專利名稱：基于框架控制與一體化隔振的平流層飛艇二次穩(wěn)定系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航空航天控制領(lǐng)域，涉及一種支撐平流層飛艇載荷工作平臺(tái)的二次穩(wěn)
定系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)是國(guó)務(wù)院《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要 (2006-2020年)》確定的16項(xiàng)重大專項(xiàng)中的一項(xiàng)，是我國(guó)科技發(fā)展的重中之重，是一個(gè)創(chuàng)新 的大系統(tǒng)。高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)把平流層對(duì)地觀測(cè)分系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱為平流層分系統(tǒng))列為 與天基和航空同一層次的對(duì)地觀測(cè)分系統(tǒng)。建立平流層分系統(tǒng)具有十分重要的戰(zhàn)略意義， 平流層飛艇技術(shù)的發(fā)展，也必將實(shí)現(xiàn)將我國(guó)的主權(quán)擴(kuò)展到近空間，占領(lǐng)新的戰(zhàn)略制高點(diǎn)的 目標(biāo)。 平流層飛艇的質(zhì)量體積比不到飛機(jī)的十分之一，推力重量比遠(yuǎn)小于飛機(jī)，平流層 飛艇具有龐大的艇身，內(nèi)部結(jié)構(gòu)由氣囊、多個(gè)副氣囊、加強(qiáng)筋和吊艙等組成，造成了平流層 飛艇的大慣性，大時(shí)間常數(shù)等特性。受風(fēng)場(chǎng)和溫差等外部環(huán)境影響，飛艇對(duì)氣象條件的變化 較為敏感，留空時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，每次工作的環(huán)境參數(shù)隨機(jī)變化性較大，但可見光等潛在的平 流層飛艇應(yīng)用任務(wù)對(duì)控制系統(tǒng)提出了極高的要求，如需要為載荷提供《0. 1°的指向精度
和《o.oor /s的穩(wěn)定度。 從飛艇艇身的自身特點(diǎn)和目前的控制水平來看，僅僅依靠目前采用的對(duì)平流層飛 艇龐大的艇身直接進(jìn)行控制的作法遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足任務(wù)的基本要求。而當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)飛艇的 研究一般集中在飛艇平臺(tái)的研究，而對(duì)二次穩(wěn)定平臺(tái)等相關(guān)技術(shù)還沒有相關(guān)的方案提出。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種控制精度高、穩(wěn)定性 好的基于框架控制與一體化隔振的平流層飛艇二次穩(wěn)定系統(tǒng)。 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是基于框架控制與一體化隔振的平流層飛艇二次穩(wěn)定系 統(tǒng)，包括主被動(dòng)一體化隔振器、水平穩(wěn)定平臺(tái)、框架驅(qū)動(dòng)單元和控制器，整個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)均置 于飛艇的吊艙內(nèi)，水平穩(wěn)定平臺(tái)通過主被動(dòng)一體化隔振器固定于吊艙的底部，框架驅(qū)動(dòng)單 元置于水平穩(wěn)定平臺(tái)上，框架驅(qū)動(dòng)單元的方位軸與水平穩(wěn)定平臺(tái)垂直，載荷安裝在框架驅(qū) 動(dòng)單元傾斜軸的末端 主被動(dòng)一體化隔振器由被動(dòng)隔振器和主動(dòng)隔振器共同構(gòu)成，被動(dòng)隔振器隔離頻
率大于20Hz的高頻振動(dòng)，主動(dòng)隔振器隔離頻率范圍為10Hz 20Hz的低頻振動(dòng)； 水平穩(wěn)定平臺(tái)包括臺(tái)面、姿態(tài)測(cè)量裝置和兩套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，姿態(tài)測(cè)量裝置實(shí)時(shí)獲取
