CN1305091A - 陀螺定向稳定平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陀螺定向稳定平台,它由平台,自由陀螺,传感器,信号处理装置,驱动装置组成。通过自动修正漂移,能使作为基准的陀螺自转轴,始终保持在重力垂线方向。当运动载体颠簸使平台偏斜时,其误差被传感器测出,通过驱动装置将平台校正回水平姿态。陀螺只作为基准而不承受平台负载,因此尺寸小,寿命长。和基于传感器输出,间接计算垂直基准相比,用陀螺直接提供垂直基准不但精度高,而且价廉,便于推广。

Description

陀螺定向稳定平台

本发明涉及一种陀螺定向稳定平台，特别是安装在运动载体如船舶，车辆和飞行器上，为***天线，卫星通讯天线，气象云图接收天线，观测摄影仪器等要求瞄准或跟踪的设备所提供的二自由度陀螺稳定平台。

现有的稳定平台，大致上可以分为被动式(无源)平台和主动式(有源)平台两类。典型的被动式平台见中国实用新型专利ZL94218035.6，美国专利US4020491,US893123和US4442435等。其工作原理都是利用陀螺的定向性，直接靠陀螺力矩稳定平台的姿态。例如在ZL94218035.6中，利用陀螺稳定平台上旋转的飞轮所形成的陀螺力矩与干扰力矩相反，维持天线装置原水平姿态。典型的主动式平台见美国专利US5922039,US5227806和US4156241等。在US5922039中，於运动载体上按一定规律排列多个倾斜仪(Inclinometer)和加速度计。这些传感器能输出反映运动载体姿态及其变化率的信号，经微处理器解算后，求出当地重力垂线方向。将平台的法线方向与重力垂线方向比较，求出偏差值，用以控制驱动装置，将平台法线调整到与重力垂线一致，从而实现对平台的稳定。

上述被动式平台的主要缺点，一是当平台负荷较大时，要求陀螺有足够大的角动量矩。这意味着陀螺须增大转动惯量，提高转速，导致运行时震动和噪声大，陀螺寿命短；二是陀螺对平台施加稳定力矩的同时，其自身也承受相等的反力矩，这不可避免地使陀螺产生进动漂移，破坏平台的稳定性；三是当陀螺不开动时平台失去稳定力矩，成为自由悬垂摆，当运动载体颠簸时，平台易受撞击损坏。

上述主动式平台的主要缺点是，利用倾斜仪和加速度计的输出信号，间接求取重力垂线的方法比较复杂，座标转换等计算环节易导入误差，而且成本较高。

本发明目的在于解决上述被动式平台和主动式平台存在的缺点，而提供一种以陀螺为定向基准，精度高，体积小，成本低的新型陀螺定向稳定平台。

本发明的目的是这样实现的：它由支承在平台万向架上的平台，支承在陀螺万向架上的陀螺，转角传感器，驱动装置，信号处理装置，漂移修正装置等组成。当运动载体如船舶等产生俯仰(Pitch)和滚转(Roll)，导致平台倾斜时，悬挂在陀螺万向架内的自由陀螺，仍保持自转轴指向不变。用传感器测出平台法线相对于陀螺自转轴的平行度偏差，经处理后作为控制信号，通过驱动装置实时控制平台的两个自由度，使平台法线始终与作为垂直基准的陀螺自转轴平行，从而保持平台的姿态不变。

和被动式平台相比，本发明中的陀螺只作为垂直基准，完全工作于无负荷状态。陀螺尺寸小，解决了震动和噪声问题，也延长了寿命。当陀螺不承受平台施加的反力矩时，其进动就只受陀螺万向架轴承摩擦力矩的微小影响，漂移小且能定量测定。用本发明中的漂移修正装置，可实现对陀螺漂移的定向修正。在本发明中平台通过驱动装置与运动载体连接，全部自由度都受控制。即使平台不工作时，平台与运动载体间也有驱动装置耦合，不会因自由摆动而意外受损。和主动式平台相比，本发明不是通过计算倾斜仪和加速度计的输出信号，间接求取平台偏差。而是利用陀螺和传感器，直接测量平台法线相对于陀螺自转轴的平行度偏差，既简单又精确，因此成本低。这样本发明就解决了现有技术所存在的主要缺点。

