3所示，在姿态测量过程中，首先由固定在刚性平台(22)上的三个网络终端单元(1)按照TDMA时序同步接收到其他至少四个网络终端单元(1)的信标位置信息，固定在刚性平台(22)上的三个网络终端单元(1)并行解算出各自无线传输装置(12)距离信标节点的相对距离，经状态指示模块(13)解算得出本网络终端单元(1)的位置信息，分别经串行通信模块(11)通过连接线缆传输至适配器(4)，模数变换后经连接线缆传输至存储处理设备(5)，固定在刚性平台(22)上的三个网络终端单元(1)的位置信息在数据处理单元中经融合算法解算得出搭载平台(2)的姿态估计结果。至此，上述姿态模拟过程和姿态测量过程构成了运动物体的姿态模拟与网络化姿态测量验证装置两项主要功能。

依据本发明所说明的***结构和连接结构，构建了一个运动物体的姿态模拟与网络化姿态测量验证装置。无线传输装置(12)采用远距离UWB无线传输模块，其最大视距传输距离为2.5千米，工作频段2.380GHz～2.500GHz；状态指示模块(13)采用处理器ATmega128；测姿搭载平台(2)采用PVC+铝合金框架组合；直线运动滑道(32)采用THK直线导轨，滑轨高2.5米；运动滑块(32)采用THK LS1027导轨直线滚动单元；可编程运动控制器(5)采用美国UMAC八轴控制***；存储处理设备采用工控机或其他高性能工作站设备。按照发明所述，各个部分相应布局后得到该装置。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.运动物体的姿态模拟与网络化姿态测量验证装置，其特征在于，包括网络终端单元组(1)、测姿搭载平台(2)、直线运动单元组(3)、适配器(4)、可编程运动控制器(5)和存储处理设备(6)，其中：

直线运动单元组(3)由运动滑块(31)、刚性直线滑道(32)和相关电缆组成，刚性直线滑道(32)一端固定于基座，另一端与运动滑块(31)连接；

测姿搭载平台(2)由套杆组合件(21)、刚性平台(22)和铆接组件(23)组成，套杆组合件(21)通过铆接组件(23)与运动滑块(31)连接；运动滑块(31)沿刚性直线滑道(32)垂直运动时通过铆接组件(23)带动套杆组合件(21)运动，套杆组合件(21)带动刚性平台(22)运动；

网络终端单元组(1)由串行通信接口(11)、无线传输装置(12)和状态指示模块(13)组成，通过无线传输装置(12)将定位信息发送至存储处理设备(6)，在存储处理设备(6)中实时解算出刚性平台(22)的三维姿态；

适配器(4)由电缆接口(41)、信号调制板卡(42)、电路切换单元(43)、数模/模数转换单元(44)组成，前端通过线缆与直线运动单元组(3)连接，后端通过线缆与可编程运动控制器(5)连接；

可编程运动控制器(5)由处理器板(51)、现场总线接口板(52)、反馈传感器组(53)、运动轨迹规划模块(54)、电源模块(55)组成，前端通过线缆与适配器(4)的电缆接口(41)连接，后端通过线缆与存储处理设备(6)连接；

存储处理设备(6)由存储设备(61)、处理设备(62)、键盘/鼠标组件(63)、显示设备(64)和无线收发设备(65)组成，处理设备(62)中装载着可编程运动控制器(5)的指令信息、网络终端单元组(1)的收发驱动信息、搭载对象的运动模型和扰动模型、以及网络协议和测姿相关算法。

2.根据权利要求1所述的运动物体的姿态模拟与网络化姿态测量验证装置，其特征在于：所述直线运动单元组(3)为至少为四个，可编程运动控制器(5)的控制指令信号经过适配器(4)的处理后，通过线缆传输到运动滑块(31)，驱动运动滑块(31)沿刚性直线滑道(32)进行垂直运动，运动滑块(31)依据控制指令信号的垂直运动，通过铆接组件(23)与刚性平台(22)形成联动，直至刚性平台(22)到达指定的姿态角。

3.根据权利要求2所述的运动物体的姿态模拟与网络化姿态测量验证装置，其特征在于，所述测姿搭载平台(2)的套杆组合件(21)包括刚性套杆(211)和套杆杆芯(212)，刚性套杆(211)和套杆杆芯(212)通过铆接组件(23)分别与不同的直线运动单元组(3)的运动滑块(31)连接，套杆杆芯(212)通过嵌套方式连接在刚性套杆(211)的内壁。

4.根据权利要求1所述的运动物体的姿态模拟与网络化姿态测量验证装置，其特征在于，网络终端单元组(1)至少为七个，其中至少三个网络终端单元组(1)固定在刚性平台(22)上共面不共线的位置上，另外至少四个网络终端单元组(1)布置在直线运动单元组(3)的四周。

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