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基于ICA的多维力传感器解耦研究

作　者: 张鹏宇
导　师: 张新
学　校: 安徽理工大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 多维力传感器静动态特性独立成分分析解耦
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着科技的进步,工程技术领域对于传感器的要求越来越高,传统的单维力传感器不能满足全面测量的要求,因此对多维力传感器的开发与研究成为一个重要课题。多维力传感器由于一体化弹性体结构以及在加工、贴片等工艺上的误差,这就使得不同方向转换通道之间存在耦合,这严重影响了传感器的测量精度,因此多维力传感器的解耦问题成为研究的热点。本文提出了基于独立成分分析的多维力传感器解耦新方法,使用该方法对多维力传感器进行解耦是一种新的尝试。论文的主要工作内容和创新点如下：对本实验室已研制的六维力传感器进行静动态特性标定。采用加载标准砝码的方法对六维力传感器进行静态标定,通过标定实验分别得到传感器三个方向力和力矩的非线性度、灵敏度以及回程误差等主要静态特性指标。设计了三维精密振动实验台对三维力传感器的频响特性进行动态标定,得到了传感器三个方向力的频响特性曲线,并确定了传感器的动态应用范围。阐述了独立成分分析的理论算法,并通过实例完成了相关算法的计算机实现。首先,通过“鸡尾酒会问题”介绍了独立成分分析的产生背景。其次建立了忽略噪声影响、成分统计独立且服从非高斯分布的独立成分分析的模型,从概率密度和相关性两个方面给出了独立成分分析的定义。通过非高斯的最大化、互信息的最小化、最大似然函数估计(ML)等方法介绍了当前估计独立成分分析模型的主要方法。论文给出了基于独立成分分析的多维力传感器的解耦方法,应用该方法对应变式全剪切六维力传感器进行了静态解耦分析,并与最小二乘法的线性解耦方法进行了比较,结果表明独立成分分析比最小二乘法有更高的精度；应用该方法进行了动态解耦分析,并与对角优势化补偿法进行了比较,结果表明独立成分分析比对角优势化补偿法更能提高解耦精度。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-14
1 绪论  14-22
  1.1 课题的背景和研究意义  14-15
  1.2 国内外研究现状  15-20
  1.3 课题来源及研究内容  20-22
2 常用多维力传感器解耦算法  22-34
  2.1 多维力传感器静态解耦算法  22-28
    2.1.1 基于最小二乘法的线性解耦原理  22-23
    2.1.2 基于查询表的多维传感器解耦算法  23-25
    2.1.3 基于模糊推理的多维传感器解耦算法  25-26
    2.1.4 基于神经网络的多维传感器静态解耦算法  26-28
  2.2 多维力传感器动态解耦算法  28-34
    2.2.1 不变性动态解耦方法  29-30
    2.2.2 迭代动态解耦方法  30-32
    2.2.3 对角优势化补偿解耦  32-34
3 独立成分分析理论与算法  34-56
  3.1 概述  34
  3.2 独立成分分析的定义  34-37
    3.2.1 ICA问题的提出  34-35
    3.2.2 ICA的约束  35
    3.2.3 ICA中的含混因素  35-36
    3.2.4 统计独立性  36-37
  3.3 非高斯性判据  37-42
    3.3.1 极大化非高斯性的ICA估计方法  37-38
    3.3.2 非高斯性的度量  38-40
    3.3.3 极小化互信息的ICA估计方法  40-41
    3.3.4 信息极大的ICA估计方法  41-42
    3.3.5 ICA的极大似然估计方法  42
  3.4 数据的预处理  42-44
    3.4.1 中心化  43
    3.4.2 白化  43-44
    3.4.3 预处理总结  44
  3.5 ICA算法  44-50
    3.5.1 FastICA算法  44-47
    3.5.2 基于负熵的梯度算法  47-48
    3.5.3 信息极大(Infomax)算法  48-49
    3.5.4 其它ICA算法  49-50
  3.6 常见信号的ICA分解  50-56
    3.6.1 频率相同、相位不同的正弦信号  50-51
    3.6.2 随机信号、方波信号和正弦信号的混合信号  51-53
    3.6.3 高斯信号和非高斯信号的混合信号  53-56
4 传感器标定实验研究  56-76
  4.1 概述  56-57
  4.2 多维力传感器的静态标定  57-71
    4.2.1 传感器静态特性的标定方法  57-58
    4.2.2 六维力传感器的静态标定实验  58-71
  4.3 传感器的动态标定  71-75
    4.3.1 传感器的动态冲击试验  71-73
    4.3.2 传感器频响特性的标定研究  73-75
  4.4 本章小结  75-76
5 传感器的解耦研究  76-90
  5.1 传感器的静态解耦  76-80
    5.1.1 基于最小二乘法的线性解耦  77-78
    5.1.2 基于独立成分分析的线性解耦  78-79
    5.1.3 对比分析  79-80
  5.2 传感器的动态解耦  80-90
    5.2.1 基于对角优势化补偿的传感器动态解耦  80-86
    5.2.2 基于ICA的传感器动态解耦  86-90
6 总结与展望  90-92
  6.1 全文总结  90-91
  6.2 研究展望  91-92
参考文献  92-96
致谢  96-98
作者简介及读研期间主要科研成果  98

基于ICA的多维力传感器解耦研究

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