專利名稱：一種高精度大負(fù)載慣性穩(wěn)定平臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航空遙感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種安裝于飛機(jī)內(nèi)部，隔離飛機(jī)角運(yùn)動(dòng)及振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)載荷對(duì)地垂直的大負(fù)載高精度三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)，適用于航空遙感、基礎(chǔ)測(cè)繪等領(lǐng)域；也可用于車(chē)載、艦載、雷達(dá)及目標(biāo)監(jiān)視等伺服跟蹤。
背景技術(shù)：
航空遙感三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)是機(jī)載對(duì)地觀測(cè)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其功能是支承成像載荷并隔離飛行載體三個(gè)方向姿態(tài)角運(yùn)動(dòng)及外部擾動(dòng)，使成像載荷視軸在慣性空間內(nèi)始終
跟蹤并垂直于當(dāng)?shù)厮剑岣叱上穹直媛?。然而由于航空?yīng)用環(huán)境的限制，慣性穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)上需要同時(shí)具有體積小、重量輕和承載比大等特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)上需要在滿足動(dòng)靜態(tài)性能的前提下進(jìn)行緊湊性優(yōu)化設(shè)計(jì)。在現(xiàn)有的航空慣性穩(wěn)定平臺(tái)設(shè)計(jì)中，然而現(xiàn)有慣性穩(wěn)定平臺(tái)存在許多不足，總體表現(xiàn)為在體積、負(fù)載/自重比、精度等方面的系統(tǒng)性不足，即難以找到集以上各方面優(yōu)點(diǎn)為一體的產(chǎn)品。由于商品化等因素影響，國(guó)外體積小重量輕的產(chǎn)品往往精度較低、承載力小，而精度高的產(chǎn)品又往往體積和重量較大；另外，許多產(chǎn)品國(guó)外穩(wěn)定平臺(tái)的代表如瑞士Leica公司的PAV30及最新的產(chǎn)品PAV80，國(guó)內(nèi)穩(wěn)定平臺(tái)如專利200910089155. 6等，其框架軸系都是采用純機(jī)械支撐，當(dāng)承載大負(fù)載時(shí)，各框架軸承承擔(dān)的壓力很大，因此增大了機(jī)械軸承的摩擦力，當(dāng)各框架軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)控制負(fù)載姿態(tài)時(shí)，該摩擦力會(huì)進(jìn)一步影響控制精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是針對(duì)航空遙感三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)中的不足，提出一種精度高、大負(fù)載、質(zhì)量輕、新型三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種高精度大負(fù)載慣性穩(wěn)定平臺(tái)，包括平臺(tái)框架系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、減震系統(tǒng)、框架支撐系統(tǒng)、慣性測(cè)量系統(tǒng)、轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)；平臺(tái)框架系統(tǒng)自下而上依次連接為底板、底座、橫滾框、俯仰框和方位框；平臺(tái)工作時(shí)，相機(jī)置于方位框之上；橫滾框的回轉(zhuǎn)軸沿著飛機(jī)的飛行方向，用以隔離飛機(jī)的橫滾角運(yùn)動(dòng)；俯仰框的回轉(zhuǎn)軸沿飛機(jī)機(jī)翼方向，用以隔離飛機(jī)的俯仰角運(yùn)動(dòng)；方位框的回轉(zhuǎn)軸垂直向下，用以隔離飛機(jī)的方位角運(yùn)動(dòng)；各回轉(zhuǎn)軸均以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正；底板與飛機(jī)的固連，底座通過(guò)減震系統(tǒng)與底板固連在一起；底座上固定兩個(gè)橫滾框支座，橫滾框則通過(guò)同軸安裝在橫滾支座上的兩個(gè)橫滾軸，實(shí)現(xiàn)橫滾框繞橫滾軸的自由旋轉(zhuǎn)；俯仰框通過(guò)同軸安裝在橫滾框上的兩個(gè)俯仰軸，實(shí)現(xiàn)俯仰框繞橫滾框的自由旋轉(zhuǎn)；方位框則通過(guò)方位軸承安裝于俯仰框上，實(shí)現(xiàn)方位框繞俯仰框的自由旋轉(zhuǎn)；穩(wěn)定平臺(tái)方位框的轉(zhuǎn)軸、俯仰軸、橫滾軸相互正交；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括橫滾框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、俯仰框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