CN115079740A - 磁悬浮式惯性稳定平台 - Google Patents

Abstract

磁悬浮式惯性稳定平台，该平台包括基座、可绕y轴转动的外框架、可绕x轴转动的内框架、设置在内框架内的安装面、两个外框架磁悬浮轴承、两个内框架磁悬浮轴承、外框架电机、内框架电机和惯性传感器，安装面以大地地理水平坐标系为基准；外框沿y轴方向的两端设有外框转轴，外框转轴与外框磁悬浮轴承的转子连接；内框沿x轴方向的两端设有内框转轴，内框转轴与内框磁悬浮轴承的转子连接；安装面固定连接在内框内，平台的上设有惯性传感器，惯性传感器与平台控制***电连接，平台控制***与外框磁悬浮轴承、内框磁悬浮轴承电连接。本发明能够对低频且幅值大的振动实现高精度的实时补偿，从而实现冷原子重力仪的高精度野外动态测量。

Description

磁悬浮式惯性稳定平台

技术领域

本发明涉及冷原子重力仪野外动态测量的高精度主动隔振技术领域，尤其涉及磁悬浮式惯性稳定平台。

背景技术

目前国内外报道的主动隔振方法很多，常用的主动隔振平台通过振动传感器实时测量振动数据，并将数据反馈给控制器，使执行器产生相反方向的推力从而达到隔离低频振动的目的，但是这种主动隔振平台一般无法对低频且振幅大的振动进行实时补偿和抑制，常用于光学测量领域。另外一种常用的主动隔振方法是传统的惯性稳定平台，一般采用两轴或三轴结构，平台轴系上安装陀螺、加速度计、角位置传感器等，当由于振动干扰导致平台姿态发生改变时，惯性稳定平台通过传感器测量平台姿态角度和角速率的变化，并通过控制算法解算产生相反方向的推力从而使平台姿态保持惯性稳定，这种方法在航空、航海中得到很多应用，适合振动幅度大、频率低的情况，但缺点是这种惯性稳定平台的稳定精度往往不高，难以满足冷原子重力仪野外动态测量时高精度测量的需求。

还有一种主动隔振方法采用磁悬浮隔振平台，其原理是通过改变电磁线圈中的电流强度获得可变阻尼力的新型非接触隔振方式，在超静平台、精密制造、精密定位等领域应用广泛。磁悬浮隔振平台的结构通常由定子、浮子、线缆和洛伦兹力作动器组成。作动器包含两组条形永磁体、矩形空心线圈以及磁轭。当定子受到外界扰动时，通过调节线圈电流的大小和方向使作动器产生能抵消外部扰动的洛伦兹力，从而为浮子上的有效载荷隔离振动干扰。这种平台的缺点是平台的行程很小，通常只有毫米量级，因此无法实现对低频且大振幅的振动进行实时补偿。而冷原子重力仪需要工作在复杂外部环境下，例如在海上测量时海浪造成的振动幅值一般都很大，对这种低频且大振幅的振动条件这种磁悬浮隔振平台难以满足其需求。

综上所述，目前国内外的主动隔振技术都难以满足冷原子重力仪野外动态高精度测量的需求。

发明内容

本发明针对冷原子重力仪野外动态高精度测量的需求提供一种磁悬浮式惯性稳定平台。这种平台能够对低频且幅值大的振动实现高精度的实时补偿，从而实现冷原子重力仪的高精度野外动态测量，同时相比传统机械轴承式惯性稳定平台消除了摩檫力的不利影响，能够进一步提升主动隔振的精度。

本发明采用的技术方案是：磁悬浮式惯性稳定平台，该平台包括基座、可绕y轴转动的外框架、可绕x轴转动的内框架、设置在内框架内的安装面、两个外框架磁悬浮轴承、两个内框架磁悬浮轴承、、外框架电机、内框架电机和惯性传感器；

所述安装面的上表面用于承载重力仪探头，安装面以大地地理水平坐标系为基准，并通过内框架和外框架实现安装面相对大地地理水平面始终保持平行；以安装面的中心为原点，经过原点的横向直线为x轴，经过原点的纵向直线为y轴，x轴和y轴所构成的平面与大地地理水平面平行，沿竖直方向远离原点的直线为z轴；

