一種四軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的臺(tái)體控制參數(shù)計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及慣性測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種四軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的臺(tái)體控制 參數(shù)計(jì)算方法，主要用于高精度導(dǎo)航的航空、航天領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于三軸慣性平臺(tái)系統(tǒng)存在"框架鎖定"現(xiàn)象，難以滿足載體大機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的要求， 因此，產(chǎn)生了四軸慣性平臺(tái)系統(tǒng)。四軸慣性平臺(tái)系統(tǒng)相對(duì)三軸慣性平臺(tái)系統(tǒng)，在臺(tái)體、內(nèi)框 架和外框架的基礎(chǔ)上增加了隨動(dòng)框架，隨動(dòng)框架處于平臺(tái)外框架和基座之間。
[0003] 框架系統(tǒng)的作用是為平臺(tái)基座相對(duì)臺(tái)體提供旋轉(zhuǎn)自由度，但由于框架系統(tǒng)和臺(tái)體 間存在著約束，所以框架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)臺(tái)體帶來(lái)影響。這些影響包含基座與臺(tái)體間的坐 標(biāo)變換、力矩變換，以及框架系統(tǒng)慣性干擾力矩對(duì)臺(tái)體的作用等。
[0004] 目前，三軸慣性平臺(tái)系統(tǒng)應(yīng)用相對(duì)成熟，參考資料也較多，但對(duì)四軸平臺(tái)的動(dòng)力學(xué) 分析相對(duì)較少。因此，迫切需要確定四軸平臺(tái)的關(guān)鍵參數(shù)，包括框架轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在臺(tái)體上的耦 合等。
[0005] 解決思路是通過(guò)四軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程求解出臺(tái)體耦合轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 基座和臺(tái)體間的力矩變換關(guān)系。在中國(guó)宇航出版社出版的"《IU空制理論在慣性技術(shù)應(yīng)用 中的設(shè)計(jì)方法》和中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)的《四軸平臺(tái)伺服系統(tǒng)建模研究》文獻(xiàn)中，需要利用 相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的正切值或正割值進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和力矩計(jì)算，因此在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為90度、 270度時(shí)，計(jì)算得到的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和干擾力矩趨于無(wú)窮大，這存在如下問(wèn)題：根據(jù)目前的轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量計(jì)算方法，在內(nèi)框架、外框架、隨動(dòng)框架的轉(zhuǎn)動(dòng)上存在有限轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，折合到臺(tái)體上 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量趨于無(wú)窮大，從物理意義上說(shuō)，在三個(gè)框架軸質(zhì)量有限時(shí)將在臺(tái)體上產(chǎn)生無(wú)限 的質(zhì)量負(fù)荷，不符合物理規(guī)律。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種四軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的臺(tái)體 控制參數(shù)計(jì)算方法，用于計(jì)算四軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的臺(tái)體合成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和合成力矩，計(jì) 精度高且適用于全姿態(tài)過(guò)程計(jì)算。
[0007]本發(fā)明的上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0008] -種四軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的臺(tái)體控制參數(shù)計(jì)算方法，用于計(jì)算四軸慣性穩(wěn)定平 臺(tái)系統(tǒng)中臺(tái)體合成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和合成力矩，所述穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)包括基座、隨動(dòng)框架、外框架、 內(nèi)框架和臺(tái)體，對(duì)應(yīng)的本體坐標(biāo)系分別為基座本體坐標(biāo)系XJiZi、隨動(dòng)框架坐標(biāo)系Xp3Yp3Zp3、 外框架本體坐標(biāo)系Xp2Yp2Zp2、內(nèi)框架本體坐標(biāo)系XplYplZpl和臺(tái)體本體坐標(biāo)系XPYPZP;所述五個(gè) 坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合，并且：臺(tái)體本體坐標(biāo)系的Zp軸與內(nèi)框架本體坐標(biāo)系的Zpl軸重合，外框 架的本體坐標(biāo)系的Yp2軸與內(nèi)框架本體坐標(biāo)系的Ypl軸重合，隨動(dòng)框架本體坐標(biāo)系的Xp3軸與 外框架本體坐標(biāo)系的Xp2軸重合，基座本體坐標(biāo)系的Xi軸與隨動(dòng)框架本體坐標(biāo)系的Y軸重 合；其中，基座與載體固連，在所述穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)在載體帶動(dòng)下發(fā)生內(nèi)部相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，基座 繞隨動(dòng)框架本體坐標(biāo)系的Yp3軸轉(zhuǎn)動(dòng)，隨動(dòng)框架繞外框架本體坐標(biāo)系的Xp2軸轉(zhuǎn)動(dòng)，外框架繞 內(nèi)框架本體坐標(biāo)系的Ypl軸轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)框架繞臺(tái)體本體坐標(biāo)系的Zp軸轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0009] 所述臺(tái)體合成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和合成力矩的計(jì)算步驟如下：
[0010] (1)、測(cè)量或估計(jì)計(jì)算得到四軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，包括：臺(tái)體相對(duì)于 Xp軸、Yp軸、Zp軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的、人.、人：內(nèi)框架相對(duì)于Xpl軸、Ypl軸、Zpl軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量的&、外框架相對(duì)于Xp2軸、Yp2軸、Zp2軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的 隨動(dòng)框架相對(duì)于Xp3軸、Yp3軸、Zp3軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的^;
[0011] (2)、測(cè)量得到所述穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)內(nèi)部相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，包括：隨動(dòng)框架繞外框架 本體坐標(biāo)系的Xp2軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度0xk，外框架繞內(nèi)框架本體坐標(biāo)系的Ypl軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度0 yk， 內(nèi)框架繞臺(tái)體本體坐標(biāo)系的Zp軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度0 zk;