和方位框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；橫滾框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由橫滾力矩電機(jī)、橫滾行星齒輪減速器、橫滾減速器齒輪、橫滾齒輪依次串接而成；俯仰框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由俯仰力矩電機(jī)、俯仰行星齒輪減速器、俯仰減速器齒輪、俯仰齒輪依次串接而成；方位框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由方位力矩電機(jī)、方位行星齒輪減速器、方位減速器線輪、方位鋼絲繩減速系統(tǒng)依次串接而成；減震系統(tǒng)由固連在底板、底座之間的四個(gè)金屬減震器構(gòu)成，每個(gè)金屬減震器對(duì)稱安裝于底板的四個(gè)角上；框架支撐系統(tǒng)包括橫滾框支撐系統(tǒng)、俯仰框支撐系統(tǒng)和方位框支撐系統(tǒng)，其中橫滾框支撐系統(tǒng)包括橫滾軸、橫滾機(jī)械軸承、永磁力支撐系統(tǒng)，橫滾軸由橫滾機(jī)械軸承和永磁力支撐系統(tǒng)組合提供支撐；永磁力支撐系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子磁鋼、定子磁鋼、轉(zhuǎn)子套筒、磁鋼襯環(huán)、磁軸承支座，是一種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的徑向被動(dòng)磁軸承，其中轉(zhuǎn)子磁鋼通過(guò)轉(zhuǎn)子套筒固定于橫滾軸，定子磁鋼和磁鋼襯環(huán)組合在一起通過(guò)磁軸承支座固定于橫滾框；俯仰框支撐系統(tǒng)中安裝在橫滾框上的兩個(gè)俯仰軸直接由俯仰機(jī)械軸承來(lái)提供支撐，實(shí)現(xiàn)俯仰框繞橫滾框的自由旋轉(zhuǎn)；方位框支撐系統(tǒng)中通過(guò)方位軸承來(lái)提供支撐，使得方位框安裝于俯仰框之上；慣性測(cè)量系統(tǒng)包括三個(gè)陀螺，即X向陀螺、Y向陀螺、Z向陀螺、兩個(gè)加速度計(jì)，即X向加速度計(jì)和Y向加速度計(jì)、及磁羅盤(pán)；其中X向陀螺和Y向陀螺通過(guò)正交式橫滾俯仰陀螺支架安裝在俯仰框上，Z向陀螺安裝 在方位框上，X向加速度計(jì)、Y向加速度計(jì)通過(guò)正交式加計(jì)支架安裝在俯仰框上；磁羅盤(pán)安裝在方位框底部；所述X向陀螺敏感軸沿橫滾軸方向，Y向陀螺敏感軸沿俯仰軸方向，Z向陀螺敏感軸沿方位框轉(zhuǎn)軸方向，X向加速度計(jì)敏感軸與橫滾軸方向正交，Y向加速度計(jì)敏感軸與俯仰軸方向正交；轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)由三個(gè)碼盤(pán)組成，即橫滾碼盤(pán)、俯仰碼盤(pán)和方位碼盤(pán)，其中橫滾碼盤(pán)直接安裝于橫滾軸外端，測(cè)量橫滾框相對(duì)底座的轉(zhuǎn)角；俯仰碼盤(pán)直接安裝于俯仰軸外端，測(cè)量俯仰框相對(duì)于橫滾框的轉(zhuǎn)角；方位碼盤(pán)則安裝于方位行星齒輪減速器輸出軸外端，測(cè)量方位框相對(duì)于俯仰框的轉(zhuǎn)角。橫滾框結(jié)構(gòu)為懸掛整體式密閉結(jié)構(gòu)，回轉(zhuǎn)軸沿飛機(jī)飛行方向；俯仰框和方位框設(shè)計(jì)成中空的環(huán)型結(jié)構(gòu)；橫滾驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、俯仰驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和方位框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為二級(jí)間接驅(qū)動(dòng)方式；橫滾驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、俯仰驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為一級(jí)行星齒輪減速、二級(jí)齒輪減速；方位框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為一級(jí)行星齒輪減速、二級(jí)鋼絲繩減速；其中一級(jí)行星齒輪減速比為3 5，二級(jí)減速比為8 10。橫滾框支撐系統(tǒng)中的橫滾機(jī)械軸承和俯仰框支撐系統(tǒng)中的俯仰機(jī)械軸承，采取“面對(duì)面”雙列角接觸球軸承方式，C級(jí)精度，安裝時(shí)沿軸承軸向預(yù)緊，成對(duì)安裝使用；方位框支撐系統(tǒng)中的方位軸承為鋼絲滾道球軸承，根據(jù)平臺(tái)具體尺寸定制。橫滾框支撐系統(tǒng)中的永磁力支撐系統(tǒng)作為一種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的徑向被動(dòng)磁軸承，在承重方向轉(zhuǎn)子磁鋼為非整環(huán)結(jié)構(gòu)，定子磁鋼為整環(huán)結(jié)構(gòu)，因此轉(zhuǎn)子磁鋼與定子磁鋼之間的力的作用不再相互抵消，可對(duì)外表現(xiàn)出恒定力的作用；該永磁力支撐系統(tǒng)工作方式為吸力型；為了固定非整環(huán)的定子磁鋼，需要填充磁鋼襯環(huán)補(bǔ)成整環(huán)結(jié)構(gòu)；本磁軸承的定子磁鋼和轉(zhuǎn)子磁鋼材料為釤鈷永磁材料，磁鋼襯環(huán)材料為鋁合金。