下面结合附图和具体实施方式，对本发明进一步详细说明。

图1是本发明的第一种实施方式的示意透视图。

图2是图1所示第一种实施方式的沿Y轴纵剖面图。

图3是图1所示第一种实施方式的沿X轴横剖面图。

图4是本发明的第二种实施方式的示意透视图。

图5是图4所示第二种实施方式的沿Y轴纵剖面图。

图6是图4所示第二种实施方式的沿X轴横剖面图。

图7是本发明的第四种实施方式的示意透视图。

图8是本发明的第五种实施方式的示意透视图

为了叙述的方便，先为平台***设定一个坐标系：X轴和Y轴在水平面内，z轴垂直向上。Y轴向前，与运动载体的纵轴(即摇滚轴)平行。X轴向右，与运动载体的俯仰轴平行。坐标系原点与平台万向架的中点重合。

本发明的第一种实施方式，请参看图1，图2及图3。平台10的上平面装有工作负载，如天线及其瞄准跟踪***等(未示出)。为保证天线等设备的正常工作，要求稳定平台10的姿态。平台10通过从延伸出的平台支架42,43上的耳轴28,29(这些都可视为平台10本身)，用轴承30,31支承在悬架16上。悬架16也有两个耳轴17,18，支承在U形支架21的两个轴承19,20内。悬架16上的两个耳轴17,18的共同轴心线，与两个轴承30,31的共同轴心线在同一平面内，而且垂直相交。因此以平台10和悬架16为主，构成平台万向架46。平台10在平台万向架46中，可做二自由度的受控旋转。即平台10绕X轴的转角，受悬架16上的X轴驱动装置32控制，而平台10绕Y轴的转角，受U形支架21上的Y轴驱动装置24控制。

作垂直基准的陀螺1是自由陀螺，它由电机2及飞轮3组成。从电机2的壳体上伸出两个耳轴4,5，分别支承在内环26的轴承6,7内。内环26的两个耳轴12,13，则支承在平台10的两个轴承14,15内。因此陀螺1被支承在由电机2的壳体和内环26所构成的陀螺万向架25上。耳轴4,5的共同轴心线是陀螺万向架25的内转轴49，耳轴12,13的共同轴心线是陀螺万向架25的外转轴50。内转轴49，外转轴50和陀螺1的自转轴11,三者相互垂直并相交于一点。陀螺万向架25通过外转轴50悬挂在平台10上，其两条回转轴与平台万向架46的两条回转轴平行。

平台10以及上面所装的全部工作负载，其共同重心恰好落在平台万向架46两自由度转轴的交点上，即平台10为随遇平衡，以保证驱动功率最小。

陀螺1的重心位于陀螺万向架25两自由度转轴的交点下方稍低处，这样设置可保证陀螺1不工作时，其自转轴11由于重力矩而自动处于垂直指向。

当陀螺1工作时，电机2和飞轮3高速旋转，对于不受外力矩干扰的自由陀螺，其角动量矩保持不变，因此无论运动载体如何颠簸，陀螺1的自转轴11始终保持垂直。而平台10则随运动载体的颠簸，会产生绕X轴的俯仰和绕Y轴的滚转，于是平台10的法线不再平行于作为垂直基准的自转轴11。平台10的法线与自转轴11的相对转角可用传感器测出。例如图1，图2及图3本发明的第一种实施方式中，在陀螺1的耳轴5和内环26之间安装转角传感器8，其输出+x,-x可反映平台10相对于陀螺1绕X轴的转角。相似地内环26的耳轴13和平台10之间安装的转角传感器9，其输出+y,-y可反映平台10相对于陀螺1绕Y轴的转角。因此只要平台10相对于陀螺1产生倾斜，转角传感器8,9将输出+x,-x和+y,-y的误差信号。此信号送到稳定信号处理装置47,48，经处理后通过X轴驱动装置32和Y轴驱动装置24，就可实时控制平台10的两个自由度，使平台10向减小误差的方向回归，直至平台10的法线又重新回到与自转轴11平行。此动态过程反复进行，即使运动载体不断颠簸，但平台10能抵消颠簸的影响，始终保持其水平姿态不变。本发明采用的转角传感器，可以是电位器，编码器，同步发送器或其它可以测出相对转角的传感器。本发明采用的驱动装置，则可由驱动元件如各类电机，自整角机或电磁铁配以传动或减速机构组成。

