基于PLS的多维力传感器动态测量反演方法研究

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多维力传感器因其具有诸多的优势而被广泛应用于机器人、车辆、医疗和航空航天等领域。目前关于多维力传感器的研究大多局限于静态测量,在进行动态测量时通常是将静态测量的结果用于动态测量系统中,会影响整个动态测量系统的精度,因此针对多维力传感器的动态测量方法进行研究是十分有必要的。本文基于偏最小二乘法(Partial Least Squares,PLS)的计算原理,通过理论计算、仿真和实验的手段,研究了多维力传感器动态测量过程中的反演环节,旨在为多维力传感器动态测量反演提供一种新思路。论文的主要工作和创新点如下:首先深入分析了常用的动态反演方法的原理,针对现有研究中存在的计算复杂,测量精度不高等问题,提出采用偏最小二乘法进行多维力传感器的动态反演,并详细阐述了该方法的原理以及实现过程,完成理论上的动态反演过程。从理论角度讨论该方法的可行性。其次对偏最小二乘法进行仿真分析。采用MATLAB软件建立传感器系统在时域下的反卷积模型,分别以矩形脉冲信号和双半正弦信号作为系统的输入,并为两种输入添加噪声,通过偏最小二乘法反演求解并与真实输入进行对比。从仿真角度分析该方法的稳健性。最后使用振动台作为标准力源装置来获取多维力传感器参数模型;通过负载质量块将力溯源到质量和加速度,以扫频的方式获取传感器在各个频率点的幅频特性;在标定实验的基础上进行动态反演实验,在传感器的某一工作频率下,选定70N、50N和30N分别进行实验,使用高速数据采集卡采集传感器的输出值并将其导入至反演算法中,以标定实验获取的传感器动态特性数据建模,通过偏最小二乘法解算出被测信号,再将其与真实的输入进行比较。从实验角度验证了该方法的有效性。针对多维力传感器动态测量方法不足、精度不高的问题,提出了以偏最小二乘法为基础的动态反演方法,从理论计算、仿真分析和实验验证三方面出发对该方法进行研究。结果表明,该方法能够有效的解算出被测量的真实值,且解算过程较为稳健,对于提高多维力传感器的动态测量精度有一定的效果。
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