臺(tái)面的滾動(dòng)角和俯仰角以及滾動(dòng)角速度和俯仰角速度并送至控制器，兩套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)控
制器的控制指令對(duì)臺(tái)面進(jìn)行控制，使得臺(tái)面相對(duì)于當(dāng)?shù)厮矫娴臐L動(dòng)角和俯仰角以及滾動(dòng)
角速度和俯仰角速度均為零； 框架驅(qū)動(dòng)單元包括兩套框架驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，分別驅(qū)動(dòng)傾斜軸和方位軸，每套框架驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均由步進(jìn)電機(jī)、諧波齒輪減速裝置和感應(yīng)同步器構(gòu)成，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)控制器發(fā)出的脈 沖指令輸出步進(jìn)角度至諧波齒輪減速裝置，諧波齒輪減速裝置將步進(jìn)角度輸出至載荷，使 得載荷的指向與目標(biāo)指向一致；感應(yīng)同步器測(cè)量載荷在傾斜軸和方位軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度并送至 控制器； 控制器測(cè)量主被動(dòng)一體化隔振器的振動(dòng)加速度信息，利用測(cè)量值得到控制量并 輸出至主動(dòng)隔振器；根據(jù)姿態(tài)測(cè)量裝置的測(cè)量信息獲取水平穩(wěn)定平臺(tái)的角度控制量并分別 送至兩套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；根據(jù)感應(yīng)同步器測(cè)量的載荷在傾斜軸和方位軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度獲取步進(jìn)控 制量并送至步進(jìn)電機(jī)。 所述的步進(jìn)控制量包括傾斜步進(jìn)角和方位步進(jìn)角；計(jì)算傾斜步進(jìn)角時(shí)，首先通過 目標(biāo)點(diǎn)和飛艇當(dāng)前的位置坐標(biāo)以及水平穩(wěn)定平臺(tái)與飛艇形心的相對(duì)位置計(jì)算出相對(duì)傾斜 角，然后將相對(duì)傾斜角與框架驅(qū)動(dòng)單元的傾斜軸當(dāng)前轉(zhuǎn)角作差獲得傾斜步進(jìn)角；計(jì)算方位 步進(jìn)角時(shí)，首先獲得目標(biāo)點(diǎn)與飛艇當(dāng)前位置的相對(duì)方位角，然后將相對(duì)方位角依次與飛艇 的偏航角以及框架驅(qū)動(dòng)單元方位軸相對(duì)于零位的轉(zhuǎn)角作差獲得方位步進(jìn)角。
所述的主動(dòng)隔振器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為音圈電機(jī)。 所述的被動(dòng)隔振器包括隔板、兩個(gè)彈簧和兩個(gè)阻尼器，隔板和水平穩(wěn)定平臺(tái)之間 設(shè)置第一彈簧和第一阻尼器，隔板和飛艇的吊艙底面之間設(shè)置第二彈簧和第二阻尼器。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于 (1)本發(fā)明系統(tǒng)將控制的最終目標(biāo)從對(duì)飛艇艇身姿態(tài)的控制轉(zhuǎn)移到了對(duì)二次水平 穩(wěn)定平臺(tái)的高精度、高穩(wěn)定度的控制上。通過主被動(dòng)一體化隔振裝置隔離環(huán)境干擾和艇身 運(yùn)動(dòng)耦合，實(shí)現(xiàn)對(duì)水平穩(wěn)定平臺(tái)的控制來構(gòu)建載荷工作環(huán)境，通過框架驅(qū)動(dòng)來保持載荷指 向，為平流層飛艇應(yīng)用提供了新的更好的解決方案，避免了直接對(duì)飛艇艇身控制上所存在 的諸多不利因素，降低了環(huán)境對(duì)載荷的干擾，提高了載荷的工作環(huán)境的精度和穩(wěn)定度；