所述基座包括底座，底座沿y轴方向的两端相对设置有垂直向上延伸的外框架支撑架；两个外框架支撑架朝向相对的一侧各设有一个外框架磁悬浮轴承；所述外框架呈框状，沿y轴方向的外侧两端各设有一个外框架转轴，外框架转轴远离原点的一端分别与对应的外框架磁悬浮轴承相连，其中一个外框架转轴靠近原点的一端安装有外框架电机；外框架沿x轴方向的内侧两端各设有一个内框架磁悬浮轴承；所述内框架呈框状，内框架沿x轴的外侧两端各设有一个内框架转轴，内框架转轴远离原点的一端分别与对应的内框架磁悬浮轴承相连，其中一个内框架转轴靠近原点的一端安装有内框架电机；

所述安装面固定连接在内框架内，惯性传感器与重力仪探头安装在安装面上，惯性传感器包括三个陀螺和三个加速度计，其中一个陀螺测量x轴方向的角速度，一个陀螺测量y轴方向的角速度，另一个陀螺测量z轴方向的角速度；其中一个加速度计测量x轴方向的角加速度，一个加速度计测量y轴方向的角加速度，另一个加速度计测量z轴方向的角加速度；

所述惯性传感器与平台控制***的输入端通过通信线路连接，平台控制***的控制端与外框架电机、内框架电机电连接；惯性传感器测量重力仪探头相对当地地理坐标系的姿态变化数据，并将姿态变化数据传输至平台控制***；平台控制***计算并控制外框架电机、内框架电机产生相反方向的电磁力使外框架、内框架回到指定位置，从而使安装面与当地地理水平面始终保持平行，并且使重力仪探头中心线始终垂直向下，为实现冷原子重力仪动态高精度测量提供基础；

所述两个外框架磁悬浮轴承、两个内框架磁悬浮轴承、与平台控制***的磁悬浮控制端电连接，两个外框架磁悬浮轴承、两个内框架磁悬浮轴承、内部的位置传感器检测转子的轴位置信号并传送给平台控制***；

所述平台控制***与功率放大器电连接，功率放大器与两个外框架磁悬浮轴承、两个内框架磁悬浮轴承电连接；平台控制***计算轴偏差信号并通过功率放大器控制电磁铁中的电流,从而产生电磁力的变化使转子悬浮于规定的位置。

进一步，所述重力仪探头设置在安装面中心位置，平台控制***包括磁悬浮轴承驱动、控制器和电源；

所述电源为y轴加速度计、z轴加速度计、x轴陀螺、y轴陀螺、z轴陀螺、磁悬浮轴承驱动和控制器供电；

所述x轴加速度计、y轴加速度计、z轴加速度计、x轴陀螺、y轴陀螺和z轴陀螺分别与控制器的输入端电连接，控制器的输出端与磁悬浮轴承驱动的输入端电连接，磁悬浮轴承驱动的输出端分别与两个外框架磁悬浮轴承、两个内框架磁悬浮轴承的输入端电连接；

控制器对x轴加速度计、y轴加速度计、z轴加速度计、x轴陀螺、y轴陀螺和z轴陀螺监测的冷原子重力仪探头的运动数据进行处理，获取冷原子重力仪探头的姿态变化数据，并根据姿态变化数据向磁悬浮轴承驱动发送控制信号；磁悬浮轴承驱动控制两个外框架磁悬浮轴承、两个内框架磁悬浮轴承产生相反方向的电磁力，使两个外框架磁悬浮轴承中的外框架转轴、两个内框架磁悬浮轴承中的内框架转轴回到指定位置。

