一种抗装配偏斜与压杆动态挠曲的液压机绝对位姿在线自校准方法

本发明属于液压机传感器校准，特别涉及一种抗装配偏斜与压杆动态挠曲的液压机绝对位姿在线自校准方法。

背景技术：

1、配置四角主动调平系统的液压机广泛应用于装备制造领域，其活动梁的高精度平稳运行是保障工艺可靠性的基础。然而在实际工况中，受加工装配误差、机架弹性变形等综合影响，液压机的物理导向结构常发生几何畸变，导致原有的测量基准偏离实际状态，进而使得传感器无法准确表征活动梁真实的物理空间位姿。在此工况下，即便传感器本身具备极高的数值分辨率，其反馈数据也会与活动梁的实际绝对位置产生较大偏差，这种基于失真数据的控制根本无法实现活动梁的精准调平，最终造成成形件厚度存在显著的偏差、压制废品率大幅攀升。因此，需要寻找一种新的测量修正与位姿映射方法，使传感器数值能够真实、准确地反映活动梁的绝对调平状态。参考公开号为cn121025942a的中国专利通过比对真实位移与传感器输出值，建立分段的误差补偿查找表，进而生成校准参数来修正传感器误差。又参考公开号为cn223556996u的中国专利通过四个转动组件内的四个轴转动可分别带动四个柔性连接件进行升降，进而分别对安装板四角高度进行调节，减小了由安装不平引起的较零误差。

2、上述校准方法虽然能够在一定程度上克服外部工艺偏载，但仍存在一些不足与局限性：

3、（1）受调平缸装配误差影响，液压机的实际物理状态往往会偏离设计初期的理想测量条件，这种偏差会直接干扰测量系统的准确性，导致传感器采集的数据产生失准。目前常采用传感器值误差补偿法进行传感器校准，然而，上述方法均默认传感器测量轴与活动梁运动轨迹绝对平行，完全未将传感器垂直度安装位置引入的校准偏差纳入考量。这种脱离真实测量基准的校准策略仅停留在表层补偿，无法从根本上消除测量源头的系统性误差，最终将制约高精度压制工艺中的多缸同步控制性能。

4、（2）大跨度液压机在复杂工况下频繁进行高速下行与高压压制的状态切换，且常伴随未知的工艺偏载扰动，导致传感器值出现偏差。目前校准方案主要通过调节支架或引入铰接件等机械微调手段，在静态下校正传感器的安装垂直度，使其测量轴线与理想轨迹保持平行。然而，上述方法建立在压杆保持刚性且笔直的理想假设之上，完全未将压杆的动态弯曲问题纳入考量，在高速切换与未知偏载的作用下，压杆极易发生弹性挠曲变形，一旦压杆弯曲，即便传感器在初始安装时具有极高的垂直度，其测量轴线也会随压杆形变而发生空间扭曲。这种仅停留在静态对齐的校准方式，根本无法感知和补偿由压杆动态弯曲引入的非线性位移畸变，最终导致传感器采集的数据仍无法真实表征活动梁的绝对位姿。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种抗装配偏斜与压杆动态挠曲的液压机绝对位姿在线自校准方法，所述方法通过在线识别并补偿由于传感器安装不垂直、不平行引起的静态几何偏差，以及在高压偏载工况下压杆发生弹性形变引起的高频动态失真，从而在无外部精密基准的条件下，实现失真传感器数据的高精度在线自校准。

2、本发明的技术方案如下：

3、一方面，本发明提供一种抗装配偏斜与压杆动态挠曲的液压机绝对位姿在线自校准方法，包括以下步骤：

4、将液压机的活动梁抽象为绝对刚体，建立映射活动梁物理位姿与位移传感器读数之间关系的位移传感器综合观测模型；

5、进行液压调平系统初始化，并设定自适应卡尔曼滤波的初始参数；

6、在每个控制周期内对活动梁的空间位姿进行运动学先验轨迹预测；

7、在重载压制工况下实时采集位移传感器的多通道读数，并基于刚体四点共面的物理几何约束触发自适应算法机制更新观测噪声协方差矩阵；

8、融合所述运动学先验轨迹与所述观测噪声协方差矩阵，通过执行自适应卡尔曼滤波的状态更新，重构活动梁的绝对刚体物理位姿；

9、将所述绝对刚体物理位姿实时反馈至位移传感器综合观测模型，从中分离出静态装配偏斜误差，基于所述静态装配偏斜误差修正位移传感器的净位姿数据并输出至液压调平系统执行闭环纠偏动作。

