CN200954872Y - 捷联式三维稳定平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种能实现舰载设备姿态稳定的捷联式三维稳定平台。其结构包括：管理和解算系统、伺服系统、捷联式平台。稳定平台用三正交轴支撑，每一轴提供平台一个转动自由度。舰船姿态参考设备输出的姿态信息，经过解算分别驱动三个支撑轴转动，消除舰船摇摆的影响，达到姿态稳定。控制转动的指令和姿态参考信息一起解算，因此稳定和控制作用同时实现。由于被稳设备通过三轴直接支撑，水动力干扰不影响稳定精度。本实用新型可用于隔离舰船摇摆，稳定舰载设备，如声纳、雷达、光电测量仪的姿态。其原理和结构还可用于其他运动载体上的姿态稳定。

Description

捷联式三维稳定平台

技术领域

本实用新型涉及一种舰载捷联式三维稳定平台。

背景技术

目前，为了稳定舰载设备通常构造两轴稳定平台，再在平台上安装可作方位和俯仰转动的被稳定设备。稳定平台接收舰上的姿态参考设备输出的摇摆信息，通过伺服系统驱动平台的两轴转动，抵消舰船摇摆，获得姿态稳定。这种稳定平台的缺点是：一.平台在舰船运动时受水动力干扰，且干扰力矩与舰速平方成正比，从而大大影响稳定精度；二.被稳设备的姿态稳定和方位、俯仰控制转动功能分离，造成平台结构复杂、体积重量庞大；最重要的是，三.这种稳定平台只能实现两轴稳定，如果舰船有艏摇，稳定平台方位上仍然不能稳定。

发明内容

为了克服上述缺点，本实用新型提出一种捷联式三维稳定平台。这种稳定平台可以实现三轴姿态稳定；由于独特的捷联式结构，不受舰速带来的干扰力矩影响；而且，稳定和控制功能合一，平台结构相对简单、尺寸小、重量轻。

本实用新型的组成包括：管理和解算系统(1)、伺服系统(2)、捷联式平台(3)三大部分。接收操作指令和载体姿态的管理和解算系统(1)及伺服系统(2)都在控制柜中的印制板上，通过内部走线连接，再通过电缆与捷联式平台(3)连接。

管理和解算系统(1)是一台计算机，其中(附图2)包括接收管理指令的任务管理软件模块(10)、对模拟式载体姿态信号进行转换的姿态角转换器(11)、接收操作指令并实现坐标变换的坐标变换器(12)、输出控制信号的数模转换器(14)、对到位角(模拟式轴角信号)进行转换的轴角/数字(R/D)转换器(13)。它们都在一块印制板上，通过印制板上走线连接。

伺服系统(2)中包含三路伺服放大器：方位伺服放大器(4)、横滚伺服放大器(5)、俯仰伺服放大器(6)。三路伺服放大器的结构是相同的，每一路放大器(附图3)由输入控制信号的位置环放大器(15)、接收速度反馈信号的速度环放大器(16)、驱动电机的功率放大器(17)串联而成。方位伺服放大器(4)、横滚伺服放大器(5)、俯仰伺服放大器(6)分别在三块印制板上。

捷联式平台(3)是一个三轴正交的支撑和转动机构，每一根轴上的转动—测量装置是一样的，分别称为方位转动—测量装置(7)、横滚转动—测量装置(8)、俯仰转动—测量装置(9)。每一转动—测量装置(附图4)由无刷力矩电机(18)、机械耦合在一起的测速机(19)、谐波减速机(20)、转动机构(21)、输出到位角的旋转变压器(22)组成。

捷联式平台(3)的机械结构示意图如附图5、附图6、附图7所示。由方位电机—测速机组(23)、方位谐波减速机(24)、方位减速齿轮副(25)、测角齿轮副(27)、方位旋转变压器(26)、方位轴(28)组成方位转动—测量装置(7)；由横滚电机—测速机组(30)、横滚谐波减速机(29)、横滚旋转变压器(31)、右支架(32)、左支架(40)组成横滚转动—测量装置(8)；由俯仰电机—测速机组(35)、俯仰谐波减速机(34)、俯仰旋转变压器(39)、平台台体(38)组成俯仰驱动—测量装置(9)。

系统中各部分的作用分别说明如下：

以计算机为基础的管理和解算系统(1)中的任务管理软件模块(10)负责捷联式三维稳定平台系统的启动、停机、自检、报警和工作状态转换等系统管理任务。载体上姿态参考设备输出的模拟姿态信号经姿态角转换器(11)送入坐标变换器(12)与操作指令一起进行坐标变换解算，得到稳定平台姿态不变所需要的三个补偿角，分别与平台三轴的转动到位角相减后，再经过数模转换器(14)产生控制信号(附图2)。