进一步，所述外框架磁悬浮轴承、内框架磁悬浮轴承均包括磁悬浮轴承定子以及和所述磁悬浮轴承定子相互配合的转子。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用磁悬浮轴承代替传统轴承，将磁悬浮技术与惯性稳定平台技术结合，实现稳定平台对低频振动的抑制和实时补偿，使稳定平台的姿态始终保持惯性稳定。传统惯性稳定平台采用机械轴承，轴系普遍存在不可忽略的摩擦力，并且由于轴系的原因会表现出明显的粘滞特性，这往往会对稳定平台的控制精度产生不利影响。磁悬浮轴承是一种利用磁场力将转子无机械摩擦地悬浮在空中的一种高性能轴承，相比传统接触式轴承具有无摩擦、无磨损、无需润滑和密封、成本低、损耗少及寿命长等优点，因此磁悬浮式惯性稳定平台相比传统惯性稳定平台能够消除轴系摩擦力的不利影响，从而有效提高稳定精度。冷原子绝对重力仪安装在磁悬浮式惯性稳定平台的中心，通过磁悬浮式惯性稳定平台对低频干扰的高精度隔离，能够实现冷原子绝对重力仪在复杂外部环境下高精度的动态重力测量，具有重要的应用前景和意义。

(2)平台承载的载体在运动时受到的低频扰动通常是大幅值、低频率的非周期性振动，即低频噪声，例如地形变化、海浪等造成载体纵摇、横荡、艏摇三个自由度的角运动，艏摇对冷原子重力仪的重力测量没有影响，因此只需要隔离载体的横摇和纵摇角运动。本发明采用双轴惯性稳定平台分别对横摇、纵摇两个方向的角运动进行实时补偿达到隔离低频噪声的目的。本发明充分结合双轴惯性稳定平台技术和磁悬浮轴承技术设计磁悬浮式惯性稳定平台。能够对低频且幅值大的振动实现高精度的实时补偿，从而实现冷原子重力仪的高精度野外动态测量，同时相比传统机械轴承式惯性稳定平台消除了摩檫力的不利影响，能够进一步提升主动隔振的精度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“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。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照附图，磁悬浮式惯性稳定平台，该平台包括基座1、可绕y轴转动的外框架2、可绕x轴转动的内框架3、设置在内框架3内的安装面、两个外框架磁悬浮轴承4、16、两个内框架磁悬浮轴承5、17、外框架电机18、内框架电机19和惯性传感器；

所述安装面的上表面用于承载重力仪探头12，安装面以大地地理水平坐标系为基准，由外框架架轴系和内框架架轴系组成，并通过内框架3和外框架2实现安装面相对大地地理水平面始终保持平行；以安装面的中心为原点，经过原点的横向直线为x轴，经过原点的纵向直线为y轴，x轴和y轴所构成的平面与大地地理水平面平行，沿竖直方向远离原点的直线为z轴；

所述基座1包括底座，底座沿y轴方向的两端相对设置有垂直向上延伸的外框架支撑架；两个外框架支撑架朝向相对的一侧各设有一个外框架磁悬浮轴承4、16；所述外框架2呈框状，沿y轴方向的外侧两端各设有一个外框架转轴，外框架转轴远离原点的一端分别与对应的外框架磁悬浮轴承4、16相连，其中一个外框架转轴靠近原点的一端安装有外框架电机18；外框架2沿x轴方向的内侧两端各设有一个内框架磁悬浮轴承5、17；所述内框架3呈框状，内框架3沿x轴的外侧两端各设有一个内框架转轴，内框架转轴远离原点的一端分别与对应的内框架磁悬浮轴承5、17相连，其中一个内框架转轴靠近原点的一端安装有内框架电机19；

所述安装面固定连接在内框架3内，惯性传感器与重力仪探头安装在安装面上，惯性传感器包括三个陀螺9、10、11和三个加速度计6、7、8，其中一个陀螺9测量x轴方向的角速度，一个陀螺10测量y轴方向的角速度，另一个陀螺11测量z轴方向的角速度；其中一个加速度计6测量x轴方向的角加速度，一个加速度计7测量y轴方向的角加速度，另一个加速度计8测量z轴方向的角加速度；