[0012] (3)、計(jì)算所述穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的臺(tái)體合成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，包括：合成到臺(tái)體Xp軸上的主 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、合成到臺(tái)體Yp軸上的主轉(zhuǎn)動(dòng)慣量'、對(duì)軸Xp和YP的合成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量積對(duì) 軸Xp和ZP的合成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量積Jxz、對(duì)軸YP和Xp的合成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量積Jyx、對(duì)軸Yp和ZP的合成 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量積Jyz;具體計(jì)算公式如下：
[0018]
[0019] (4)、計(jì)算合成在臺(tái)體上的干擾力矩和電機(jī)反饋力矩，具體包括：合成在臺(tái)體ZjS 上的干擾力矩Mz3、合成在臺(tái)體Yp軸上的干擾力矩My3、合成在臺(tái)體Xp軸上的干擾力矩Mx3、合 成后的臺(tái)體Zp軸力矩電機(jī)反饋力矩合成后的臺(tái)體Yp軸力矩電機(jī)反饋力矩合 成后的臺(tái)體Xp軸力矩電機(jī)反饋力矩，具體計(jì)算公式如下：
[0020；
[0021；
[0022] 其中，Mzp為施加在臺(tái)體Zp軸上的外力矩；￥^為施加在內(nèi)框架Ypi軸上的外力矩； 為施加在外框架\2軸上的外力矩；為施加在隨動(dòng)框架Yp3軸上的外力矩； 為臺(tái)體Zp軸的軸力矩電機(jī)的反饋力矩；為內(nèi)框架Ypl軸的軸力矩電機(jī)的反饋力矩； 為外框架Xp2軸的軸力矩電機(jī)的反饋力矩；為隨動(dòng)框架Yp3軸的軸力矩電機(jī)的反 饋力矩。
[0023] 上述的四軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的臺(tái)體控制參數(shù)計(jì)算方法，在步驟（1)中，當(dāng)四軸 慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)確定后，通過(guò)有限元分析方法計(jì)算得到所述平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，或 對(duì)所述四軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量得到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
[0024] 上述的四軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的臺(tái)體控制參數(shù)計(jì)算方法，在步驟（2)中，通過(guò)如 下方法測(cè)量得到四軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)內(nèi)部相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度：
[0025] 在外框架的Xp2軸上安裝角度傳感器，測(cè)量得到隨動(dòng)框架繞外框架本體坐標(biāo)系的 Xp2軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度Pxk;在內(nèi)框架的Ypl軸上安裝角度傳感器，測(cè)量得到外框架繞內(nèi)框架本體 坐標(biāo)系的Ypl軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度0yk;在臺(tái)體Zp軸上安裝傳感器測(cè)量?jī)?nèi)框架繞臺(tái)體本體坐標(biāo)系 的Zp軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度0 zk。
[0026] 上述的四軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的臺(tái)體控制參數(shù)計(jì)算方法，在步驟（2)中，轉(zhuǎn)動(dòng)角 度Uyk、0J勺取值范圍為〇~360。。
[0027] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0028] (1)、本發(fā)明利用四軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以及穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)內(nèi)部相 對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度的正余弦值，計(jì)算得到臺(tái)體合成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，該計(jì)算過(guò)程中不存在無(wú)解區(qū)域，可 以覆蓋任意姿態(tài)角的情況，相比現(xiàn)有的計(jì)算方法更準(zhǔn)確、適用性更廣；
[0029] (2)、本發(fā)明利用已知的外力矩，以及穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)內(nèi)部相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度的正余弦 值，計(jì)算得到合成在臺(tái)體上的干擾力矩和電機(jī)反饋力矩，可以準(zhǔn)確描述出臺(tái)體與基座之間 的力矩變換關(guān)系，該計(jì)算過(guò)程不存在無(wú)解區(qū)域，可以覆蓋任意姿態(tài)角的情況，相比現(xiàn)有的計(jì) 算方法更準(zhǔn)確、適用性更廣。
【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1為四軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)中四個(gè)本體坐標(biāo)系之間的關(guān)系示意圖；
[0031]圖2為本發(fā)明的四軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的臺(tái)體控制參數(shù)計(jì)算方法的計(jì)算流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述：
[0033] 本發(fā)明提供的四軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的臺(tái)體控制參數(shù)計(jì)算方法，用于計(jì)算四軸慣 性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)中臺(tái)體合成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和合成力矩。其中，該四軸穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)包括基座、隨 動(dòng)框架、外框架、內(nèi)框架和臺(tái)體，對(duì)應(yīng)的本體坐標(biāo)系分別為基座本體坐標(biāo)系、隨動(dòng)框架 坐標(biāo)系Xp3Yp3Zp3、外框架本體坐標(biāo)系Xp2Yp2Zp2、內(nèi)框架本體坐標(biāo)系XplYplZpl和臺(tái)體本體坐標(biāo)系 XpYpZp °
[0034] 如圖1所示的五個(gè)坐標(biāo)系的關(guān)系示意圖，以上所述的五個(gè)坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合，并 且存在如下相對(duì)約束關(guān)系：臺(tái)體本體坐標(biāo)系的Zp軸與內(nèi)框架本體坐標(biāo)系的Zpl軸重合，外框 架的本體坐標(biāo)系的Yp2軸與內(nèi)框架本體坐標(biāo)系的Ypl軸重合，隨動(dòng)框架本體坐標(biāo)系的Xp3軸與 外框架本體坐標(biāo)系的Xp2軸重合，基座本體坐標(biāo)系的Xi軸與隨動(dòng)框架本體坐標(biāo)系的Y軸重 合。其中，基座與載體固連，在所述穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)在載