上述稳定过程，是假定陀螺1不发生漂移。在短期内陀螺1的漂移是可以忽略的，但长久来说漂移会不断积累。如果陀螺1发生漂移，平台10将一直追随陀螺1而偏离水平面越来越远，因此必须对陀螺1的漂移自动进行修正。

作为一般用途的稳定平台，只需平台的姿态保持稳定，并基本上平行于重力水平面即可。运动载体如船舶等，虽然不断受到滚转和俯仰等扰动，从短期看显得杂乱无章，但作稍长时间的考查，其扰动有稳定的平均值。例如船舶甲板的平均位姿，从长期来看基本上保持与重力水平面平行。在本发明中，利用陀螺的定向性，消除运动载体的短周期扰动，保持平台稳定的方法已如上述。下面将说明本发明中，如何参考运动载体长周期的平均位姿信号，自动修正陀螺进动漂移的方法。

在US4020491,US4582291和US3893123等现有技术中，公开了用重力或弹簧力来修正立式陀螺漂移的方法。即当陀螺因漂移而倾斜时，由重力或弹簧力产生一个与漂移方向相反的恢复力矩。但根据陀螺进动原理，对陀螺施加的恢复力矩，并不能使陀螺的自转轴，在施加恢复力矩的平面内返回。相反陀螺会绕与自转轴和力矩轴垂直的第三轴转动，结果使陀螺的自转轴旋转出一个圆锥面。可见简单地用重力或弹簧力，不可能完全修正陀螺漂移(使圆锥顶角为0)，而只能将漂移限制在一定范围之内。本发明中首先测出漂移的方向和大小，再根据陀螺进动方向与外力矩垂直的原理，将进动修正装置设在其所施力矩，能使陀螺的自转轴正确地向待修正的方向进动的位置，因此可以把漂移修正到最小。

仍由图1，图2及图3，在平台10的耳轴29和悬架16之间，安装转角传感器44，以测定平台10绕X轴漂移的平均转角。类似地在悬架16的耳轴18和U形支架21之间，安装转角传感器45，以测定平台10绕Y轴漂移的平均转角。先把平台10调到与底板23平行，此时把转角传感器44,45都调到中点，即输出为0。如前所述，已知船舶甲板的平均位姿与重力水平面平行，故此时平台10也和重力水平面平行。当运动载体颠簸时，底板随运动载体晃动，但平台10却被作为垂直基准的陀螺1继续维持住与重力水平面平行。分析其稳定过程，实际上是X轴驱动装置32和Y轴驱动装置24，不断地按照转角传感器8,9测出的误差信号+x,-x和+y,-y，朝与运动载体颠簸相反的方向实时调整平台10，使之来回摆动，在动态中保持平台10的水平姿态不变，已如上述。在此调整过程中，平台10绕X轴和悬架16绕Y轴摆动的转角+x*,-x*和+y*,-y*，也被转角传感器44,45连续探测出来。将这串输出信号+x*,-x*和+y*,-y*，分别送到漂移信号处理装置33,34中求平均值ΔX*和ΔY*，可找出平台10和悬架16摆动的中点。如果陀螺1不漂移，其自转轴11始终与重力垂线重合，则平台10永远水平。此时+x*,-x*和+y*,-y*的平均值ΔX*和ΔY*均为0。如果陀螺1发生漂移，平台10必然随之倾斜，导致平台10的平均位姿偏离重力水平面。其结果是这一连串+x*,-x*和+y*,-y*误差信号，会反映出平台10的平均位姿已固定地向某方向倾斜。即平台10和悬架16摆动的中点，偏离了转角传感器44,45的0点。此时漂移信号处理装置33,34中，对+x*,-x*和+y*,-y*计算出的平均值ΔX*和ΔY*不再为0。把ΔY*和ΔX*作为漂移修正控制量，分别送到X轴漂移修正装置41和Y轴漂移修正装置38中，可使自转轴11重新回到与重力垂线相重合。这样就实现了利用运动载体长周期的平均位姿作为参照物，修正陀螺1的进动漂移。

