一种压电陶瓷促动器的位移量对应电压值预测方法

1.本发明属于精密定位技术领域，具体涉及一种压电陶瓷促动器的位移量对应电压值预测方法。


背景技术：

2.高精度定位技术是精密加工、精密制造等领域的共性技术，对于人类科技进步，工业技术的升级有着重要意义。压电陶瓷促动器可将电能与机械能进行直接转换，因其具有的快速响应特性、分辨率高等优点被广泛应用于微操作、微纳米定位等系统中。在要求响应速度快、促动分辨率高的使用场景下，通常选用开环的压电陶瓷促动器。在开环的压电陶瓷促动器使用中，由于是开环运动机构，机构缺乏反馈环节且只能通过施加电压驱动，无法根据需要的促动量驱动压电陶瓷促动器。此外，压电陶瓷促动器存在较大的回程误差，并且处于不同峰值时的回程误差也不同，具有明显的非线性现象。由于需要通过电压对压电陶瓷促动器进行驱动，因此，在当前电压值与位移量状态下，如何获得压电陶瓷促动器下一状态目标位移量对应的电压值是其中的关键之一。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供了一种压电陶瓷促动器的位移量对应电压值预测方法，对下一状态施加电压值与下一状态目标位移量、压电陶瓷促动器当前状态电压值及其位移量建立非线性映射关系模型，通过压电陶瓷促动器当前状态电压值及位移量和下一状态所需的目标位移量的非线性映射从而得到下一状态该施加电压值，该方法能够实现误差在1.4v范围内的电压值预测，其对应促动位移量误差小于1.5μm，且此方法较为新颖，使用简单，成本较低，预测精度较高。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种压电陶瓷促动器的位移量对应电压值预测方法，其特征如下：
6.获得压电陶瓷促动器当前状态的电压值及其位移量、下一状态目标位移量；
7.将所述压电陶瓷促动器当前状态的电压值及其位移量、下一状态目标位移量输入训练好的电压预测模型中，得到压电陶瓷促动器在当前电压值及其位移量状态下实现该下一状态的目标位移量所需施加的电压值。
8.所述电压预测模型是根据多个不同状态下的电压值及其位移量，对基于遗传算法优化的支持向量机回归模型进行训练得到的。
9.可选的，在所述获得压电陶瓷促动器当前状态的电压值及其位移量、下一状态目标位移量之前，还包括：
10.构建数据集；所述数据集包括压电陶瓷促动器多个不同状态电压值及其对应位移量序列；
11.以当前状态电压值及其位移量、下一状态目标位移量为输入，下一状态该施加的电压值为输出，对模型进行训练，得到电压值预测模型。
12.可选的，所述构建数据集，包括：
13.随机生成多组电压值；对电压值为0v初始状态下的压电陶瓷促动器按照生成的电压值进行驱动，每次驱动的同时利用激光位移传感器对位移量进行测量，利用电压值与位移量构建数据集。
14.所述数据集由一种数据采集装置获得，其特征包括：底板，压电陶瓷促动器，测量片，激光位移传感器，传感器固定基座。
15.其整体位置关系为：测量片安装在压电陶瓷促动器上；激光位移传感器固定在传感器固定基座上；压电陶瓷促动器与传感器固定基座安装到底板上。
16.所述测量片通过螺钉安装在压电陶瓷促动器顶部的螺纹孔上，由压电陶瓷促动器驱动其移动；压电陶瓷促动器通过底部螺纹孔用螺钉安装到底板上；激光位移传感器通过对测量片的位移量进行测量得到压电陶瓷促动器的位移量。
17.基于上述基本技术方案，本发明还做出如下优化限定：
18.上述激光位移传感器为高精度位移测量传感器，测量精度优于0.75μm，且测量量程在毫米级别；
19.上述压电陶瓷促动器可以实现亚微米以下量级的微动且行程在10μm以上，从而可以在微米行程内采集多组数据。
20.本发明有如下有益效果：
21.1、本发明通过压电陶瓷促动器当前状态下电压值及其位移量与下一状态电压值及其位移量之间的关系提出对得到下一状态目标位移量该施加电压值的预测方法，使用简单快捷。
22.2、本发明通过基于遗传算法优化的支持向量机回归模型建立压电陶瓷促动器当前状态下电压值及其位移量、下一状态目标位移量与下一状态该施加电压值的非线性映射关系模型，实现对开环压电陶瓷促动器下一状态目标位移量该施加电压值的求解。
附图说明
23.图1为本发明的位移量对应电压值预测方法流程图；
24.图2为本发明的基于遗传算法优化的支持向量机回归模型训练结果图；
25.图3为本发明的电压预测值与真实值比较图；
26.图4为本发明的电压值预测误差图；
27.其中，1-底板，2-压电陶瓷促动器，3-测量片，4-激光位移传感器，5-传感器固定基座。
具体实施方式
28.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