(2)本發(fā)明系統(tǒng)采用主被動(dòng)一體化隔震器進(jìn)行隔振，盡可能隔離環(huán)境干擾和艇身 運(yùn)動(dòng)的耦合。主被動(dòng)一體化隔振器將主動(dòng)隔振和被動(dòng)隔振技術(shù)同時(shí)應(yīng)用，相互融合，發(fā)揮了 各自優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了各自缺點(diǎn)，達(dá)到了最佳的減振效果； (3)本發(fā)明系統(tǒng)中采用水平穩(wěn)定平臺(tái)臺(tái)面作為框架驅(qū)動(dòng)單元和后續(xù)載荷的安裝 面，保證了框架驅(qū)動(dòng)單元和載荷的工作環(huán)境與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫??？朔似搅鲗油碜藨B(tài)控 制困難且容易受環(huán)境干擾的影響等諸多不利因素，提高了載荷工作環(huán)境的精度和穩(wěn)定度， 為平流層飛艇載荷應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)； (4)本發(fā)明系統(tǒng)中采用步進(jìn)電機(jī)與諧波齒輪減速傳動(dòng)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)后續(xù) 負(fù)載的高精度轉(zhuǎn)角控制，通過控制輸出值即可滿足不同任務(wù)模式對(duì)負(fù)載的指向要求，適用 性強(qiáng)，并且能夠滿足精度要求； (5)本發(fā)明系統(tǒng)中控制器采用并聯(lián)控制方式，對(duì)系統(tǒng)其它三個(gè)部件的控制可以分 別獨(dú)立運(yùn)行，保證了二次穩(wěn)定系統(tǒng)中各子系統(tǒng)不會(huì)相互耦合，可靠性高。
圖1為本發(fā)明穩(wěn)定系統(tǒng)的組成原理框圖；
圖2為本發(fā)明坐標(biāo)系及相互關(guān)系示意圖；
圖3為本發(fā)明坐標(biāo)系及角度表示示意 圖4為本發(fā)明方位角平面示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明系統(tǒng)包括主被動(dòng)一體化隔振器1、水平穩(wěn)定平臺(tái)2、框架驅(qū)動(dòng)單 元3和控制器4，整個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)均置于飛艇5的吊艙內(nèi)。 主被動(dòng)一體化隔振器1必須具備足夠的剛度，以確保水平穩(wěn)定平臺(tái)2與吊艙之間 的連接可靠度。飛艇復(fù)雜擾動(dòng)環(huán)境的特點(diǎn)，要求了隔振系統(tǒng)必須具備10Hz以上頻段范圍的 隔振能力。被動(dòng)隔震器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、經(jīng)濟(jì)性好、可靠性高、不消耗附加能 量，具有普遍適用性，但是被動(dòng)隔振只有當(dāng)激振信號(hào)頻率大于系統(tǒng)固有頻率的V^倍時(shí)才有 隔離作用。當(dāng)頻率較低時(shí)，從基座傳來的振動(dòng)反而被放大了 ，抑制能力有限，缺乏跟蹤和調(diào) 節(jié)能力，不太適合隔振對(duì)象狀態(tài)變化較大，振動(dòng)干擾時(shí)變性較強(qiáng)的場(chǎng)合。而被動(dòng)隔振的缺點(diǎn) 可以通過主動(dòng)隔振進(jìn)行彌補(bǔ)，主動(dòng)隔振技術(shù)具有更大的靈活性和適應(yīng)性，并且具有抑制超 低頻振動(dòng)和帶寬隨機(jī)振動(dòng)的能力的優(yōu)點(diǎn)。 因此，本發(fā)明主被動(dòng)一體化隔振器1由被動(dòng)隔振器和主動(dòng)隔振機(jī)構(gòu)共同構(gòu)成。被 動(dòng)隔振器采用彈簧和阻尼器來實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，隔板11上方的第一彈簧12和第一阻尼 器13共同起到橡膠墊片的作用，該橡膠墊片與隔板11下方的第二彈簧14和第二阻尼器15 共同構(gòu)成被動(dòng)隔振器，用于減小、隔離高頻振動(dòng)，隔振范圍的最低頻率設(shè)計(jì)為20Hz。主動(dòng)隔 振機(jī)構(gòu)采用音圈電機(jī)16作為執(zhí)行結(jié)構(gòu)，主要起到低頻振動(dòng)隔離的作用，實(shí)現(xiàn)10-20Hz頻段 的振動(dòng)抑制。水平穩(wěn)定平臺(tái)2通過主被動(dòng)一體化隔振器1固定于吊艙的底部。
