CN103149948A

CN103149948A - 一种两自由度大负载跟踪稳定平台***

Info

Publication number: CN103149948A
Application number: CN2013100450282A
Authority: CN
Inventors: 周向阳; 张宏燕; 房建成
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2033-02-04
Also published as: CN103149948B

Abstract

一种两自由度大负载跟踪稳定平台***，包括基座、四个线振动减振器、方位框架、俯仰框架、任务载荷（光电成像器件、两支MEMS加速度计、两支MEMS陀螺仪、POS）、两部有刷直流力矩电机、两支光电码盘、两框架控制电路。基座通过线振动减振器与飞机相连，隔离飞机线振动。方位框架由基座支承，并承载俯仰框组件，实现0°至360°内回转；俯仰框架由方位框支承，并承载任务载荷，实现-90°至0°回转。控制部分根据陀螺仪提供的框架角速率信息以及POS或加速度计提供的姿态信息驱动电机转动框架，补偿隔离飞机角运动。本发明具有精度高、承载/自重比大的特点并具有自身姿态基准，适用于轻小型航空监控***中相机视轴的稳定。

Description

一种两自由度大负载跟踪稳定平台***

技术领域

本发明属于航空光电成像技术领域，涉及一种两自由度大负载跟踪稳定平台***，适用于以直升飞机或轻小型飞机为飞行平台的航空光电成像***，可用于航空遥感、基础测绘、军事侦察等领域。

背景技术

稳定跟踪平台由于能隔离载体（导弹、飞机、战车、舰船）扰动，不断测量平台姿态和位置的变化，精确保持动态姿态基准，并通过图像探测设备实现对机动目标自动跟踪，所以在现代武器***中得到了广泛的应用。例如：在弹（箭）制导导引头中，要求跟随主稳定的目标瞄准线能够隔离弹体角运动对武器射击线的扰动，通过安装在稳定跟踪平台上的图像探测装置获取稳定的目标图像，为大视场目标捕获和小视场目标识别与跟踪提供测量和计算基准，提高在行迸间的发射命中率；坦克、装甲战车等地面车辆需要频繁机动、停止、快速瞄准和行进间射击，其作战平台不仅应具有高度的机动能力，还应具备运动间稳定瞄准，跟踪、射击能力，稳定跟踪平台可用于安装昼视、夜视、测距功能三合一的观瞄设备，获取稳定的视场，使观察者能清楚地洞察战场情况；雷达的天线体积庞大，经常受到各种各样的干扰，为了使其按预定规律搜索或实现目标跟踪，需要稳定***来隔离这些干扰。在航空侦察摄影观测设备、机载目标指示器、空间遥感探测和海底声纳探测等深海作业场合，稳定跟踪平台都得到了广泛的应用。

两自由度跟踪稳定平台有效跟踪目标和稳定成像载荷，是航空侦察平台中使用最多的一种，技术较为成熟。即将光电传感器等侦察设备置于相互正交的俯仰、方位两个框架组成的平台上，通过陀螺敏感平台相对惯性空间运动，然后经通络稳定回路驱动框架力矩电机，克服外界干扰力矩，达到稳定目的。典型的国外产品主要有：以色列CONTROP精密技术公司研制的ESP-600C型无人机载光电侦查平台采用两轴平台，其方位转动范围360°×N、俯仰+10°～-10°、最大角速度50°/s、最大角加速度-50°/s²，其稳定精度达到15urad。MSSP-3型海事观察平台主要用于海事巡逻飞机和巡逻船，采用四框架陀螺稳定***，带有高分辨力前视红外相机、高性能CCD（ChargeCoupledDevice，电荷耦合器件）相机和激光测距仪。这两种稳定平台代表了二框架结构和四框架二轴机构形式稳定平台的国际先进水平。但是目前研究较多的是承载小、载荷少、体积小的机载跟踪稳定平台，此外，还存在稳定范围小，没有POS提供姿态基准不能工作的问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种两自由度大负载跟踪稳定平台***，稳定精度高、承载/自重比并可以自主提供姿态基准，适用于直升飞机或轻小型飞机航空成像、侦察作业。