10、优选的，所述建立映射活动梁物理位姿与位移传感器读数之间关系的位移传感器综合观测模型，具体为：

11、以活动梁中心为坐标原点建立基准空间坐标系，四个位移传感器在所述基准坐标系下的物理安装投影坐标分别为；

12、在所述基准坐标系下，定义活动梁在时刻的真实物理位姿为状态向量，其中为中心绝对高度，为绕轴的俯仰角，为绕轴的侧倾角；

13、建立线性化的位移传感器理论观测方程：

14、

15、式中，为第个位移传感器所在位置的理论高度；为位移传感器索引，且=1，2，3，4；为第个位移传感器的物理安装投影坐标；

16、基于四个测量点位于同一刚体平面的物理属性，构建反映物理畸变程度的冗余共面约束基准方程：

17、

18、结合静态装配偏斜与受力压杆挠曲，构建位移传感器综合测量模型：

19、

20、式中，为位移传感器实际采集的原始读数；为静态几何误差；为动态挠曲误差；为固有白噪声；

21、并基于所述位移传感器理论观测方程构建系统的状态观测矩阵。

22、优选的，所述进行液压调平系统初始化，并设定自适应卡尔曼滤波的初始参数，具体为：

23、初始化静态装配偏斜误差向量为零向量；

24、驱动活动梁空载低速运行至机械最高限位或预设基准零位，读取四个位移传感器的静态平均值作为初始绝对高度，并将初始姿态角置零，完成初始状态向量确立；

25、设定活动梁的初始状态协方差矩阵为对角矩阵，以表征系统对初始预测值的低置信度；

26、设定过程噪声协方差矩阵为对角矩阵，其对角线元素根据液压油体积弹性模量与阀控滞后的量化值进行设定；

27、设定基础观测噪声协方差矩阵，在液压泵开启但活动梁静止的工况下对传感器进行高频采样，计算获取联合统计方差，并将其作为对角阵的对角线元素。

28、优选的，所述在每个控制周期内对活动梁的空间位姿进行运动学先验轨迹预测，具体为：

29、在每个控制周期内，读取液压机控制器下发给主缸比例阀的下行速度指令，获取当前时刻的先验状态预测：

30、

31、式中，为时刻的先验状态预测向量；为时刻索引；为时刻的最优状态估计向量；

32、同步将过程噪声引入不确定度传递，更新预测状态协方差矩阵：

33、

34、式中，为时刻的预测状态协方差矩阵；为时刻的后验状态协方差矩阵；为过程噪声协方差矩阵。

35、优选的，所述在重载压制工况下实时采集位移传感器的多通道读数，并基于刚体四点共面的物理几何约束触发自适应算法机制更新观测噪声协方差矩阵，具体为：

36、实时获取四个位移传感器的观测向量，计算反映压杆弯曲程度的共面残差：

37、

38、设计自适应调节因子，其中为预设的灵敏度系数，在线更新观测噪声协方差矩阵：

39、

40、式中，为时刻的观测噪声协方差矩阵；为基础观测噪声协方差矩阵。

41、优选的，所述融合所述运动学先验轨迹与所述观测噪声协方差矩阵，通过执行自适应卡尔曼滤波的状态更新，重构活动梁的绝对刚体物理位姿，具体为：

42、计算包含隔离权重的测量信息：

43、

44、式中，为时刻位移传感器的实际观测向量；为系统的状态观测矩阵；为时刻的先验状态预测向量；

45、计算卡尔曼增益：

46、

47、式中，为时刻的预测状态协方差矩阵；为时刻的观测噪声协方差矩阵；

48、融合所述运动学先验轨迹与所述观测噪声协方差矩阵，更新当前时刻的最优状态估计，获得绝对刚体物理位姿：

49、

50、并更新后验协方差矩阵：

51、

52、式中，为时刻的后验状态协方差矩阵；为单位矩阵。