控制器4通過測(cè)量裝置實(shí)時(shí)獲取飛艇5的姿態(tài)角測(cè)量信息(包括滾動(dòng)角、俯仰角、 滾動(dòng)角速度、俯仰角速度)和主被動(dòng)一體化隔振器1的振動(dòng)測(cè)量信息，并根據(jù)上述兩種測(cè)量 信息，主動(dòng)隔振控制器計(jì)算出相應(yīng)的控制量，驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī)16，從而控制主被動(dòng)一體化隔振 器1的振動(dòng)量。 水平穩(wěn)定平臺(tái)2為兩自由度，具有在滾動(dòng)軸和俯仰軸(平臺(tái)坐標(biāo)系的X軸和Y軸， 在平臺(tái)面上互相垂直)的調(diào)節(jié)控制能力。框架驅(qū)動(dòng)單元3置于水平穩(wěn)定平臺(tái)2上，框架驅(qū)動(dòng) 單元3的方位軸與水平穩(wěn)定平臺(tái)2垂直，載荷(如相機(jī)、天線等)安裝在框架驅(qū)動(dòng)單元3傾 斜軸的末端。水平穩(wěn)定平臺(tái)2包括臺(tái)面21、滾動(dòng)軸直流電機(jī)22、滾動(dòng)軸減速器23、俯仰軸直 流電機(jī)24、俯仰軸減速器25以及姿態(tài)測(cè)量裝置26。姿態(tài)測(cè)量裝置26需要測(cè)量的量包括水 平穩(wěn)定平臺(tái)2X軸和Y軸相對(duì)零位的轉(zhuǎn)角，以及與當(dāng)?shù)厮矫娴膬奢S夾角和角速度，可分別 采用多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器、慣性測(cè)量部件、星敏感器、太陽敏感器、加速度計(jì)等傳感器進(jìn)行測(cè)量。 同時(shí)在兩個(gè)通道配置相同的測(cè)量元件用于對(duì)滾動(dòng)軸和俯仰軸分別進(jìn)行測(cè)量。水平穩(wěn)定平臺(tái) 2的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用直流電機(jī)，滾動(dòng)軸直流電機(jī)22和俯仰軸直流電機(jī)24分別從控制器4獲取 各自軸的轉(zhuǎn)角指令，并分別通過滾動(dòng)軸減速器23和俯仰軸減速器25按照260 : l的比例 輸出作用在臺(tái)面21上，保持臺(tái)面21與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫?。各自軸的轉(zhuǎn)角指令由控制器4根 據(jù)姿態(tài)測(cè)量裝置26的姿態(tài)信息獲取。 圖2所示為二次穩(wěn)定平臺(tái)各坐標(biāo)系及其各坐標(biāo)系之間的關(guān)系，本發(fā)明中涉及到的 各種坐標(biāo)系、艇體以及水平穩(wěn)定平臺(tái)的姿態(tài)角定義如下 慣性坐標(biāo)系ei-OiXJiZi :其坐標(biāo)原點(diǎn)0i取在地面某一點(diǎn)(如飛艇的放飛點(diǎn))；0iXi 為水平面內(nèi)任意方向，一般取正北或正東方向；0山位于0iXi軸所在的水平面內(nèi)，且與0iXi軸相互垂直，其正向按右手法則確定；0iZi軸過0i并與0iXiyi平面垂直，正向指向地心。
艇體坐標(biāo)系eb-0bxbybZb :艇體坐標(biāo)系與飛艇艇體固連，原點(diǎn)0b取在飛艇的體積中 心處，ObXb軸與飛艇的縱軸方向完全一致，指向頭部為正；0bxb平行于艇體基面，正向指向右 旋；0bzb與0bxb， 0byb組成右手系。 平臺(tái)坐標(biāo)系gP-0pXpypZp :平臺(tái)坐標(biāo)系與水平穩(wěn)定平臺(tái)2臺(tái)面固連，原點(diǎn)0p取在水平 穩(wěn)定平臺(tái)2臺(tái)面的中心處，OpXpyp與臺(tái)面重合，OpZp垂直臺(tái)面向下，構(gòu)成右手系。
飛艇(體積中心)相對(duì)慣性坐標(biāo)系原點(diǎn)的矢量為rbi，平臺(tái)坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)相對(duì)飛 艇體積中心的矢量為rbp。下面定義水平穩(wěn)定平臺(tái)2相對(duì)于慣性坐標(biāo)系^的三個(gè)姿態(tài)角