本发明的技术解决方案是：一种两自由度大负载跟踪稳定平台***，其特征包括结构***、动力***及控制***；所述的结构***包括四个线振动减振器、基座、方位框架和俯仰框架；所述的动力***均采用有刷直流力矩电机+减速齿轮***，包括方位有刷直流力矩电机和方位减速齿轮，用于驱动方位框架；俯仰有刷直流力矩电机和俯仰减速齿轮，用于驱动俯仰框架；所述控制***包括测量组件和控制电路，测量组件包括光电成像器件、位置姿态测量***POS、两支MEMS陀螺仪、一支MEMS加速度计、方位光电码盘、俯仰光电码盘；控制电路的电路板集中安装在电路箱内，且电缆线路从方位轴系、俯仰轴系内部穿过；光电成像器件、POS、陀螺仪、加速度计通过俯仰轴系支承安装在方位框架内，方位框架通过方位轴系支承吊于基座下，基座采用圆周封闭的整体式环形硬铝合金结构通过四个线振动减振器坐安装底板上。

所述的方位框架、俯仰框架由外到内分布，两框架回转轴线正交于一点；方位框架采用封闭的整体式U形结构，通过方位轴系支承吊于在基座下，绕方位轴实现0°至360°旋转，并由方位光电码盘测量方位框架和基座的相对转角；俯仰框架采用开放的整体式方形结构，通过俯仰轴系支承安装在方位框架内，绕左俯仰轴、右俯仰轴实现-90°至0°旋转，并由俯仰光电码盘测量俯仰框架和方位框架的相对转角；方位框架隔离基座方位角速率，俯仰框架隔离基座滚转角速率；实现抵消干扰力矩，实时稳定和调整俯仰框架上的光电成像器件视轴的目的。

本发明的原理是：两自由度大负载跟踪稳定平台***由两个框架构成，由外至内分别是方位框架、俯仰框架。方位框架的回转轴沿着飞机的航向方向，用以隔离飞机的方位角运动；俯仰框架的回转轴沿飞机飞行方向，用以隔离飞机的横滚角运动；各回转轴均以顺时针旋转为正。

如图2所示，方位有刷直流力矩电机，驱动方位框架转动，俯仰有刷直流力矩电机驱动俯仰框架转动；安装在俯仰框架上的方位MEMS陀螺仪敏感方位框架沿方位轴相对于惯性空间的转动角速度，俯仰MEMS陀螺仪敏感俯仰框架沿俯仰轴相对于惯性空间的转动角速度；安装在俯仰框架上的俯仰加速度计敏感重力加速度在俯仰轴的加速度投影；方位光电码盘测量方位框架与基座间相对转角，俯仰光电码盘测量俯仰框架与方位框架间相对转角。伺服控制器根据速率陀螺敏感到的框架角速率信息和加速度计或POS测量出的姿态信息产生控制信号，控制信号经过功率驱动模块转换为电压信号给力矩电机，力矩电机输出驱动力矩，通过齿轮减速装置反向驱动两个框架转动，实现抵消干扰力矩，实时稳定或调整光电成像载荷视轴的目的。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）结构部分采用整体、开放式设计，基座采用圆周封闭的整体式环形硬铝合金结构坐安装于机舱板上；方位框采用封闭的整体式U形结构吊于基座下方，俯仰框采用开放的整体式方形结构安装于方位框内。以上措施使得本发明相对于现有两轴跟踪稳定平台，克服了载荷体积大带来的不利，具有承载大，承载载荷多、力矩大的特点。

（2）主电路板集中安装在电路箱内，电路箱安装在方位框架侧板上；电缆线路从方位轴、右俯仰轴内部穿过；上述措施使得平台结构紧凑，绕线干扰减小，调试容易；

（3）平台内部安装加速度计提供位置姿态基准，使平台在没有POS情况下可实现水平自主稳定；同时，选用MEMS惯性器件显著减小了所需要的空间尺寸和重量，并可获得更大的稳定范围；

