一类准零刚度绝对振动姿态传感原理研究

发布时间：2020-03-24 02:54

【摘要】：汽车智能化技术可以为人们提供更加舒适、安全、便捷、智能的服务,是现代汽车的重要发展方向。振动传感器作为汽车电子控制系统的关键部件,在汽车智能化发展中发挥着重要的作用,汽车主动悬架、主动座椅、特种车辆精密仪器的隔振等大量的汽车低频主动振动控制系统,为了取得理想的效果,往往依赖于准确、实时的绝对振动姿态反馈。然而传统的线性绝对振动位移、角位移传感技术往往在安装、精度、成本等方面存在缺陷。通过加速度计、陀螺仪等惯性测量技术直接计算或间接估计振动姿态时,又很难兼顾准确性、实时性和成本。因此,研究一类高性能的低频绝对振动姿态传感理论的工作势在必行。本文利用几何非线性结构在低频振动系统中潜在的巨大优势,构建了一类方便、廉价、高精度的绝对振动姿态传感系统。从具有优良低频特征而备受关注的准零刚度系统的动力学研究出发,先后提出了若干能够有效测量车辆绝对振动位移、角位移的理论和方法。本论文的主要内容和成果可以概括如下:(1)采用弹簧-滚轮负刚度机构,发展了具有几何非线性阻尼的单自由度准零刚度振动传感系统,用于绝对垂向位移、扭转角位移的测量。推导了传感系统测量的幅值精度、相位差表达式。研究了压簧预压缩量、线性阻尼系数和被测信号幅值对测量性能的影响,并给出了不同输入下的动态测量性能。研究了传感系统可能存在的多解问题。构建测试平台对垂向准零刚度传感系统的有效性进行了验证,并对测量性能进行了初步测试。测试结果表明,通过引入弹簧-滚轮负刚度机构,可以将对应线性系统的共振频率从2Hz降低到1.188Hz。传感系统对高于1.5Hz振动激励的幅值测量误差小于10%,相位误差小于25°。指出通过几何非线性阻尼,可以在几乎不损失测量精度的情况下有效控制多解现象出现的频段范围,从而扩大频率测量范围和幅值测量范围。(2)提出了三轴准零刚度扭振角位移传感系统。该系统包含球壳、球核、弹簧构成的几何非线性部分和光电相对角位移测量部分。研究了小幅扭振、小幅水平振动下传感系统的刚度特性。基于谐波平衡法近似分析了不同激励下传感系统测量的幅值精度和相位精度。给出扭转谐波激励、周期激励和随机激励下传感系统测量性能的数值仿真。(3)以Stewart构型和单自由度准零刚度系统为支腿,提出了六自由度准零刚度振动姿态传感系统。分析了Stewart平台运动学特性,研究了六自由度系统的耦合刚度特性。进行了六自由度传感系统的动力学仿真,给出了传感系统测量精度的表达式。分析了不同测量幅值和耦合刚度对测量性能的影响,并对不同激励下传感系统的测量性能做了数值仿真。
【图文】：

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实现高性能的绝对振动测量。准零刚度（quasi-zero-stiffness）系统正是可上需求的一类优异的非线性振动系统[65-67]。2014 年，XiuTing Sun 等首次度隔振系统应用于垂向绝对振动位移的测量中，设计了一种基于典型三的准零刚度绝对振动位移传感系统[42]，通过理论分析探讨了该传感系统能，并将其应用于汽车四分之一模型的主动悬架上，，如图 1.1 所示。仿真该方法可以显著的抑制来自汽车簧下的振动传递。该基于准零刚度特性感系统可以在很宽的频段内创造一个近似静止的参考点，由于相对振动技术已经比较成熟，因此可以采用适宜的相对振动位移传感技术来测量相对于该静止参考点的振动，从而近似得到被测的绝对振动信号。此外表明，由于非线性刚度的引入，该传感系统可能具有潜在的复杂非线性题。2016 年，Xingjian Jing 等人基于以上的原理设计了三弹簧准零刚度振统实物模型[68]，并在仿真计算中考虑了摩擦和横向弹簧及附属元件的转更多的实际因素，实验结果表明，该传感系统可以获得良好的垂向绝对测量性能。

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重庆大学博士学位论文构和典型的三弹簧准零刚度隔振结构，构造了可以在三个水平自由度同准零刚度特性的几何非线性结构，图 1.2 所示。仿真结果表明，该传感系时测量三个水平自由度的振动位移，且只需要简单的负反馈控制即可在的振动控制中取得良好的主动控制效果。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U463.6

【参考文献】