慣性測(cè)量系統(tǒng)組成中的X向陀螺、Y向陀螺、Z向陀螺為光纖速率陀螺；所述X向加速度計(jì)、Y向加速度計(jì)為石英撓性加速度計(jì)；所述X向陀螺、Y向陀螺為雙軸陀螺，共用處理模塊，結(jié)構(gòu)緊湊；轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)包含三個(gè)碼盤(pán)，橫滾碼盤(pán)和俯仰碼盤(pán)為直接測(cè)量，其軸線分別與橫滾軸和俯仰軸重合；方位碼盤(pán)則采取間接測(cè)量法，軸線與方位力矩電機(jī)的輸出軸重合，由此解決了方位框尺寸過(guò)大無(wú)法直接測(cè)量。橫滾齒輪和俯仰齒輪均非整個(gè)齒輪，而是采取扇形齒輪方式，結(jié)構(gòu)更加緊湊?？蚣芙Y(jié)構(gòu)包括底板、底座、橫滾框、俯仰框、方位框材料為超硬鋁7050，軸系包括橫滾軸、俯仰軸以及橫滾扇形齒輪，俯仰扇形齒輪材料為2Cr 13。
本發(fā)明的原理是三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)三框架系統(tǒng)，由外至內(nèi)分別是橫滾框、俯仰框和方位框。橫滾框的回轉(zhuǎn)軸沿著飛機(jī)的飛行方向，用以隔離飛機(jī)的橫滾角運(yùn)動(dòng)；俯仰框的回轉(zhuǎn)軸沿飛機(jī)機(jī)翼方向，用以隔離飛機(jī)的俯仰角運(yùn)動(dòng)；方位框的回轉(zhuǎn)軸垂直向下，用以隔離飛機(jī)的方位角運(yùn)動(dòng)；各回轉(zhuǎn)軸均以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正。由于相機(jī)的鏡頭需要垂直向下，所以方位框設(shè)計(jì)成中空的環(huán)型結(jié)構(gòu)，工作時(shí)相機(jī)安裝在方法框上。如圖8所示，Mr為橫滾驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，Mp為俯仰框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，Ma為方位框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；GX為X向陀螺，敏感橫滾框沿橫滾軸相對(duì)于慣性空間的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，Gy為Y向陀螺，敏感俯仰框沿俯仰軸相對(duì)于慣性空間的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，Gz為Z向陀螺，敏感方位框沿方位軸相對(duì)于慣性空間的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度'K、Ay為安裝在俯仰框上的加速度計(jì)，其中Ax為X向加計(jì)，敏感橫滾框的旋轉(zhuǎn)加速度，Ay為Y向加計(jì)，敏感俯仰框的旋轉(zhuǎn)加速度；RX、Ry> Rz為測(cè)量框架間相對(duì)轉(zhuǎn)角三支碼盤(pán)，其中，Rx為橫滾碼盤(pán)，用于測(cè)量橫滾框相對(duì)于機(jī)座的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，Ry為俯仰碼盤(pán)，用于測(cè)量俯仰框相對(duì)于橫滾框的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，Rz為方位碼盤(pán)，用于測(cè)量方位框相對(duì)于俯仰框的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；&、Kp、Ka分別為橫滾框架、俯仰框架和方位框架的功率驅(qū)動(dòng)模塊；伺服控制系統(tǒng)根據(jù)速率陀螺敏感到的框架角速率信息和加速度計(jì)、磁羅盤(pán)測(cè)量出的姿態(tài)信息產(chǎn)生控制信號(hào)，控制信號(hào)經(jīng)過(guò)功率驅(qū)動(dòng)模塊轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)給力矩電機(jī)，力矩電機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)力矩，通 過(guò)三套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)反向驅(qū)動(dòng)三個(gè)框架轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)抵消干擾力矩，實(shí)時(shí)跟蹤和穩(wěn)定遙感載荷視軸的目的；橫滾軸支撐采用機(jī)械軸承加一種非對(duì)稱徑向被動(dòng)磁軸承的雙支撐結(jié)構(gòu)，在承重方向被動(dòng)磁軸承轉(zhuǎn)子磁鋼為非整環(huán)結(jié)構(gòu)，定子磁鋼為整環(huán)結(jié)構(gòu)，則轉(zhuǎn)子磁鋼與定子磁鋼之間的力的作用不再相互抵消，可對(duì)外表現(xiàn)出恒定力的作用，由此可以產(chǎn)生卸載的作用，減小了橫滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦，提高了系統(tǒng)的精度；同時(shí)，機(jī)械軸承起到了被動(dòng)磁軸承的保護(hù)軸承作用。