（4）框架动力***采用有刷直流力矩电机+减速齿轮的组合方式，力矩大，易于实现框架控制。

附图说明

图1为本发明的组成框图及其连接关系；

图2为本发明的总体剖面视图以及坐标系方向的规定；

图3为本发明的基座剖面图；

图4为本发明的方位动力***剖面图；

图5为本发明的俯仰动力***剖面图；

图6为本发明的方位轴系剖面图；

图7为本发明的俯仰轴系剖面图；

图8为本发明的方位码盘剖面图；

图9为本发明的方位码盘剖面图；

图10为本发明的工作原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括结构***、动力***及控制***；所述的结构***包括四个线振动减振器2、基座1、方位框架6和俯仰框架10；所述的动力***均采用有刷直流力矩电机+减速齿轮***，包括方位有刷直流力矩电机4和方位减速齿轮20，用于驱动方位框架6；俯仰有刷直流力矩电机15和俯仰减速齿轮16，用于驱动俯仰框架10；所述控制***包括测量组件和控制电路，测量组件包括光电成像器件17、位置姿态测量***POS11测量俯仰框架10姿态信息、方位MEMS陀螺仪敏感方位框架沿方位轴相对于惯性空间的转动角速度，俯仰MEMS陀螺仪敏感俯仰框架沿俯仰轴相对于惯性空间的转动角速度；加速度计8敏感方重力加速度在俯仰轴的加速度投影；方位光电码盘3测量方位框架与基座间相对转角，俯仰光电码盘7测量俯仰框架与方位框架间相对转角。伺服控制器根据测量组件信息产生控制信号，控制信号经过功率驱动模块转换为电压信号给力矩电机，力矩电机输出驱动力矩，通过齿轮减速装置反向驱动两个框架转动，实现抵消干扰力矩，实时稳定或调整光电成像载荷视轴的目的。

如图2所示，本发明的方位框架6、俯仰框架10由外到内分布，两框架回转轴线正交于一点；方位框架6采用封闭的整体式U形结构，通过方位轴系18支承吊于在基座1下，绕方位轴系18实现0°至360°旋转，并由方位光电码盘3测量方位框架6和基座1的相对转角；俯仰框架10采用开放的整体式方形结构，通过俯仰轴系14支承安装在方位框架6内，绕俯仰轴系14实现-90°至0°旋转，并由俯仰光电码盘7测量俯仰框架10和方位框架6的相对转角；方位框架6隔离基座方位角速率，俯仰框架10隔离基座滚转角速率；实现抵消干扰力矩，实时稳定和调整俯仰框架上的光电成像器件视轴的目的。

如图3所示，本发明中基座1底部设计4个向上突起，4个突起下分别放置4个线形减振器2，减振器与安装底板19相连，实现减振器2内嵌式安装，并隔离来自飞机载体的高频振动；基座1中部方位轴系安装孔102根据方位角接触轴承1803结构及尺寸设计，实现基座1和方位角接触轴承1803外环的配合。

如图4所示，本发明方位有刷直流力矩电机4由电刷402、电机轴座405、电机轴408、转子钢环410、绕组线圈403、定子钢环404、轴承409、固定螺母401、安装法兰411组成，通过方位电机轴座405安装在基座1上；方位有刷直流力矩电机4的输出轴端设计成方位电机轴端齿轮406形式，方位电机轴端齿轮406与方位减速齿轮20啮合。

如图5所示，本发明俯仰有刷直流力矩电机15由电刷1511、电机轴座1501、电机轴1502、转子钢环1509、绕组线圈1510、定子钢环1505、轴承1506、固定螺母1508、安装法兰1507组成，通过俯仰电机轴座1501安装在俯仰框架10侧板上；俯仰有刷直流力矩电机15的输出轴端设计成俯仰电机轴端齿轮1503形式，俯仰电机轴端齿轮1503与俯仰减速齿轮16啮合。

如图6所示，本发明方位轴系18由方位轴1801、方位角接触轴承1803、紧固螺母1806、键1802、方位减速齿轮20组成。方位角接触轴承1803外环与基座配合，方位角接触轴承1803内环与方位轴1801配合，实现方位轴1801的径向力支承和轴向力支承。方位减速齿轮20通过紧固螺母1806、内六角圆柱头螺钉1804固定在方位轴1801上，同时，方位减速齿轮20与方位轴1801通过键1802配合，实现动力传递。

如图7所示，本发明俯仰轴系14由左俯仰轴1405、右俯仰轴1408左俯仰角接触轴承1401、左俯仰角接触轴承1409、紧固螺母1406、键1404、俯仰减速齿轮16、左俯仰轴端盖1402、右俯仰轴端盖1410组成。左俯仰轴端盖1402通过内六角圆柱头螺钉1407固定在方位框架6侧板上；左俯仰角接触轴承1401内环与左俯仰轴1405配合，左俯仰角接触轴承1401外环与左俯仰轴端盖1402配合，实现左俯仰轴1405径向力支承和轴向力支承；左俯仰轴1405外端加紧固螺母1406实现左俯仰轴1405轴向固定；左俯仰轴1405与俯仰减速齿轮16通过键1404配合，实现动力传递；右俯仰轴角接触轴承1409内环与右俯仰轴1408配合，右俯仰轴角接触轴承1409外环与右俯仰轴端盖1410配合，实现右俯仰轴1408的径向受力支承和轴向受力支承。