俯仰角9 p :水平穩(wěn)定平臺(tái)2的縱軸OpXp和水平面(即OiXiyi平面)的夾角，由水 平面向上逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至OiXi為正。 偏航角Vp :水平穩(wěn)定平臺(tái)2的縱軸OpXp在水平面上(即OiXiyi平面)的投影與慣 性坐標(biāo)系中的OiXi的夾角，有OiXi逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)到平臺(tái)的縱軸OpXp在水平面上的投影為 正。 滾動(dòng)角^ :水平穩(wěn)定平臺(tái)2的OpZp與通過OiXi軸的鉛垂面之間的夾角。當(dāng)逆著OpXp 看去時(shí)，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針時(shí)小p為正。 飛艇相對(duì)于慣性系的三個(gè)姿態(tài)角的定義同上，只需要把平臺(tái)坐標(biāo)系eP-OpXpypZp換 成艇體坐標(biāo)系eb-0,XbybZb即可得到飛艇的姿態(tài)角^、《、yr需要指出的是，水平穩(wěn)定 平臺(tái)2設(shè)計(jì)為兩自由度，即水平穩(wěn)定平臺(tái)2只擁有調(diào)節(jié)^p和9 p能力，對(duì)偏航角^p則不具備 主動(dòng)調(diào)節(jié)能力，其任務(wù)也只是保持水平穩(wěn)定平臺(tái)與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫小?框架驅(qū)動(dòng)單元3包括步進(jìn)電機(jī)31、諧波齒輪減速裝置32和感應(yīng)同步器33，其外部 安裝有固定框架，通過該框架將載荷固定在某一位置，步進(jìn)電機(jī)31根據(jù)脈沖指令輸出步進(jìn) 角度至諧波齒輪減速裝置32，諧波齒輪減速裝置32將步進(jìn)角度按照160 : l的比例輸出至 載荷，使得最終載荷的轉(zhuǎn)動(dòng)步距角為0.003° 。感應(yīng)同步器33測(cè)量載荷的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，測(cè)量精 度優(yōu)于0. 001° ?？刂破?根據(jù)感應(yīng)同步器33的測(cè)量信息調(diào)整脈沖指令所包含的步進(jìn)角 度，使得載荷的指向與目標(biāo)指向 一致。 由此可以看出，為了完成上述各項(xiàng)控制任務(wù)，控制器4應(yīng)包括以下功能
(1)主動(dòng)隔震器控制單元，測(cè)量值包括艇身姿態(tài)角、振動(dòng)加速度信息，控制單元利 用測(cè)量值，以減小水平穩(wěn)定平臺(tái)2的加速度為目標(biāo)，計(jì)算出控制量，輸出到作動(dòng)器上。
(2)水平穩(wěn)定平臺(tái)控制單元，主要完成對(duì)水平穩(wěn)定平臺(tái)2的控制，測(cè)量值為水平穩(wěn) 定平臺(tái)2X軸和Y軸相對(duì)零位的轉(zhuǎn)角，姿態(tài)角和姿態(tài)角速度信息，其控制的目的是維持水平 穩(wěn)定平臺(tái)2兩軸的姿態(tài)角和姿態(tài)角速度為零。 (3)框架驅(qū)動(dòng)單元控制器，主要完成對(duì)框架驅(qū)動(dòng)單元3的指向控制?？刂破?將首 先根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)位置和飛艇當(dāng)前位置，以及當(dāng)前框架驅(qū)動(dòng)單元3傾斜軸相對(duì)其零位的位置， 解算出傾斜步進(jìn)角^g ;并根據(jù)相對(duì)位置計(jì)算出相對(duì)方位角Vt，此方位角與飛艇艇體的姿態(tài) 角以及當(dāng)前框架驅(qū)動(dòng)單元3方位軸相對(duì)其零位的位置相結(jié)合，得到框架驅(qū)動(dòng)單元3的方位 步進(jìn)角Vg?？刂破?根據(jù)傾斜步進(jìn)角和方位步進(jìn)角驅(qū)動(dòng)框架單元3到所要求的指向上。
本發(fā)明中方位步進(jìn)角Vg和傾斜步進(jìn)角&計(jì)算公式如下 如圖3所示，設(shè)目標(biāo)點(diǎn)在慣性系下的位置矢量為rdi = [xdi ydi Zdi]T，飛艇當(dāng)前位 置在慣性系下的位置矢量為1^= [xbi ybi Zbi]T，平臺(tái)系的坐標(biāo)原點(diǎn)在慣性系下的可以表示為<formula>formula see original document page 7</formula>則