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(I)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了精度高、大負(fù)載、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)。( 2 )本發(fā)明橫滾驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、俯仰驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和方位框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為間接驅(qū)動(dòng)方式，其中橫滾驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、俯仰驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為力矩電機(jī)、一級(jí)行星齒輪減速、二級(jí)齒輪減速；方位框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為力矩電機(jī)、一級(jí)行星齒輪減速、二級(jí)鋼絲繩減速，在保證結(jié)構(gòu)緊湊前提下，增大了減速比，而且力矩大、響應(yīng)快，有利于進(jìn)一步控制精度的提高。(3)本發(fā)明采用被動(dòng)磁軸承實(shí)現(xiàn)了橫滾軸的卸載，減小了摩擦，有助于平臺(tái)承載能力的提聞及進(jìn)一步控制精度的提聞。(4)本發(fā)明的橫滾齒輪和俯仰齒輪均非整個(gè)齒輪，而是采取扇形齒輪方式，結(jié)構(gòu)更加緊湊。(5)本發(fā)明中轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)中方位碼盤(pán)直接安裝于方位行星減速器軸端，解決了方位環(huán)直徑過(guò)大無(wú)法直接測(cè)量其轉(zhuǎn)角，簡(jiǎn)化了平臺(tái)結(jié)構(gòu)。(6)本發(fā)明中安裝了數(shù)字磁羅盤(pán)元件，提供了對(duì)方位框航向角的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了方位框相對(duì)于地面航向的測(cè)量與控制。(7)本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)采用懸掛式密閉框式結(jié)構(gòu)，提高了整體剛度，減小了體積和質(zhì)量。(8 )本發(fā)明的主要框架結(jié)構(gòu)材料選用了超硬鋁7050，在保證平臺(tái)結(jié)構(gòu)性能前提下，
盡量減小其質(zhì)量。


圖I為本發(fā)明的慣性穩(wěn)定平臺(tái)立體示意圖；圖2為本發(fā)明的慣性穩(wěn)定平臺(tái)A-A剖視圖；圖3為本發(fā)明的慣性穩(wěn)定平臺(tái)B-B剖視圖；圖4為本發(fā)明的慣性穩(wěn)定平臺(tái)磁軸承結(jié)構(gòu)示意5為本發(fā)明的慣性穩(wěn)定平臺(tái)俯仰方位組件三維視圖；圖6為本發(fā)明的慣性穩(wěn)定平臺(tái)底板底座組件三維視圖；圖7為本發(fā)明的慣性穩(wěn)定平臺(tái)橫滾框三維視圖； 圖8為本發(fā)明的慣性穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖。
具體實(shí)施例方式如圖1、2、3、4、5、6、7、8所示，一種高精度大負(fù)載慣性穩(wěn)定平臺(tái)，包括平臺(tái)框架系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、減震系統(tǒng)、框架支撐系統(tǒng)、慣性測(cè)量系統(tǒng)、轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)；其中OXYZ為本平臺(tái)的空間坐標(biāo)系，X向?yàn)轱w機(jī)飛行方向，Y向?yàn)闄C(jī)翼方向，Z向垂直于大地；平臺(tái)框架系統(tǒng)自下而上依次連接為底板101、底座102、橫滾框103、俯仰框104和方位框105 ;平臺(tái)工作時(shí)，相機(jī)106置于方位框105之上；橫滾框103的回轉(zhuǎn)軸沿著飛機(jī)的飛行方向，用以隔離飛機(jī)的橫滾角運(yùn)動(dòng)；俯仰框104的回轉(zhuǎn)軸沿飛機(jī)機(jī)翼方向，用以隔離飛機(jī)的俯仰角運(yùn)動(dòng)；方位框105的回轉(zhuǎn)軸垂直向下，用以隔離飛機(jī)的方位角運(yùn)動(dòng)；各回轉(zhuǎn)軸均以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正；底板101與飛機(jī)的固連，底座102通過(guò)減震系統(tǒng)與底板101固連在一起；底座上固定兩個(gè)橫滾框支座102-1，橫滾框103則通過(guò)同軸安裝在橫滾支座102-1上的兩個(gè)橫滾軸411，實(shí)現(xiàn)橫滾框103繞橫滾軸411的自由旋轉(zhuǎn)；俯仰框104通過(guò)同軸安裝在橫滾框103上的兩個(gè)俯仰軸421，實(shí)現(xiàn)俯仰框104繞橫滾框103的自由旋轉(zhuǎn)；方