伺服系统(2)中的三路伺服放大器是一样的。在一路放大器中(附图3)，控制信号经过位置环放大器(15)、速度环放大器(16)、功率放大器(17)放大，产生电机驱动信号，进入捷联式平台(3)相应轴的转动—测量装置。在速度环放大器(15)中还实现速度反馈信号的闭环。

捷联式平台(3)中的三路转动—测量装置也是一样的。功率放大器(17)输出的电机驱动信号驱动无刷力矩电机(18)转动，与其机械耦合在一起的测速机(19)和谐波减速机(20)的输入轴一起转动。测速机(19)输出轴角转速，作为速度反馈进入速度环放大器(16)中实现速度环闭环。谐波减速机(20)的输出轴带动转动机构(21)和旋转变压器(22)一起转动。旋转变压器(22)输出的轴角信号即到位角，它与补偿角比较产生控制信号(附图2)，实现位置环闭环。

三维正交支撑与转动是这样实现的(附图5、附图6、附图7)：

基座(41)与舰船载体固定，基座(41)中的方位电机—测速机组(23)，通过方位谐波减速机(24)减速后，带动方位减速齿轮副(25)及和它固联在一起方位轴(28)转动，实现方位轴的支撑与转动。测角齿轮副(27)、方位旋转变压器(26)测量方位轴到位角。

方位轴(28)上安装了前基座(37)和后基座(33)，在这两个基座上安装了左支架(40)、右支架(32)、俯仰基座(36)、横滚电机—测速机组(30)。横滚电机—测速机组(30)通过横滚谐波减速机(29)带动俯仰基座(36)实现横滚转动。横滚旋转变压器(31)测量横滚轴到位角。

在俯仰基座(36)上安装了俯仰电机—测速机组(35)、俯仰旋转变压器(39)。俯仰电机—测速机组(35)通过俯仰谐波减速机(34)带动平台台体(38)实现俯仰转动。俯仰旋转变压器(39)完成俯仰轴到位角测量。

本实用新型的工作原理是：

被稳定设备通过专门设计的三个正交轴支撑，每一轴提供平台一个转动自由度。舰船姿态参考设备输出的姿态信息，经过解算(称为“坐标变换”)分别驱动三轴转动，消除舰船摇摆的影响，达到姿态稳定。控制转动的操作指令和姿态参考信息一起解算，因此稳定和控制作用同时实现。由于被稳定设备通过三轴直接支撑，水动力干扰不影响稳定精度。

三轴中每一轴的转动都是一个双闭环控制的动态过程：由速度环放大器(16)、功率放大器(17)、无刷力矩电机(18)、测速机(19)组成速度环，改善速度环动态特性的校正网络在速度环放大器(16)中。速度环输出的电机转动经谐波减速机(20)、转动机构(21)、旋转变压器(22)产生到位角，该到位角经管理和解算系统(1)中的R/D转换器(13)与坐标变换器(12)输出的补偿角相减实现位置环的闭环控制。改善位置环动态特性的校正网络在位置环放大器(15)中。

实现姿态解算的坐标变换公式为：

γ＝arcsin[-cos(ψ-ψ_g)sinφ+sin(ψ-ψ_g)sinθsinφ]

$\mathrm{\β}=\mathrm{arctg}[-\mathrm{tg\φ}\frac{\sin (\mathrm{\ψ}-{\mathrm{\ψ}}_g)}{\cos \mathrm{\θ}}\mathrm{tg\θ}\cos (\mathrm{\ψ}-{\mathrm{\ψ}}_g)]+{\mathrm{\β}}_g$

式中

ψ—舰船艏向角

θ—舰船纵摇角

—舰船横摇角

α—平台方位角

β—平台俯仰角

γ—平台横滚角

ψ_g—被稳定设备的指令舷向角

β_g—被稳定设备的指令俯仰角

本实用新型的优点是：平台实现三维稳定；控制转动的指令和姿态参考信息一起解算，因此稳定和控制作用同时实现；由于稳定平台通过三轴直接支撑，水动力干扰不影响稳定精度。

本实用新型可用于隔离舰船摇摆，稳定舰载设备，如声纳、雷达、光电测量仪的姿态。其原理和结构还可用于其他运动载体上的姿态稳定。

附图说明

图1是捷联式三维稳定平台的原理框图。

图2是捷联式三维稳定平台中管理和解算系统原理框图。

图3是捷联式三维稳定平台的伺服系统中一路伺服放大器的原理框图。

图4是捷联式三维稳定平台中一路转动—测量机构原理框图。

图5是捷联式三维稳定平台三轴支撑结构示意图。

图6是捷联式三维稳定平台三轴支撑结构示意图中的A-A剖面图。

图7是捷联式三维稳定平台三轴支撑结构示意图中的B-B剖面图

图8是捷联式三维稳定平台伺服放大器的电路图。

图9是捷联式三维稳定平台管理和解算系统电路图。

具体实施方式

下面给出本实用新型的优选实施方式，并结合附图加以说明。

如附图1所示，捷联式三维稳定平台的主要结构包括：管理和解算系统(1)、伺服系统(2)、捷联式平台(3)三大部分。管理和解算系统(1)及伺服系统(2)都在控制柜中的印制板上，通过内部走线连接，再通过电缆与捷联式平台(3)连接。