相對(duì)傾斜角A 、傾斜步進(jìn)角&計(jì)算方法如下<formula>formula see original document page 7</formula>
^表示目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)水平穩(wěn)定平臺(tái)2的相對(duì)傾斜角，^表示框架驅(qū)動(dòng)單元3傾斜軸當(dāng) 前位置相對(duì)于零位時(shí)的角度(傾斜軸水平時(shí)為零位)。
目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于飛艇的相對(duì)方位角:
<formula>formula see original document page 7</formula> 由于飛艇存在偏航角％ ，目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于飛艇的方位角不是框架驅(qū)動(dòng)單元3的 方位步進(jìn)角U^，而是 <formula>formula see original document page 7</formula>
式(4)所得中Vg即為框架驅(qū)動(dòng)單元3的方位步進(jìn)角(如圖4所示)，其中ij/t通 過式(3)進(jìn)行解算，<formula>formula see original document page 7</formula>由艇身姿態(tài)敏感器進(jìn)行測(cè)量，VA為框架驅(qū)動(dòng)單元3方位軸 當(dāng)前位置相對(duì)于零位的角度，由感應(yīng)同步器33給出。 本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
基于框架控制與一體化隔振的平流層飛艇二次穩(wěn)定系統(tǒng)，其特征在于包括主被動(dòng)一體化隔振器(1)、水平穩(wěn)定平臺(tái)(2)、框架驅(qū)動(dòng)單元(3)和控制器(4)，整個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)均置于飛艇(5)的吊艙內(nèi)，水平穩(wěn)定平臺(tái)(2)通過主被動(dòng)一體化隔振器(1)固定于吊艙的底部，框架驅(qū)動(dòng)單元(3)置于水平穩(wěn)定平臺(tái)(2)上，框架驅(qū)動(dòng)單元(3)的方位軸與水平穩(wěn)定平臺(tái)(2)垂直，載荷安裝在框架驅(qū)動(dòng)單元(3)傾斜軸的末端主被動(dòng)一體化隔振器(1)由被動(dòng)隔振器和主動(dòng)隔振器共同構(gòu)成，被動(dòng)隔振器隔離頻率大于20Hz的高頻振動(dòng)，主動(dòng)隔振器隔離頻率范圍為10Hz～20Hz的低頻振動(dòng)；水平穩(wěn)定平臺(tái)(2)包括臺(tái)面(21)、姿態(tài)測(cè)量裝置(26)和兩套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，姿態(tài)測(cè)量裝置(26)實(shí)時(shí)獲取臺(tái)面(21)的滾動(dòng)角和俯仰角以及滾動(dòng)角速度和俯仰角速度并送至控制器(4)，兩套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)控制器(4)的控制指令對(duì)臺(tái)面(21)進(jìn)行控制，使得臺(tái)面(21)相對(duì)于當(dāng)?shù)厮矫娴臐L動(dòng)角和俯仰角以及滾動(dòng)角速度和俯仰角速度均為零；框架驅(qū)動(dòng)單元(3)包括兩套框架驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，分別驅(qū)動(dòng)傾斜軸和方位軸，每套框架驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均由步進(jìn)電機(jī)(31)、諧波齒輪減速裝置(32)和感應(yīng)同步器(33)構(gòu)成，步進(jìn)電機(jī)(31)根據(jù)控制器(4)發(fā)出的脈沖指令輸出步進(jìn)角度至諧波齒輪減速裝置(32)，諧波齒輪減速裝置(32)將步進(jìn)角度輸出至載荷，使得載荷的指向與目標(biāo)指向一致；感應(yīng)同步器(33)測(cè)量載荷在傾斜軸和方位軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度并送至控制器(4)；控制器(4)測(cè)量