位框105則通過(guò)方位軸承431安裝于俯仰框104上，實(shí)現(xiàn)方位框105繞俯仰框104的自由旋轉(zhuǎn)；穩(wěn)定平臺(tái)方位框105的轉(zhuǎn)軸、俯仰軸421、橫滾軸411相互正交；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括橫滾框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、俯仰框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和方位框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；橫滾框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由橫滾力矩電機(jī)211、橫滾行星齒輪減速器212、橫滾減速器齒輪213、橫滾齒輪214依次串接而成；俯仰框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由俯仰力矩電機(jī)221、俯仰行星齒輪減速器222、俯仰減速器齒輪223、俯仰齒輪224依次串接而成；方位框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由方位力矩電機(jī)231、方位行星齒輪減速器232、方位減速器線輪233、方位鋼絲繩減速系統(tǒng)234依次串接而成；減震系統(tǒng)由固連在底板101與底座102之間的四個(gè)金屬減震器301構(gòu)成，每個(gè)金屬減震器301對(duì)稱安裝于底板101的四個(gè)角上；框架支撐系統(tǒng)包括橫滾框支撐系統(tǒng)、俯仰框支撐系統(tǒng)和方位框支撐系統(tǒng)，其中橫滾框支撐系統(tǒng)包括橫滾軸411、橫滾機(jī)械軸承412、永磁力支撐系統(tǒng)44，橫滾軸411由橫滾機(jī)械軸承412和永磁力支撐系統(tǒng)44組合提供支撐；永磁力支撐系統(tǒng)44包括轉(zhuǎn)子磁鋼441、定子磁鋼442、轉(zhuǎn)子套筒443、磁鋼襯環(huán)444、磁軸承支座445，是一種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的徑向被動(dòng)磁軸承，其中轉(zhuǎn)子磁鋼441通過(guò)轉(zhuǎn)子套筒442固定于橫滾軸411，定子磁鋼442和磁鋼襯環(huán)444組合在一起通過(guò)磁軸承支座445固定于橫滾框103 ;俯仰框支撐系統(tǒng)中安裝在橫滾框103上的兩個(gè)俯仰軸421直接由俯仰機(jī)械軸承422來(lái)提供支撐，實(shí)現(xiàn)俯仰框104繞橫滾框103的自由旋轉(zhuǎn)；方位框支撐系統(tǒng)中通過(guò)方位軸承431來(lái)提供支撐，使得方位框105安裝于俯仰框104之上；慣性測(cè)量系統(tǒng)包括三個(gè)陀螺，即X向陀螺501、Y向陀螺502,Z向陀螺503，兩個(gè)加速度計(jì)，即X向加速度計(jì)504和Y向加速度計(jì)505、及磁羅盤(pán)506 ；其中X向陀螺501和Y向陀螺502通過(guò)正交式橫滾俯仰陀螺支架507安裝在俯仰框104上，Z向陀螺503安裝在方位框105上，X向加速度計(jì)504、Y向加速度計(jì)505通過(guò)正交式加計(jì)支架508安裝在俯仰框104上；磁羅盤(pán)506安裝在方位框105底部；所述X向陀螺501敏感軸沿橫滾軸411方向，Y向陀螺502敏感軸沿俯仰軸421方向，Z向陀螺503敏感軸沿方位框105轉(zhuǎn)軸方向，X向加速度計(jì)504敏感軸與橫滾軸411方向正交，Y向加速度計(jì)505敏感軸與俯仰軸421方向正交；轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)由三個(gè)碼盤(pán)組成，即橫滾碼盤(pán)601、俯仰碼盤(pán)602和方位碼盤(pán)603 ;其中橫滾碼盤(pán)601直接安裝于橫滾軸411外端，測(cè)量橫滾框103相對(duì)底座102的轉(zhuǎn)角；俯仰碼盤(pán)602直接安裝于俯仰軸421外端，測(cè)量俯仰框104相對(duì)于橫滾框103的轉(zhuǎn)角；方位碼盤(pán)603則安裝于方位行星齒輪減速器232輸出軸外端，測(cè)量方位框105相對(duì)于俯仰框104的轉(zhuǎn)角；如圖1、5、7所示，所述橫滾框103結(jié)構(gòu)為懸掛整體式密閉結(jié)構(gòu)，回轉(zhuǎn)軸沿飛機(jī)飛行方向；俯仰框104和方位框105設(shè)計(jì)成中空的環(huán)型結(jié)構(gòu)；慣性穩(wěn)定平臺(tái)工作時(shí)，相機(jī)106視軸與方位框105轉(zhuǎn)軸重合，便于實(shí)現(xiàn)航拍時(shí)相機(jī)106的視軸跟蹤當(dāng)?shù)卮咕€；