如图8所示，本发明方位光电码盘3安装与方位轴1801上端，直接测量方位框架6与基座1的相对转角。方位光电码盘支座302通过内六角圆柱头螺钉305固定在方位光电码盘支座垫片303上，方位光电码盘支座垫片303通过内六角圆柱头螺钉304固定在方位轴1801上；方位光电码盘体301直接坐于方位光电码盘支座302上，并通过码盘卡306和方位轴1801紧固，方位轴1801转动时带动方位光电码盘体301内部圆环转动，实现转角测量。

如图9所示，本发明俯仰光电码盘7安装在右俯仰轴1408一端，直接测量俯仰框架10与方位框架6的相对转角。俯仰光电码盘前端盖701、俯仰光电码盘后端盖705通过内六角圆柱头螺钉702紧固；俯仰光电码盘体703坐于俯仰光电码盘后端盖705，并通过紧固螺钉704固定于右俯仰轴1408，右俯仰轴1408转动时，带动俯仰光电码盘体703内部圆环转动，实现转角测量。

如图10所示，成像载荷、POS、速率陀螺均安装在俯仰框上，陀螺敏感扰动力矩对载荷的影响反馈给控制***，使电机及时的补偿掉扰动，实现视轴的稳定。POS用来反馈载荷即俯仰框相对地理坐标系的实时位置，根据给定的指令角度，控制载荷视轴跟随相对地理坐标系的指定角度。光电码盘用来测量方位框相对于基座、俯仰框相对于方位框的角度，实现伺服控制和进行限位保护。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种两自由度大负载跟踪稳定平台***，其特征在于包括结构***、动力***及控制***；所述的结构***包括四个线振动减振器（2）、基座（1）、方位框架（6）和俯仰框架（10）；所述的动力***均采用有刷直流力矩电机+减速齿轮***，包括方位有刷直流力矩电机（4）和方位减速齿轮（20），用于驱动方位框架（6）；俯仰有刷直流力矩电机（15）和俯仰减速齿轮（16），用于驱动俯仰框架（10）；所述控制***包括测量组件和控制电路，测量组件包括光电成像器件（17）、位置姿态测量***POS（11）、两支MEMS陀螺仪（13）、一支MEMS加速度计（8）、方位光电码盘（3）、俯仰光电码盘（7）；控制电路的电路板集中安装在电路箱（5）内，且电缆线路从方位轴系（18）、俯仰轴系（14）内部穿过；光电成像器件（17）、位置姿态测量***POS（11）、陀螺仪（13）、加速度计（8）通过俯仰轴系（14）支承安装在方位框架（6）内，方位框架（6）通过方位轴系（18）支承吊于基座（1）下，基座（1）采用圆周封闭的整体式环形硬铝合金结构通过四个线振动减振器（2）坐安装底板（19）上。

所述的方位框架（6）、俯仰框架（10）由外到内分布，两框架回转轴线正交于一点；方位框架（6）采用封闭的整体式U形结构，通过方位轴系（18）支承吊于在基座（1）下，绕方位轴系（18）实现0°至360°旋转，并由方位光电码盘（3）测量方位框架（6）和基座（1）的相对转角；俯仰框架（10）采用开放的整体式方形结构，通过俯仰轴系（14）支承安装在方位框架（6）内，绕俯仰轴系（14）实现-90°至0°旋转，并由俯仰光电码盘（7）测量俯仰框架（10）和方位框架（6）的相对转角；方位框架（6）隔离基座方位角速率，俯仰框架（10）隔离基座滚转角速率；实现抵消干扰力矩，实时稳定和调整俯仰框架上的光电成像器件视轴的目的。

2.根据权利要求1所述的一种两自由度大负载跟踪稳定平台***，其特征在于：所述基座（1）底部设计4个向上突起，4个突起下分别放置4个线形减振器（2），减振器与安装底板（19）相连，实现线形减振器（2）内嵌式安装，并隔离来自飞机载体的高频振动；基座（1）中部方位轴系安装孔（102）根据方位角接触轴承（1803）结构及尺寸设计，实现基座（1）和方位角接触轴承（1803）外环的配合。