30.如图1所示，一种压电陶瓷促动器的位移量对应电压值预测方法，其使用步骤如
下：
31.第一步(1-1)：按照训练集：测试集＝3:1的比例随机划分数据集；
32.第二步(1-2)：建立电压值预测模型，以压电陶瓷促动器当前状态下电压值及其位移量、下一状态目标位移量为输入，得到下一状态目标位移量该施加的电压值为输出，将训练集数据输入至模型进行训练；采用径向基核函数(rbf)将数据从低维映射到高维；
33.其中，rbf(radial basis function)函数是x到指定中心(原点)和指定一点c距离的函数形式，即某种沿径向对称的标量函数，其计算公式为的函数形式，即某种沿径向对称的标量函数，其计算公式为其中，r(x,c)代表距离，ci是指定中心点，σ2代表rbf函数的作用范围，值越小，说明作用范围越宽，反之越窄。
34.第三步(1-3)：将测试集数据中的输入数据输入至训练完成的电压预测模型，得到下一状态目标位移量对应的电压预测值；如图3，将预测电压值与实际电压值进行比较，可以看出预测结果较为准确，预测值与真实值重合度较好。利用预测电压值与实际电压值进行误差计算，如图4所示，预测电压值误差最大小于1.4v，对应于位移值误差小于1.5μm。因此，这表明此方法能够实现较为准确的电压值预测；所述电压值预测模型是根据训练集的数据训练基于遗传算法优化的支持向量机回归模型得到的。
35.所述数据集由一种数据采集装置得到，其技术方案如下：
36.如附图4所示，一种数据采集装置包括：底板1，压电陶瓷促动器2，测量片3，激光位移传感器4，传感器固定基座5。
37.一种数据采集装置，其使用方法步骤如下：
38.第一步：调整传感器固定基座5，使得激光位移传感器4与测量片3端面平行，且距离在测量量程范围内；
39.第二步：将激光位移传感器4的示数清零，以此为零初始位置；
40.第三步：随机生成100组电压，对压电陶瓷促动器2分别施加每组对应的电压值，并分别记录下激光位移传感器4的位移量测量结果，保存电压值与对应位移量数据；
41.第四步：对数据进行预处理；其中每一组数据包括压电陶瓷促动器当前状态下电压值及其位移量、下一状态目标位移量及电压值，将当前状态下电压值及其位移量、下一状态目标位移量作为输入，下一状态该施加电压值作为输出；至此，每组数据都有一个当前状态下的电压值及其位移量、下一状态目标位移量及电压值，保存为数据集。
42.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种压电陶瓷促动器的位移量对应电压值预测方法，其特征在于按照训练集：测试集＝3:1的比例随机划分数据集；建立电压值预测模型，以压电陶瓷促动器当前状态下电压值及其位移量、下一状态目标位移量为输入，得到下一状态目标位移量该施加的电压值为输出，将训练集数据输入至模型进行训练；将测试集数据中的输入数据输入至训练完成的电压预测模型，得到下一状态目标位移量对应的电压预测值；所述电压值预测模型是根据训练集的数据训练基于遗传算法优化的支持向量机回归模型得到的。2.如权利要求1所述的电压值预测模型，其特征在于：根据训练集的数据训练基于遗传算法优化的支持向量机回归模型得到；模型输入为压电陶瓷促动器当前状态下电压值及其位移量、下一状态目标位移量，输出为得到下一状态目标位移量该施加的电压值。3.一种数据采集装置，其特征在于：包括底板(1)，压电陶瓷促动器(2)，测量片(3)，激光位移传感器(4)，传感器固定基座(5)；所述测量片安装在压电陶瓷促动器顶部，由压电陶瓷促动器驱动其移动；压电陶瓷促动器通过底部螺纹孔用螺钉安装到底板上；激光位移传感器通过对测量片的位移量进行测量得到压电陶瓷促动器的位移量。

技术总结
本发明公开了一种压电陶瓷促动器的位移量对应电压值预测方法，涉及精密定位技术领域，其实现方法包括：按照训练集：测试集＝3:1的比例随机划分数据集；建立电压值预测模型，以压电陶瓷促动器当前状态下电压值及其位移量、下一状态目标位移量为输入，得到下一状态目标位移量该施加的电压值为输出，将训练集数据输入至模型进行训练；将测试集数据中的输入数据输入至训练完成的电压预测模型，得到下一状态目标位移量对应的电压预测值。其中所需数据集通过一种数据采集装置获得。本发明对压电陶瓷促动器当前状态下电压值及其位移量、下一状态目标位移量与下一状态该施加电压值建立非线性映射模型，根据当前状态电压值及位移量、下一状态目标位移量获得下一状态施加电压值。该方法新颖，预测精度高，使用简便。使用简便。使用简便。


技术研发人员：金鑫 苏泰玉 张之敬 张琪 李二波 熊健
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.03.20
技术公布日：2023/7/7