管理和解算系统(1)是一台计算机，其中(附图2)包括任务管理软件模块(10)、对模拟式载体姿态信号进行转换的姿态角转换器(11)、实现坐标变换的坐标变换器(12)、输出控制信号的数模转换器(14)、对到位角(模拟式轴角信号)进行转换的轴角/数字(R/D)转换器(13)。它们都在一块印制板上，通过印制板上走线连接。姿态角转换器(11)采用跟踪式R/D转换，它把姿态角模拟量转换为二进制16位数字量。数模转换器(14)把二进制12位数字量转换为模拟量，其比例尺为10V/1。

伺服系统(2)中包含三路伺服放大器：方位伺服放大器(4)、横滚伺服放大器(5)、俯仰伺服放大器(6)。三路伺服放大器的结构是相同的，每一路放大器(附图3)由位置环放大器(15)、速度环放大器(16)、功率放大器(17)串联而成。方位伺服放大器(4)、横滚伺服放大器(5)、俯仰伺服放大器(6)分别在三块印制板上。位置环放大器(15)和速度环放大器(16)由运算放大器组成，除了电压放大外，还包括改善伺服系统动态特性的校正网络。功率放大器(17)采用了PWM型功率放大器和三菱公司的PM75CSA120型智能功率模块(IPM)。为了驱动无刷力矩电机(18)，功率放大器(17)中还包括换相电路。

捷联式平台(3)中的三路转动一测量装置也是一样的。功率放大器(17)输出的电机驱动信号驱动无刷力矩电机(18)转动，与其机械耦合在一起的测速机(19)和谐波减速机(20)的输入轴一起转动。测速机(19)输出轴角转速，作为速度反馈进入速度环放大器(16)中实现速度环闭环。谐波减速机(20)的输出轴带动转动机构(21)和旋转变压器(22)一起转动。旋转变压器(22)输出的轴角信号即到位角，它与补偿角比较产生控制信号(附图2)，实现位置环闭环。旋转变压器(22)采用了1∶32的双速正余弦旋转变压器，用于测量轴角。旋转变压器(22)的输出是模拟量，经过轴角转换器(13)变为二进制16位数字量形式的到位角。

从船上姿态参考设备输出的摇摆信息：ψ(舰船艏向角)、θ(舰船纵摇角)、(舰船横摇角)和被稳设备操控台送来的操作指令：ψ_g(指令舷向角)、β_g(指令俯仰角)一起经过坐标变换器(12)的“坐标变换”解算，得到被稳设备的补偿角：α(方位角)、β(俯仰角)、γ(横滚角)。坐标变换理论上保证：如果三轴转动到此角度，则被稳设备的姿态相对大地是固定的，从而使被稳设备不受舰船摇摆影响，保持姿态稳定。因此，坐标变换器(12)输出的这三个角度通过伺服系统分别驱动三个正交轴上的电机转动，直到三轴的到位角等于α(方位角)、β(俯仰角)、γ(横滚角)，从而消除舰船摇摆对平台姿态的影响，实现平台在某一姿态(ψ_g、β_g)下的稳定。

Claims (4)

1.一种捷联式三维稳定平台，它包括：管理和解算系统(1)、伺服系统(2)、捷联式平台(3)，其特征是：舰船上姿态参考设备输出的姿态信息，经过管理和解算系统(1)分别驱动捷联式平台(3)三轴转动。

2.根据权利要求1所述的捷联式三维稳定平台，其特征是：其中的管理和解算系统(1)包括：任务管理软件模块(10)、姿态角转换器(11)、坐标变换器(12)、数模转换器(14)、轴角/数字转换器(13)。

3.根据权利要求1所述的捷联式三维稳定平台，其特征是：其中的伺服系统(2)包括三路一样的伺服放大器；每一路放大器中，控制信号依次经过位置环放大器(15)、速度环放大器(16)、功率放大器(17)后，进入捷联式平台(3)。

4.根据权利要求1所述的捷联式三维稳定平台，其特征是：其中的捷联式平台(3)包括方位转动—测量装置(7)、横滚转动—测量装置(8)、俯仰转动—测量装置(9)；三轴转动—测量装置的结构是一样的；每一轴的转动都是一个双闭环控制系统，由速度环放大器(16)、功率放大器(17)、无刷力矩电机(18)、测速机(19)组成速度环，速度环的校正网络在速度环放大器(16)中；电机转动经谐波减速机(20)、转动机构(21)、旋转变压器(22)产生到位角，经管理和解算系统(1)的轴角/数字转换器(13)与坐标变换器(12)输出的补偿角相减实现位置环的闭环控制；位置环校正网络在位置环放大器(15)中。

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