如圖3所示，橫滾驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、俯仰驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和方位框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均為二級(jí)間接驅(qū)動(dòng)方式；橫滾驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、俯仰驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為一級(jí)行星齒輪減速、二級(jí)齒輪減速；方位框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為一級(jí)行星齒輪減速、二級(jí)鋼絲繩減速；其中一級(jí)行星齒輪減速比為3 5, 二級(jí)減速比為8 10。如圖2、3所示，橫滾框支撐系統(tǒng)中的橫滾機(jī)械軸承411和俯仰框支撐系統(tǒng)中的俯仰機(jī)械軸承421，采取“面對(duì)面”雙列角接觸球軸承方式，C級(jí)精度，安裝時(shí)沿軸承軸向預(yù)緊，成對(duì)安裝使用；方位框支撐系統(tǒng)中的方位軸承431為鋼絲滾道球軸承，根據(jù)平臺(tái)具體尺寸定制。如圖2、3、4所示，橫滾框支撐系統(tǒng)中的永磁力支撐系統(tǒng)44作為一種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的徑向被動(dòng)磁軸承，在承重方向轉(zhuǎn)子磁鋼441為非整環(huán)結(jié)構(gòu)，定子磁鋼442為整環(huán)結(jié)構(gòu)，因此轉(zhuǎn)子磁鋼441與定子磁鋼442之間的力的作用不再相互抵消，可對(duì)外表現(xiàn)出恒定力的作用；該永磁力支撐系統(tǒng)44工作方式為吸力型；為了固定非整環(huán)的定子磁鋼442，需要填充磁鋼襯環(huán)444補(bǔ)成整環(huán)結(jié)構(gòu)；本磁軸承的定子磁鋼442和轉(zhuǎn)子磁鋼441材料為釤鈷永磁材料，磁鋼襯環(huán)444材料為鋁合金。如圖2、3、5所示，慣性測(cè)量系統(tǒng)組成中的X向陀螺501、Y向陀螺502、Ζ向陀螺503為光纖速率陀螺；所述X向加速度計(jì)504、Υ向加速度計(jì)505為石英撓性加速度計(jì)；所述X向陀螺501、Y向陀螺502為雙軸陀螺，共用處理模塊，結(jié)構(gòu)緊湊；如圖2、3所示，轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)包含三個(gè)碼盤(pán)，橫滾碼盤(pán)601和俯仰碼盤(pán)602為直接測(cè)量，其軸線分別與橫滾軸411和俯仰軸421重合；方位碼盤(pán)603則采取間接測(cè)量法，軸線與方位力矩電機(jī)231的輸出軸重合，由此解決了方位框105尺寸過(guò)大無(wú)法直接測(cè)量。如圖5、6所示，橫滾齒輪214和俯仰齒輪224均非整個(gè)齒輪，而是采取扇形齒輪方式，結(jié)構(gòu)更加緊湊?？蚣芙Y(jié)構(gòu)包括底板101、底座102、橫滾框103、俯仰框104、方位框105材料為超硬鋁7050，軸系包括橫滾軸411、俯仰軸421以及橫滾扇形齒輪214，俯仰扇形齒輪224材料為2Crl3。
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權(quán)利要求
1.一種高精度大負(fù)載慣性穩(wěn)定平臺(tái)，其特征在于包括平臺(tái)框架系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、減震系統(tǒng)、框架支撐系統(tǒng)、慣性測(cè)量系統(tǒng)和轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)； 平臺(tái)框架系統(tǒng)自下而上依次連接為底板(101)、底座(102)、橫滾框(103)、俯仰框(104)和方位框(105);慣性穩(wěn)定平臺(tái)工作時(shí),相機(jī)(106)置于方位框(105)之上；橫滾框(103)的回轉(zhuǎn)軸沿著飛機(jī)的飛行方向，用以隔離飛機(jī)的橫滾角運(yùn)動(dòng)；俯仰框(104)的回轉(zhuǎn)軸沿飛機(jī)機(jī)翼方向，用以隔離飛機(jī)的俯仰角運(yùn)動(dòng)；方位框(105)的回轉(zhuǎn)軸垂直向下，用以隔離飛機(jī)的方位角運(yùn)動(dòng)；底板(101)與飛機(jī)固連，底座(102)通過(guò)減震系統(tǒng)與底板(101)固連在一起；底座(102)上固定兩個(gè)橫滾框支座(102-1)，橫滾框(103)通過(guò)同軸安裝在橫滾支座(102-1)上的兩個(gè)橫滾軸(411)上，實(shí)現(xiàn)橫滾框(103)繞橫滾軸(411)的自由旋轉(zhuǎn)；俯仰框(104)通過(guò)同軸安裝在橫滾框(103)上的兩個(gè)俯仰軸(421 )，實(shí)現(xiàn)俯仰框(104)繞橫滾框(103)的自由旋轉(zhuǎn)；方位框(105)通過(guò)方位軸承(431)安裝于俯仰框(104)上，實(shí)現(xiàn)方位框(105)通過(guò)轉(zhuǎn)軸繞俯仰框(104)自由旋轉(zhuǎn)；方位框(105)的轉(zhuǎn)軸、俯仰軸(421)、橫滾軸(411)相互正交； 