3.根据权利要求1所述的一种两自由度大负载跟踪稳定平台***，其特征在于：所述方位有刷直流力矩电机（4）由电刷（402）、电机轴座（405）、电机轴（408）、转子钢环（410）、绕组线圈（403）、定子钢环（404）、轴承（409）、固定螺母（401）和安装法兰（411）组成，通过方位电机轴座（405）安装在基座（1）上；方位有刷直流力矩电机（4）的输出轴端设计成方位电机轴端齿轮（406）形式，方位电机轴端齿轮（406）与方位减速齿轮（20）啮合。

4.根据权利要求1所述的一种两自由度大负载跟踪稳定平台***，其特征在于：所述俯仰有刷直流力矩电机（15）由电刷（1511）、电机轴座（1501）、电机轴（1502）、转子钢环（1509）、绕组线圈（1510）、定子钢环（1505）、轴承（1506）、固定螺母（1508）和安装法兰（1507）组成，通过俯仰电机轴座（1501）安装在俯仰框架（10）侧板上；俯仰有刷直流力矩电机（15）的输出轴端设计成俯仰电机轴端齿轮（1503）形式，俯仰电机轴端齿轮（1503）与俯仰减速齿轮（16）啮合。

5.根据权利要求1所述的一种两自由度大负载跟踪稳定平台***，其特征在于：所述方位轴系（18）由方位轴（1801）、方位角接触轴承（1803）、紧固螺母（1806）、键（1802）和方位减速齿轮（20）组成；方位角接触轴承（1803）外环与基座配合，方位角接触轴承（1803）内环与方位轴（1801）配合，实现方位轴（1801）的径向力支承和轴向力支承。方位减速齿轮（20）通过紧固螺母（1806）、内六角圆柱头螺钉（1804）固定在方位轴（1801）上，同时，方位减速齿轮（20）与方位轴（1801）通过键（1802）配合，实现动力传递。

6.根据权利要求1所述的一种两自由度大负载跟踪稳定平台***，其特征在于：所述俯仰轴系（14）由左俯仰轴（1405）、右俯仰轴（1408）左俯仰角接触轴承（1401）、左俯仰角接触轴承（1409）、紧固螺母（1406）、键（1404）、俯仰减速齿轮（16）、左俯仰轴端盖（1402）和右俯仰轴端盖（1410）组成；左俯仰轴端盖（1402）通过内六角圆柱头螺钉（1407）固定在方位框架（6）侧板上；左俯仰角接触轴承（1401）内环与左俯仰轴（1405）配合，左俯仰角接触轴承（1401）外环与左俯仰轴端盖（1402）配合，实现左俯仰轴（1405）径向力支承和轴向力支承；左俯仰轴（1405）外端加紧固螺母（1406）实现左俯仰轴（1405）轴向固定；左俯仰轴（1405）与俯仰减速齿轮（16）通过键（1404）配合，实现动力传递；右俯仰轴角接触轴承（1409）内环与右俯仰轴（1408）配合，右俯仰轴角接触轴承（1409）外环与右俯仰轴端盖（1410）配合，实现右俯仰轴（1408）的径向受力支承和轴向受力支承。

7.根据权利要求1所述的一种两自由度大负载跟踪稳定平台***，其特征在于：所述的方位光电码盘（3）安装与方位轴（1801）上端，直接测量方位框架（6）与基座（1）的相对转角；方位光电码盘支座（302）通过内六角圆柱头螺钉（305）固定在方位光电码盘支座垫片（303）上，方位光电码盘支座垫片（303）通过内六角圆柱头螺钉（304）固定在方位轴（1801）上；方位光电码盘体（301）直接坐于方位光电码盘支座（302）上，并通过码盘卡（306）和方位轴（1801）紧固，方位轴（1801）转动时带动方位光电码盘体（301）内部圆环转动，实现转角测量。

8.根据权利要求1所述的一种两自由度大负载跟踪稳定平台***，其特征在于：所述的俯仰光电码盘（7）安装在右俯仰轴（1408）一端，直接测量俯仰框架（10）与方位框架（6）的相对转角；俯仰光电码盘前端盖（701）、俯仰光电码盘后端盖（705）通过内六角圆周头螺钉（702）紧固；俯仰光电码盘体（703）坐于俯仰光电码盘后端盖（705），并通过紧固螺钉（704）固定于右俯仰轴（1408），右俯仰轴（1408）转动时，带动俯仰光电码盘体（703）内部圆环转动，实现转角测量。