所述惯性传感器与平台控制***的输入端通过通信线路连接，平台控制***14的控制端与外框架电机18、内框架电机19电连接；惯性传感器测量重力仪探头12相对当地地理坐标系的姿态变化数据，并将姿态变化数据传输至平台控制***14；平台控制***14计算并控制外框架电机18、内框架电机19产生相反方向的电磁力使外框架、内框架回到指定位置，从而使安装面与当地地理水平面始终保持平行，并且使重力仪探头中心线始终垂直向下，为实现冷原子重力仪动态高精度测量提供基础；

所述两个外框架磁悬浮轴承4、16、两个内框架磁悬浮轴承5、17与平台控制***14的磁悬浮控制端电连接，两个外框架磁悬浮轴承4、16、两个内框架磁悬浮轴承5、17内部的位置传感器检测转子的轴位置信号并传送给平台控制***；

所述平台控制***14与功率放大器13电连接，功率放大器13与两个外框架磁悬浮轴承4、16、两个内框架磁悬浮轴承5、17电连接；平台控制***14计算轴偏差信号并通过功率放大器13控制电磁铁中的电流,从而产生电磁力的变化使转子悬浮于规定的位置。

本发明的实施例中，所述重力仪探头12设置在安装面中心位置，平台控制***包括磁悬浮轴承驱动13、控制器14和电源15；

所述电源15为y轴加速度计7、z轴加速度计8、x轴陀螺9、y轴陀螺10、z轴陀螺11、磁悬浮轴承驱动13和控制器14供电；

所述x轴加速度计6、y轴加速度计7、z轴加速度计8、x轴陀螺9、y轴陀螺10和z轴陀螺11分别与控制器14的输入端电连接，控制器14的输出端与磁悬浮轴承驱动13的输入端电连接，磁悬浮轴承驱动14的输出端分别与两个外框架磁悬浮轴承4、16、两个内框架磁悬浮轴承5、17的输入端电连接；

控制器13对x轴加速度计6、y轴加速度计7、z轴加速度计8、x轴陀螺9、y轴陀螺10和z轴陀螺11监测的冷原子重力仪探头12的运动数据进行处理，获取冷原子重力仪探头12的姿态变化数据，并根据姿态变化数据向磁悬浮轴承驱动14发送控制信号；磁悬浮轴承驱动14控制两个外框架磁悬浮轴承4、16、两个内框架磁悬浮轴承5、17产生相反方向的电磁力，使两个外框架磁悬浮轴承4、16中的外框架转轴、两个内框架磁悬浮轴承5、17中的内框架转轴回到指定位置。本发明的实施例中，所述外框磁悬浮轴承4、16，内框磁悬浮轴承5、17均为磁悬浮轴承，包括磁悬浮轴承定子以及和所述磁悬浮轴承定子相互配合的转子。本发明对外框磁悬浮轴承4、内框磁悬浮轴承没有特殊限制，为本领域技术人员熟知的磁悬浮轴承即可。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (3)

1.磁悬浮式惯性稳定平台，其特征在于：该平台包括基座(1)、可绕y轴转动的外框架(2)、可绕x轴转动的内框架(3)、设置在内框架(3)内的安装面、两个外框架磁悬浮轴承(4、16)、两个内框架磁悬浮轴承(5、17)、外框架电机(18)、内框架电机(19)和惯性传感器；

所述安装面的上表面用于承载重力仪探头(12)，安装面以大地地理水平坐标系为基准，并通过内框架(3)和外框架(2)实现安装面相对大地地理水平面始终保持平行；以安装面的中心为原点，经过原点的横向直线为x轴，经过原点的纵向直线为y轴，x轴和y轴所构成的平面与大地地理水平面平行，沿竖直方向远离原点的直线为z轴；

所述基座(1)包括底座，底座沿y轴方向的两端相对设置有垂直向上延伸的外框架支撑架；两个外框架支撑架朝向相对的一侧各设有一个外框架磁悬浮轴承(4、16)；所述外框架(2)呈框状，沿y轴方向的外侧两端各设有一个外框架转轴，外框架转轴远离原点的一端分别与对应的外框架磁悬浮轴承(4、16)相连，其中一个外框架转轴靠近原点的一端安装有外框架电机(18)；外框架(2)沿x轴方向的内侧两端各设有一个内框架磁悬浮轴承(5、17)；所述内框架(3)呈框状，内框架(3)沿x轴的外侧两端各设有一个内框架转轴，内框架转轴远离原点的一端分别与对应的内框架磁悬浮轴承(5、17)相连，其中一个内框架转轴靠近原点的一端安装有内框架电机(19)；