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括橫滾框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、俯仰框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和方位框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；橫滾框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由橫滾力矩電機(jī)(211)、橫滾行星齒輪減速器(212)、橫滾減速器齒輪(213)、橫滾齒輪(214)依次串接而成；俯仰框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由俯仰力矩電機(jī)(221)、俯仰行星齒輪減速器(222)、俯仰減速器齒輪(223)、俯仰齒輪(224)依次串接而成；方位框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由方位力矩電機(jī)(231)、方位行星齒輪減速器(232)、方位減速器線輪(233)、方位鋼絲繩減速系統(tǒng)(234)依次串接而成； 減震系統(tǒng)由固連在底板(101)與底座(102 )之間的四個(gè)金屬減震器(301)構(gòu)成，每個(gè)金屬減震器(301)對(duì)稱安裝于底板(101)的四個(gè)角上； 框架支撐系統(tǒng)包括橫滾框支撐系統(tǒng)、俯仰框支撐系統(tǒng)和方位框支撐系統(tǒng)；其中橫滾框支撐系統(tǒng)包括橫滾軸(411)、橫滾機(jī)械軸承(412)和永磁力支撐系統(tǒng)(44);橫滾軸(411)由橫滾機(jī)械軸承(412)和永磁力支撐系統(tǒng)(44)組合提供支撐；永磁力支撐系統(tǒng)(44)包括轉(zhuǎn)子磁鋼(441)、定子磁鋼(442)、轉(zhuǎn)子套筒(443)、磁鋼襯環(huán)(444)、磁軸承支座(445)，是一種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的徑向被動(dòng)磁軸承，其中轉(zhuǎn)子磁鋼(441)通過(guò)轉(zhuǎn)子套筒(442)固定于橫滾軸(411),定子磁鋼(442)和磁鋼襯環(huán)(444)組合在一起通過(guò)磁軸承支座(445)固定于橫滾框(103);俯仰框支撐系統(tǒng)中安裝在橫滾框(103)上的兩個(gè)俯仰軸(421)直接由兩個(gè)俯仰機(jī)械軸承(422)來(lái)提供支撐，實(shí)現(xiàn)俯仰框(104)繞橫滾框(103)的自由旋轉(zhuǎn)；方位框支撐系統(tǒng)中通過(guò)方位軸承(431)來(lái)提供支撐，使得方位框(105 )安裝于俯仰框(104 )之上； 慣性測(cè)量系統(tǒng)包括X向陀螺(501)、Y向陀螺(502 )、Z向陀螺(503 )、X向加速度計(jì)(504 )和Y向加速度計(jì)(505)及磁羅盤(pán)(506);其中X向陀螺(501)和Y向陀螺(502)通過(guò)正交式橫滾俯仰陀螺支架(507)安裝在俯仰框(104)上，Z向陀螺(503)安裝在方位框(105)上，X向加速度計(jì)(504)、Y向加速度計(jì)(505)通過(guò)正交式加計(jì)支架(508)安裝在俯仰框(104)上； 磁羅盤(pán)(506 )安裝在方位框(105 )底部；所述X向陀螺(501)敏感軸沿橫滾軸(411)方向，Y向陀螺(502)敏感軸沿俯仰軸(421)方向，Z向陀螺(503)敏感軸沿方位框(105)轉(zhuǎn)軸方向，X向加速度計(jì)(504)敏感軸與橫滾軸(411)方向正交，Y向加速度計(jì)(505)敏感軸與俯仰軸(421)方向正交； 轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)由三個(gè)碼盤(pán)組成，即橫滾碼盤(pán)(601)、俯仰碼盤(pán)(602)和方位碼盤(pán)(603)；其中橫滾碼盤(pán)(601)直接安裝于橫滾軸(411)外端，測(cè)量橫滾框(103)相對(duì)底座(102)的轉(zhuǎn)角；俯仰碼盤(pán)(602)直接安裝于俯仰軸(421)外端，測(cè)量俯仰框(104)相對(duì)于橫滾框(103)的轉(zhuǎn)角；方位碼盤(pán)(603)安裝于方位行星齒輪減速器(232)輸出軸外端，測(cè)量方位框(105)相對(duì)于俯仰框(104)的轉(zhuǎn)角。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高精度大負(fù)載慣性穩(wěn)定平臺(tái)，其特征在于所述橫滾框(103)結(jié)構(gòu)為懸掛整體式密閉結(jié)構(gòu)，回轉(zhuǎn)軸沿飛機(jī)飛行方向；俯仰框(104)和方位框(105)設(shè)計(jì)成中空的環(huán)型結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高精度大負(fù)載慣性穩(wěn)定平臺(tái)，其特征在于所述橫滾驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、俯仰驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和方位框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為二級(jí)間接驅(qū)動(dòng)方式；橫滾驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、俯仰驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為一級(jí)行星齒輪減速、二級(jí)齒輪減速；方位框驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為一級(jí)行星齒輪減速、二級(jí)鋼絲繩減速；其中一級(jí)行星齒輪減速比為3 5，二級(jí)減速比為8 10。