一種全姿態(tài)三框架四軸慣性平臺(tái)隨動(dòng)環(huán)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種全姿態(tài)三框架四軸慣性平臺(tái)系統(tǒng)隨動(dòng)環(huán)的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]平臺(tái)式慣性導(dǎo)行系統(tǒng)按照框架結(jié)構(gòu)可以分為兩框架三軸慣性平臺(tái)(簡(jiǎn)稱三軸慣性平臺(tái))和三框架四軸慣性平臺(tái)(簡(jiǎn)稱四軸慣性平臺(tái))。三軸慣性平臺(tái)的內(nèi)環(huán)軸在轉(zhuǎn)動(dòng)±90°后，臺(tái)體軸會(huì)和外環(huán)軸平行，會(huì)失去一個(gè)自由度，導(dǎo)致三軸慣性平臺(tái)工作異常，該現(xiàn)象即為三軸慣性平臺(tái)的“框架鎖定現(xiàn)象”。為了避免該現(xiàn)象發(fā)生，需要在三軸慣性平臺(tái)內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向上設(shè)置限位角(一般為±45° )，即:在使用三軸慣性平臺(tái)時(shí)，載體(裝載平臺(tái)式慣性導(dǎo)行系統(tǒng)的設(shè)備如飛機(jī)、汽車、武器等)在內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向上不能進(jìn)行大范圍機(jī)動(dòng)(不能超過(guò)限位角±45° )。所以說(shuō)，三軸慣性平臺(tái)不能實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)輸出。
[0003]為了解決三軸慣性平臺(tái)“框架鎖定現(xiàn)象”的問題，誕生了四軸慣性平臺(tái)，四軸慣性平臺(tái)在三軸慣性平臺(tái)的基礎(chǔ)上增加了隨動(dòng)環(huán)，隨動(dòng)環(huán)的控制器采用了兩種工作模式:一是隨動(dòng)工作模式，二是鎖零工作模式。在隨動(dòng)工作模式下隨動(dòng)環(huán)實(shí)時(shí)跟蹤平臺(tái)內(nèi)環(huán)軸角度，使臺(tái)體軸與外環(huán)軸始終保持垂直，從而避免了三軸慣性平臺(tái)的“框架鎖定現(xiàn)象”。然而，當(dāng)外環(huán)軸角度處于±90°附近時(shí)，隨動(dòng)工作模式會(huì)進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，失去正常功能，導(dǎo)致平臺(tái)系統(tǒng)工作異常，該現(xiàn)象稱之為四軸慣性平臺(tái)“外環(huán)90°問題”。針對(duì)此問題，隨動(dòng)環(huán)的控制增加了鎖零模式，鎖零模式的作用是將隨動(dòng)環(huán)鎖定在隨動(dòng)軸角度為0°的位置，將四軸慣性平臺(tái)降為三軸慣性平臺(tái)，平臺(tái)外環(huán)可以工作在±90°，但此時(shí)內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向上的角度不能超出±45°，而且由隨動(dòng)模式切換為鎖零模式時(shí)隨動(dòng)軸角度必須處于±45°之間，否則，會(huì)使內(nèi)環(huán)軸角度到達(dá)限位角位置，使內(nèi)環(huán)軸失去自由度，平臺(tái)系統(tǒng)工作異常。
[0004]綜上所述，現(xiàn)有的四軸慣性平臺(tái)不論是工作在隨動(dòng)模式還是鎖零模式都存在死區(qū)，不能實(shí)現(xiàn)真正意義的全姿態(tài)工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種全姿態(tài)四軸慣性平臺(tái)隨動(dòng)環(huán)的控制方法，該方法使四軸慣性平臺(tái)的外環(huán)軸可以工作在±90°附近，而且載體可以沿內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向上進(jìn)行超出±45°的大范圍角運(yùn)動(dòng)，能夠克服現(xiàn)有四軸慣性平臺(tái)的工作死區(qū)，使其具備全姿態(tài)工作的能力。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:一種全姿態(tài)三框架四軸慣性平臺(tái)隨動(dòng)環(huán)控制方法，包括如下步驟:
[0007](I)閉合四軸慣性平臺(tái)系統(tǒng)的穩(wěn)定回路，將四軸慣性平臺(tái)臺(tái)體軸角度θ z、內(nèi)環(huán)軸角度θχ、外環(huán)軸角度9y轉(zhuǎn)動(dòng)到零度位置；
[0008](2)控制器進(jìn)入隨動(dòng)工作模式，使得內(nèi)環(huán)軸角度θ χ保持在θ χ= O的位置；控制器持續(xù)監(jiān)測(cè)外環(huán)軸角度Qy的值，當(dāng)外環(huán)軸角度Θ y進(jìn)入[-95°，-85° ]或[85° ,95° ]范圍時(shí)，將控制器切換到當(dāng)前位置鎖定模式；當(dāng)外環(huán)軸角度9y未進(jìn)入[-95°，-85° ]或[85° ,95° ]范圍時(shí)，控制器保持在隨動(dòng)工作模式；
[0009](3)在當(dāng)前位置鎖定模式下，通過(guò)控制器將隨動(dòng)環(huán)鎖定在當(dāng)前隨動(dòng)軸角度θχ，α。)位置；控制器持續(xù)監(jiān)測(cè)外環(huán)軸角度0y和內(nèi)環(huán)軸角度Θ x的值，當(dāng)外環(huán)軸角度0￥在[-95°，-85° ]或[85° ,95° ]范圍內(nèi)且內(nèi)環(huán)軸角度到達(dá)[-45 °，-15 ° ]或[+15°，+45° ]范圍內(nèi)時(shí)，控制器進(jìn)入90°翻轉(zhuǎn)模式；當(dāng)外環(huán)軸角度0y保持在[-95°，-85° ]或[85°，95° ]范圍且內(nèi)環(huán)軸角度未到達(dá)[-45 °，-15 ° ]或[+15°，+45° ]范圍內(nèi)時(shí)，控制器保持在當(dāng)前位置鎖定模式；當(dāng)外環(huán)軸角度0y離開[-95°，-85° ]或[85° ,95° ]范圍時(shí)，控制器切換到隨動(dòng)工作模式；
[0010](4)在90°翻轉(zhuǎn)模式下，通過(guò)控制器將隨動(dòng)環(huán)從當(dāng)前隨動(dòng)軸角度Θ x, (to)位置正向或負(fù)向翻轉(zhuǎn)90°，正向翻轉(zhuǎn)方向符合右手定則，控制器切換隨動(dòng)工作模式。
[0011]所述隨動(dòng)工作模式下，控制器對(duì)隨動(dòng)環(huán)的控制方法如下:控制器以內(nèi)環(huán)軸角度θ χ與外環(huán)軸角度對(duì)輸入的修正量sec Θ y值之間的乘積作為控制器輸入量，計(jì)算輸出量，輸出量經(jīng)過(guò)光耦隔離和功率放大后提供給隨動(dòng)軸力矩電機(jī)，帶動(dòng)隨動(dòng)環(huán)反向轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生力矩，推動(dòng)隨動(dòng)環(huán)產(chǎn)生隨動(dòng)環(huán)角度θχ，，使內(nèi)環(huán)軸角度￥的值判斷是否進(jìn)入當(dāng)前位置鎖定模式。
[0012]所述當(dāng)前位置鎖定模式下，控制器對(duì)隨動(dòng)環(huán)的控制方法如下:控制器以隨動(dòng)軸角度θχ，與控制器進(jìn)入當(dāng)前位置鎖定模式時(shí)刻的隨動(dòng)軸角度Θ x, (t0)的偏差值為輸入量，控制器計(jì)算出的控制量經(jīng)過(guò)光耦隔離和功率放大后提供給隨動(dòng)軸力矩電機(jī)，產(chǎn)生力矩使得θ χ.(t0) = θχ，，將隨動(dòng)環(huán)鎖定在當(dāng)前隨動(dòng)軸角度0x，(t。)位置。
[0013]所述90°翻轉(zhuǎn)模式下，控制器對(duì)隨動(dòng)環(huán)的控制方法如下:當(dāng)9x，(t。)在[-95°，-85° ]范圍內(nèi)時(shí)，控制器以隨動(dòng)軸角度θχ，與控制器進(jìn)入當(dāng)前位置鎖定模式時(shí)刻的隨動(dòng)軸角度9,.(^)+90°的偏差值為輸入量，控制器計(jì)算出的控制量經(jīng)過(guò)光耦隔離和功率放大后提供給隨動(dòng)軸力矩電機(jī)，帶動(dòng)隨動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使得0x，(t(])+9O° = θχ，，使得隨動(dòng)環(huán)從當(dāng)前隨動(dòng)軸角度θχ，α。)位置正向翻轉(zhuǎn)90° ;或者當(dāng)θχ，α。)在[85° ,95° ]范圍內(nèi)時(shí)，控制器以隨動(dòng)軸角度θ χ，與控制器進(jìn)入當(dāng)前位置鎖定模式時(shí)刻的隨動(dòng)軸角度輸入Θ x，(t0)-90°的偏差值為輸入量，控制器計(jì)算出的控制量經(jīng)過(guò)光耦隔離和功率放大后提供給隨動(dòng)軸力矩電機(jī)，帶動(dòng)隨動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使得0^(^)-90° = θ x，，使得隨動(dòng)環(huán)從當(dāng)前隨動(dòng)軸角度Θ x，(t。)位置負(fù)向翻轉(zhuǎn)90°。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是:
[0015](I)本發(fā)明所采用的當(dāng)前位置鎖定工作模式與現(xiàn)有的鎖零回路相比，可以在任意位置將四軸慣性平臺(tái)降為三軸慣性平臺(tái)，使四軸慣性平臺(tái)外環(huán)具備工作在過(guò)±90°位置和停留在±90°位置的能力；
[0016](2)本發(fā)明中，當(dāng)四軸慣性平臺(tái)外環(huán)處于±90°位置時(shí)，通過(guò)引入90°翻轉(zhuǎn)模式后，可以消除此時(shí)載體在內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向上的角度限制，進(jìn)行超出±45°的大范圍角運(yùn)動(dòng)，同時(shí)能夠?qū)⑼猸h(huán)帶離±90°位置，使四軸慣性平臺(tái)具備重新切換為隨動(dòng)工作模式的能力；
[0017](3)本發(fā)明采用隨動(dòng)工作模式、當(dāng)前位置鎖定模式及90°翻轉(zhuǎn)模式三種模式相結(jié)合的隨動(dòng)環(huán)控制方法，克服了現(xiàn)有四軸慣性平臺(tái)的工作死區(qū)，實(shí)現(xiàn)了四軸慣性平臺(tái)的全姿態(tài)工作。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本發(fā)明四軸慣性平臺(tái)框架坐標(biāo)系定義示意圖；
[0019]圖2是本發(fā)明四軸慣性平臺(tái)全姿態(tài)控制流程示意圖；
[0020]圖3是本發(fā)明控制器隨動(dòng)工作模式下對(duì)隨動(dòng)環(huán)的控制方法框圖；
[0021]圖4是本發(fā)明控制器當(dāng)前位置鎖定模式下對(duì)隨動(dòng)環(huán)的控制方法框圖；
[0022]圖5是本發(fā)明控制器90°翻轉(zhuǎn)模式下對(duì)隨動(dòng)環(huán)的控制方法框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]為方便敘述，首先給出四軸慣性平臺(tái)框架坐標(biāo)系定義，如圖1所示，0X’軸為隨動(dòng)軸，轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍-180°到+180° ;0X軸為內(nèi)環(huán)軸，轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍-45°到+45° ;0Y軸為外環(huán)軸，轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍-180°到+180° ;0Ζ軸為臺(tái)體軸，轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍-180°到+180° ;ΟΧρΥρΖρ為平臺(tái)臺(tái)體坐標(biāo)系；OX’XYZ為平臺(tái)框架軸系。定義θχ，表示隨動(dòng)軸角度，極性定義為平臺(tái)基座繞0Χ’軸正向轉(zhuǎn)動(dòng)輸出為正，正向轉(zhuǎn)動(dòng)方向符合右手定則；0y表示外環(huán)軸角度，極性定義為平臺(tái)隨動(dòng)環(huán)繞OY軸正向轉(zhuǎn)動(dòng)輸出為正，正向轉(zhuǎn)動(dòng)方向符合右手定則；θχ表示內(nèi)環(huán)軸角度，極性定義為平臺(tái)外環(huán)繞OX軸正向轉(zhuǎn)動(dòng)輸出為正，正向轉(zhuǎn)動(dòng)方向符合右手定則；θζ表示臺(tái)體軸角度，極性定義為平臺(tái)內(nèi)環(huán)繞OZ軸正向轉(zhuǎn)動(dòng)輸出為正，正向轉(zhuǎn)動(dòng)方向符合右手定則。載體的X軸與內(nèi)環(huán)軸OX軸方向一致，Y軸與外環(huán)軸OY軸方向一致，Z軸與臺(tái)體軸OZ軸方向一致。
[0024]如圖2所示，一種全姿態(tài)三框架四軸慣性平臺(tái)隨動(dòng)環(huán)控制方法，步驟如下:<