53、优选的，所述将所述绝对刚体物理位姿实时反馈至位移传感器综合观测模型，从中分离出静态装配偏斜误差，基于所述静态装配偏斜误差修正位移传感器的净位姿数据并输出至液压调平系统执行闭环纠偏动作，具体为：

54、将重构得到的绝对刚体物理位姿代回位移传感器综合观测模型，反算得到理想位移传感器数值，其中为状态观测矩阵；

55、将位移传感器原始读数与所述理想位移传感器数值作差，并经过一阶低通滤波器分离得到静态装配偏斜误差；

56、将所述静态装配偏斜误差反馈至液压机控制器的数据预处理单元，在下一控制周期中执行去畸变修正：

57、

58、式中，为校准的位移传感器读数；为原始的位移传感器读数；

59、将修正后的位移传感器净位姿数据代入后续自适应卡尔曼滤波迭代与液压调平系统以实现闭环补偿。

60、另一方面，本发明提供一种抗装配偏斜与压杆动态挠曲的液压机绝对位姿在线自校准系统，包括传感器观测模型构建模块、初始化模块、轨迹预测模块、观测噪声更新模块、位姿重构模块以及闭环补偿模块；

61、传感器观测模型构建模块，用于将液压机的活动梁抽象为绝对刚体，建立映射活动梁物理位姿与位移传感器读数之间关系的位移传感器综合观测模型；

62、初始化模块，用于进行液压调平系统初始化，并设定自适应卡尔曼滤波的初始参数；

63、轨迹预测模块，用于在每个控制周期内对活动梁的空间位姿进行运动学先验轨迹预测；

64、观测噪声更新模块，用于在重载压制工况下实时采集位移传感器的多通道读数，并基于刚体四点共面的物理几何约束触发自适应算法机制更新观测噪声协方差矩阵；

65、位姿重构模块，用于融合所述运动学先验轨迹与所述观测噪声协方差矩阵，通过执行自适应卡尔曼滤波的状态更新，重构活动梁的绝对刚体物理位姿；

66、闭环补偿模块，用于将所述绝对刚体物理位姿实时反馈至位移传感器综合观测模型，从中分离出静态装配偏斜误差，基于所述静态装配偏斜误差修正位移传感器的净位姿数据并输出至液压调平系统执行闭环纠偏动作。

67、再一方面，本发明还提供一种电子设备，所述电子设备包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如本发明任一实施例所述的方法。

68、再一方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明任一实施例所述的方法。

69、与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

70、1.针对传感器装配偏斜导致的静态几何误差问题，本发明设计了基于空间投影的软校准模型，将原本依赖硬件调节的对齐过程转化为纯算法层面的数学逆向映射。无需停机拆卸或手动微调，即可实现对传感器安装不垂直、不平行误差的在线修正，极大提升了测量基准的可靠性。

71、2.针对液压机瞬态冲击导致的压杆动态挠曲问题，本发明创新性地利用刚体共面约束构建了自适应调节机制。算法能够实时感知压杆的微小形变并动态调整信任权重，有效滤除了由偏载形变引入的高频瞬态扰动，确保了在高速、高压切换工况下反馈给调平系统的校准数据始终真实、平滑。

72、3.针对大跨度重型液压机缺乏在线标定基准的实施痛点，本发明彻底摆脱了对激光跟踪仪等外部高昂精密仪器的依赖。通过深度挖掘系统自身的几何冗余属性，巧妙利用“四点共面”作为天然虚拟标尺，以软硬融合的方式实现了机床全工作行程内的无监督在线校准。所述技术方案极大地降低了工业现场的部署成本，为高精度复合材料压制等尖端工艺提供了一种高鲁棒性的测量解决方案。