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高精度大負(fù)載慣性穩(wěn)定平臺(tái)，其特征在于所述橫滾齒輪(214)和俯仰齒輪(224)均非整個(gè)齒輪，而是采取扇形齒輪方式，結(jié)構(gòu)更加緊湊。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高精度大負(fù)載慣性穩(wěn)定平臺(tái)，其特征在于所述橫滾框支撐系統(tǒng)中的橫滾機(jī)械軸承(411)和俯仰框支撐系統(tǒng)中的俯仰機(jī)械軸承(421)，采取“面對(duì)面”雙列角接觸球軸承方式，C級(jí)精度，安裝時(shí)沿軸承軸向預(yù)緊，成對(duì)安裝使用；方位框支撐系統(tǒng)中的方位軸承(431)為鋼絲滾道球軸承。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高精度大負(fù)載慣性穩(wěn)定平臺(tái)，其特征在于所述永磁力支撐系統(tǒng)(44)作為一種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的徑向被動(dòng)磁軸承，在承重方向轉(zhuǎn)子磁鋼(441)為非整環(huán)結(jié)構(gòu)，定子磁鋼(442)為整環(huán)結(jié)構(gòu)，因此轉(zhuǎn)子磁鋼(441)與定子磁鋼(442)之間的力的作用不再相互抵消，可對(duì)外表現(xiàn)出恒定力的作用；永磁力支撐系統(tǒng)(44)工作方式為吸力型；為了固定非整環(huán)的定子磁鋼(442)，需要填充磁鋼襯環(huán)(444)補(bǔ)成整環(huán)結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高精度大負(fù)載慣性穩(wěn)定平臺(tái)，其特征在于所述X向陀螺(501), Y向陀螺(502)、Z向陀螺(503)為光纖速率陀螺;所述X向加速度計(jì)(504)、Y向加速度計(jì)(505)為石英撓性加速度計(jì)；所述X向陀螺(501)、Y向陀螺(502)為雙軸陀螺。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高精度大負(fù)載慣性穩(wěn)定平臺(tái)，其特征在于所述橫滾碼盤(pán)(601)和俯仰碼盤(pán)(602)為直接測(cè)量，其軸線分別與橫滾軸(411)和俯仰軸(421)重合；方位碼盤(pán)(603)則采取間接測(cè)量法，軸線與方位力矩電機(jī)(231)的輸出軸重合，解決了方位框(105)尺寸過(guò)大無(wú)法直接測(cè)量。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高精度大負(fù)載慣性穩(wěn)定平臺(tái)，其特征在于所述底板(101)、底座(102)、橫滾框(103)、俯仰框(104)和方位框(105)材料為超硬鋁7050。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高精度大負(fù)載慣性穩(wěn)定平臺(tái)，其特征在于所述橫滾軸(411)、俯仰軸(421)及橫滾齒輪(214 )、俯仰齒輪(224 )材料為2Cr 13。
全文摘要
一種高精度大負(fù)載慣性穩(wěn)定平臺(tái)，由平臺(tái)框架系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、減震系統(tǒng)、框架支撐系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、慣性測(cè)量系統(tǒng)、轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)組成；框架支撐系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了橫滾框被動(dòng)懸浮卸載，減小了摩擦，提高平臺(tái)穩(wěn)定精度；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)控制指令實(shí)現(xiàn)飛機(jī)角運(yùn)動(dòng)的隔離；減震系統(tǒng)隔離飛機(jī)高頻線振動(dòng)；伺服控制系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)的平臺(tái)角運(yùn)動(dòng)信息，按照一定的控制算法實(shí)時(shí)解算處平臺(tái)相對(duì)確定；慣性測(cè)量系統(tǒng)和轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)飛機(jī)角運(yùn)動(dòng)引起的平臺(tái)角運(yùn)動(dòng)信息；本發(fā)明有效隔離了飛機(jī)角運(yùn)動(dòng)及振動(dòng)，減小了平臺(tái)摩擦力，提高了平臺(tái)穩(wěn)定精度，適用于航空遙感、目標(biāo)跟蹤等。
文檔編號(hào)G01C21/18GK102778234SQ20121029594
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月17日
發(fā)明者劉剛, 周向陽(yáng), 張建斌, 張鈺, 房建成, 鐘麥英 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)