安装在耳轴29附近的X轴漂移修正装置41，由固定在平台支架43上的电磁铁37，和固定在内环26上的永久磁铁36组成，它可以对内环26绕Y轴施加一个回转力矩。如前所述，根据陀螺仪进动原理，当陀螺1受到绕Y轴的外力矩时，自转轴11不是绕Y轴而是绕X轴进动。绕X进动的方向，取决于陀螺1的自转方向和外力矩方向。如果陀螺1自转方向已定，则自转轴11的进动方向，只取决于外力矩方向。因此只需改变电磁铁37的电流大小和方向，就可有效地修正陀螺1绕X轴的漂移。类似地Y轴漂移修正装置38，由固定在电机2壳体上的永久磁铁40，和固定在内环26上的电磁铁39组成，它可以对陀螺1绕X轴施加一个回转力矩，以修正陀螺1绕Y轴方向的漂移。对X轴漂移修正装置41和Y轴漂移修正装置38的控制，采取脉冲式的瞬时工作方式，以保证在脉冲空闲时间，陀螺1不承受电磁铁所加外力矩的干扰。

本发明的第二种实施方式见图4，图5及图6。在第二种实施方式中，改用二维的位置敏感器件如面阵CCD和PSD等。以PSD位置敏感二极管(Position Sensitive Diode，也叫四象限二极管)为例，如果一个光点投射到PSD的中点，则其输出端+x,-x,+y,-y皆为0。如果光点投射到位置敏感二极管的第二象限，则输出-x和+y信号。x和y信号的绝对值大小，与光点距敏感面上x轴和y轴的距离成正比。在图4，图5和图6中，示出第二种实施方式中采用的PSD位置敏感二极管9′，但并未示出沿陀螺1自转轴11投射到位置敏感二极管9′的光点，此光点位置应在自转轴11与位置敏感二极管9′的交点处。由此可见，当平台10的法线与作为垂直基准的螺陀1的自转轴11平行时，把位置敏感二极管9′固定在平台10上，且令光点与位置敏感二极管9′的中心重合。同时令位置敏感二极管9′的x轴与平台***的Y轴平行，而y轴与平台***的X轴平行。这样设置后位置敏感二极管9′，就可输出正比于平台10绕X轴和Y轴转动的误差信号+x,-x和+y,-y。将此误差信号送到稳定信号处理装置47和48，经处理后得到控制信号ΔX和ΔY，用以分别控制X轴驱动装置32和Y轴驱动装置24，就可实时控制平台10的倾斜。可见用一个位置敏感二极管9′，可取代第一种实施方式中的两个转角传感器8,9而保持功能不变。