主被動(dòng)一體化隔振器(1)的振動(dòng)加速度信息，利用測(cè)量值得到控制量并輸出至主動(dòng)隔振器；根據(jù)姿態(tài)測(cè)量裝置(26)的測(cè)量信息獲取水平穩(wěn)定平臺(tái)(2)的角度控制量并分別送至兩套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；根據(jù)感應(yīng)同步器(33)測(cè)量的載荷在傾斜軸和方位軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度獲取步進(jìn)控制量并送至步進(jìn)電機(jī)(31)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于框架控制與一體化隔振的平流層飛艇二次穩(wěn)定系統(tǒng)， 其特征在于所述的步進(jìn)控制量包括傾斜步進(jìn)角和方位步進(jìn)角；計(jì)算傾斜步進(jìn)角時(shí)，首先 通過目標(biāo)點(diǎn)和飛艇當(dāng)前的位置坐標(biāo)以及水平穩(wěn)定平臺(tái)(2)與飛艇形心的相對(duì)位置計(jì)算出 相對(duì)傾斜角，然后將相對(duì)傾斜角與框架驅(qū)動(dòng)單元(3)的傾斜軸當(dāng)前轉(zhuǎn)角作差獲得傾斜步進(jìn) 角；計(jì)算方位步進(jìn)角時(shí)，首先獲得目標(biāo)點(diǎn)與飛艇當(dāng)前位置的相對(duì)方位角，然后將相對(duì)方位角 依次與飛艇的偏航角以及框架驅(qū)動(dòng)單元(3)方位軸相對(duì)于零位的轉(zhuǎn)角作差獲得方位步進(jìn) 角。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于框架控制與一體化隔振的平流層飛艇二次穩(wěn)定系統(tǒng)，其 特征在于所述的主動(dòng)隔振器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為音圈電機(jī)(16)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于框架控制與一體化隔振的平流層飛艇二次穩(wěn)定系統(tǒng)，其 特征在于所述的被動(dòng)隔振器包括隔板(11)、兩個(gè)彈簧和兩個(gè)阻尼器，隔板(11)和水平穩(wěn) 定平臺(tái)(2)之間設(shè)置第一彈簧(12)和第一阻尼器(13)，隔板(11)和飛艇(5)的吊艙底面 之間設(shè)置第二彈簧(14)和第二阻尼器(15)。
全文摘要
基于框架控制與一體化隔振的平流層飛艇二次穩(wěn)定系統(tǒng)，包括主被動(dòng)一體化隔振器、水平穩(wěn)定平臺(tái)、框架驅(qū)動(dòng)單元和控制器。主被動(dòng)一體化隔振器用于隔離環(huán)境干擾和艇身運(yùn)動(dòng)耦合，其控制驅(qū)動(dòng)指令由控制器產(chǎn)生。水平穩(wěn)定平臺(tái)用于為框架驅(qū)動(dòng)單元和后續(xù)有效載荷提供一個(gè)當(dāng)?shù)氐乃矫?，水平穩(wěn)定平臺(tái)通過反饋其姿態(tài)角至控制器，然后控制器根據(jù)姿態(tài)角偏差通過執(zhí)行結(jié)構(gòu)對(duì)水平穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行調(diào)整，保持水平穩(wěn)定平臺(tái)與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫??？刂破鞲鶕?jù)目標(biāo)點(diǎn)與飛艇當(dāng)前位置，以及框架驅(qū)動(dòng)單元反饋的轉(zhuǎn)角信息，控制框架驅(qū)動(dòng)單元到所要求的指向上。本發(fā)明系統(tǒng)提供了一種新的能夠滿足有效載荷工作環(huán)境要求的二次穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)，控制精度高、穩(wěn)定性好。
文檔編號(hào)B64B1/24GK101734367SQ20101010348
公開日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者劉其睿, 劉彤, 劉良棟, 吳雷, 孫承啟, 李勇, 李智斌, 梁棟, 王全武, 王德釗, 田科豐, 郝云彩 申請(qǐng)人:北京控制工程研究所