所述安装面固定连接在内框架(3)内，惯性传感器与重力仪探头安装在安装面上，惯性传感器包括三个陀螺(9、10、11)和三个加速度计(6、7、8)，其中一个陀螺(9)测量x轴方向的角速度，一个陀螺(10)测量y轴方向的角速度，另一个陀螺(11)测量z轴方向的角速度；其中一个加速度计(6)测量x轴方向的角加速度，一个加速度计(7)测量y轴方向的角加速度，另一个加速度计(8)测量z轴方向的角加速度；

所述惯性传感器与平台控制***的输入端通过通信线路连接，平台控制***(14)的控制端与外框架电机(18)、内框架电机(19)电连接；惯性传感器测量重力仪探头(12)相对当地地理坐标系的姿态变化数据，并将姿态变化数据传输至平台控制***(14)；平台控制***(14)计算并控制外框架电机(18)、内框架电机(19)产生相反方向的电磁力使外框架、内框架回到指定位置，从而使安装面与当地地理水平面始终保持平行，并且使重力仪探头中心线始终垂直向下，为实现冷原子重力仪动态高精度测量提供基础；

所述两个外框架磁悬浮轴承(4、16)、两个内框架磁悬浮轴承(5、17)与平台控制***(14)的磁悬浮控制端电连接，两个外框架磁悬浮轴承(4、16)、两个内框架磁悬浮轴承(5、17)内部的位置传感器检测转子的轴位置信号并传送给平台控制***；

所述平台控制***(14)与功率放大器(13)电连接，功率放大器(13)与两个外框架磁悬浮轴承(4、16)、两个内框架磁悬浮轴承(5、17)电连接；平台控制***(14)计算轴偏差信号并通过功率放大器(13)控制电磁铁中的电流，从而产生电磁力的变化使转子悬浮于规定的位置。

2.如权利要求1所述的磁悬浮式惯性稳定平台，其特征在于：所述重力仪探头(12)设置在安装面中心位置，平台控制***包括磁悬浮轴承驱动(13)、控制器(14)和电源(15)；

所述电源(15)为y轴加速度计(7)、z轴加速度计(8)、x轴陀螺(9)、y轴陀螺(10)、z轴陀螺(11)、磁悬浮轴承驱动(13)和控制器(14)供电；

所述x轴加速度计(6)、y轴加速度计(7)、z轴加速度计(8)、x轴陀螺(9)、y轴陀螺(10)和z轴陀螺(11)分别与控制器(14)的输入端电连接，控制器(14)的输出端与磁悬浮轴承驱动(13)的输入端电连接，磁悬浮轴承驱动(14)的输出端分别与两个外框架磁悬浮轴承(4、16)、两个内框架磁悬浮轴承(5、17)的输入端电连接；

控制器(13)对x轴加速度计(6)、y轴加速度计(7)、z轴加速度计(8)、x轴陀螺(9)、y轴陀螺(10)和z轴陀螺(11)监测的冷原子重力仪探头(12)的运动数据进行处理，获取冷原子重力仪探头(12)的姿态变化数据，并根据姿态变化数据向磁悬浮轴承驱动(14)发送控制信号；磁悬浮轴承驱动(14)控制两个外框架磁悬浮轴承(4、16)、两个内框架磁悬浮轴承(5、17)产生相反方向的电磁力，使两个外框架磁悬浮轴承(4、16)中的外框架转轴、两个内框架磁悬浮轴承(5、17)中的内框架转轴回到指定位置。

3.如权利要求1所述的新型磁悬浮式惯性稳定平台，其特征在于：所述外框架磁悬浮轴承(4、16)、内框架磁悬浮轴承(5、17)均包括磁悬浮轴承定子以及和所述磁悬浮轴承定子相互配合的转子。

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