仍由图4，图5及图6，U形支架21固定在底板23上。另一个位置敏感二极管44′，通过U形支架21也固定在底板23上。当螺陀1的自转轴11垂直于底板23时，使位置敏感二极管44′的中心，与自转轴11重合，并使位置敏感二极管44′的x*轴与y*轴，分别与平台***的Y轴与X轴平行。由于和底板23连接在一起的位置敏感二极管44′，不断随运动载体晃动，而作为垂直基准的陀螺1的自转轴11则稳定不动，因此沿自转轴11方向射出的另一光点(未示出)，在位置敏感二极管44′上画出晃动的轨迹，可求出轨迹的平均中心。从长期来看，轨迹的平均中心由于陀螺1的漂移，会逐渐偏离位置敏感二极管44′的中心。其偏离的大小和方向，反映在位置敏感二极管44′被光点照射时输出的一连串+x*,-x*,+y*,-y*信号中。将这一连串+x*,-x*,+y*,-y*误差信号，在漂移信号处理装置33和34中取平均值ΔX*和ΔY*，作为漂移修正控制量，分别送到Y轴漂移修正装置38′和X轴漂移修正装置41′中，使陀螺1的自转轴11，在位置敏感二极管44′上所画轨迹的平均中心，重新回到与位置敏感二极管44′的中心重合，这样就实现了利用运动载体长周期的平均位姿作为参照物，修正陀螺1的进动漂移，保证自转轴11始终是正确的垂直基准。由此可见，用一个位置敏感二极管44′，可以取代第一种实施方式中的两个转角传感器44,45而保持功能不变。

在第二种实施方式中，修正陀螺1漂移的X轴漂移修正装置41′和Y轴漂移修正装置38′，由电动机配以传动机构组成，能对内环26和电机2施加修正力矩，从而消除漂移。由图4，图5及图6可见，在第二种实施方式中位置敏感二极管44′输出的陀螺1漂移误差信号+x*,-x*和+y*,-y*，经漂移信号处理装置33和34取平均值后，分别向X轴漂移修正装置41′和Y轴漂移修正装置38′，发送控制信号ΔY*和ΔX*。X轴漂移修正装置41′和Y轴漂移修正装置38′，也是采用瞬时施力的间歇工作模式。当陀螺1的漂移在允许范围内时，X轴漂移修正装置41′和Y轴漂移修正装置38′中的电机完全断电，使陀螺1尽量处於不受外力矩干扰的自由状态。

本发明的第三种实施方式(无图)是，取消前两种实施方式中测定陀螺漂移的转角传感器44,45或位置敏感二极管44′，但X轴驱动装置32和Y轴驱动装置24，须采用类似步进电机或***盘可以记忆转角的驱动装置。以步进电机为例，利用它可以记忆转角的特性，将从稳定信号处理装置47,48，发向X轴驱动装置32和Y轴驱动装置24，用以驱动步进电机旋转的脉冲串ΔX和ΔY，也用相应的正反向可逆计数器进行累计，以检测悬架16和平台10的平均位置，是否逐渐偏离0点。偏差信号+x*,-x*和+y*,-y*在计数器中的累加值ΔX*和ΔY*，反映了陀螺的漂移。经处理后分别发送到Y轴漂移修正装置38或38′和X轴漂移修正装置41或41′，也可对陀螺1的漂移进行修正。

本发明的第四种实施方式见图7，图中的数字编号，与前面附图中意义相同。平台10仍然支持在平台万向架46内，可做二自由度的受控回转。即平台10绕X轴及Y轴的回转受X轴驱动装置32及Y轴驱动装置24的控制。不同的是平台万向架46由框架式改为万向十字联轴节式。它主要由十字形的悬架16，U形支架21和平台10构成。悬架16有两对互相垂直相交的轴颈，分别支承在U形支架21和平台支架42,43相应的孔内。U形支架21通过立柱22，和底板23固结在一起，共同支撑着平台***。为了调整平衡，在平台支架42,43下端装有重锤27,35。陀螺万向架25和平台万向架46可以不在同一平面内，例如在本发明的第四种实施方式中，就把陀螺万向架25的二自由度转轴，放在平台万向架46的二自由度转轴上方，但要保持两套万向架的转轴相互平行。当平台10随运动载体摇晃时，由于陀螺1的自转轴11稳定不动，平台10绕X轴和Y轴的转角，被转角传感器8和9测出，余下的控制过程与第一种实施方式相同。自动修正陀螺1漂移的方法也相同。即在悬架16沿X轴的两端分别安装转角传感器44和X轴驱动装置32，沿Y轴的两端分别安装转角传感器45和Y轴驱动装置24。其依靠X轴漂移修正装置41′和Y轴漂移修正装置38′修正陀螺漂移的过程，同第一种实施方式。

在第四种实施方式中，把陀螺万向架25放在平台万向架46上方，虽然有助於减小中央轴系结构的径向尺寸，但却增加了高度。如果要求既要减小中央轴系的径向尺寸，又不允许增加高度，则可采用图8的第五种实施方式。将陀螺万向架25，仍装在平台10上，但偏心地放在一旁，使两个万向架的高度可以互相重合而不必叠加。

Claims (6)

1，一种陀螺定向稳定平台，包括支承在平台万向架(46)上的平台(10)，支承在陀螺万向架(25)上的陀螺(1)，转角传感器(8,9),X轴驱动装置(32),Y轴驱动装置(24)，稳定信号处理装置(47,48)，其特征在于：陀螺万向架(25)用外转轴(50)回转支承在被稳定的平台(10)上，所述陀螺万向架(25)的两条回转轴，分别与平台万向架(46)的两条回转轴平行，在陀螺(1)的耳轴(5)和内环(26)的回转支承间，装有检测平台(10)的法线相对于自转轴(11)，绕X轴不平行度误差的转角传感器(8)，在内环(26)的耳轴(13)和平台(10)的回转支承间，装有检测平台(10)的法线相对于自转轴(11)，绕Y轴不平行度误差的转角传感器(9)，所述不平行度误差经稳定信号处理装置(47,48)处理后，分别送到控制所述平台(10)运动的X轴驱动装置(32)和Y轴驱动装置(24)，在平台(10)和内环(26)，内环(26)和电机(2)之间有自动修正陀螺(1)漂移的装置。

2，根据权利要求1所述的陀螺定向稳定平台，其特征在于：该自动修正陀螺(1)漂移的装置，是在平台(10)和悬架(16)的回转支承间，安装测定平台(10)绕X轴漂移的转角传感器(44)，在悬架(16)和U形支架(21)的回转支承间，安装测定平台(10)绕Y轴漂移的转角传感器(45)，在平台(10)和内环(26)之间分别安装X轴漂移修正装置(41)的电磁铁(37)和永久磁铁(36)，在内环(26)和电机(2)之间分别安装Y轴漂移修正装置(38)的电磁铁(39)和永久磁铁(40)，所述转角传感器(44,45)测出的漂移信号，经漂移信号处理装置(33,34)处理后，分别送到修正所述陀螺(1)漂移的X轴漂移修正装置(41)和Y轴漂移修正装置(38)。

3，根据权利要求1或2所述的陀螺定向稳定平台，其特征在于：所述转角传感器(8,9,44,45)可以是电位器，编码器，同步发送器，或其它可以测出相对转角的传感器。

4，根据权利要求1或2所述的陀螺定向稳定平台，其特征在于：所述转角传感器(8,9)可以用安装在平台(10)的一个位置敏感二极管(9′)或CCD等二维传感器代替，转角传感器(44,45)可以用安装在底板(23)的一个位置敏感二极管(44′)或CCD等二维传感器代替。

5，根据权利要求2所述的陀螺定向稳定平台，其特征在于：所述X轴漂移修正装置(41′)由安装在平台(10)和内环(26)的回转支承间的各类电动机配以传动机构组成，Y轴漂移修正装置(38′)由安装在内环(26)和电机(2)的回转支承间的各类电动机配以传动机构组成。

6，根据权利要求1至5中任何一项所述的陀螺定向稳定平台，其特征在于：所述X轴驱动装置(32)和Y轴驱动装置(24)，采用步进电机或能记忆转角的电动机做驱动装置时，可取消所述转角传感器(44,45)或位置敏感二极管(44′)。

Images