本發(fā)明涉及艦船載荷的穩(wěn)定平臺(tái)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種穩(wěn)定平臺(tái)及其控制方法。

背景技術(shù)：

移動(dòng)載體在受到自身運(yùn)動(dòng)的影響或外界的干擾，會(huì)產(chǎn)生姿態(tài)角度的變化，安裝在載體上的精密載荷如果對(duì)空間指向有一定要求，難以在這種環(huán)境下正常工作。例如，移動(dòng)載體為艦船時(shí)，艦船在航行受到海浪影響會(huì)產(chǎn)生較大的晃動(dòng)，使該艦船上的精密載荷無法正常工作，因此迫切需要提供一種穩(wěn)定精密載荷的裝置或者方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供一種穩(wěn)定平臺(tái)以及其控制方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中精密載荷沒有穩(wěn)定裝置而引起的無法正常工作的問題。

第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種穩(wěn)定平臺(tái)，固定在移動(dòng)載體之上，所述穩(wěn)定平臺(tái)包括：姿態(tài)測(cè)量裝置、包含第一步進(jìn)電機(jī)和第二步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和處理裝置；其中，所述姿態(tài)測(cè)量裝置與所述處理裝置通信連接，所述處理裝置與所述機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)通信連接；精密載荷固定在所述機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)控平面上；

所述姿態(tài)測(cè)量裝置用于獲取所述移動(dòng)載體的測(cè)量信息并發(fā)送給所述處理裝置；

所述處理裝置用于根據(jù)所述測(cè)量信息計(jì)算電機(jī)的水平指令角和指令角速度；所述水平指令角包括俯仰指令角和橫滾指令角；

所述機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)用于根據(jù)所述水平指令角和所述指令角速度調(diào)整第一步進(jìn)電機(jī)和/或第二步進(jìn)電機(jī)以隔離移動(dòng)載體的姿態(tài)變化量使所述穩(wěn)控平面保持水平狀態(tài)。

可選地，所述機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)包括：穩(wěn)控平面、x軸穩(wěn)控部分、y軸穩(wěn)控部分和固定座；其中所述固定座固定在所述移動(dòng)載體上，所述x軸穩(wěn)控部分和所述y軸穩(wěn)控部分固定在所述固定座上，所述穩(wěn)控平面固定在所述x軸穩(wěn)控部分和所述y軸穩(wěn)控部分；

所述x軸穩(wěn)控部分用于在第一步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)調(diào)節(jié)所述穩(wěn)控平面的橫滾角；

所述y軸穩(wěn)控部分用于在第二步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)調(diào)節(jié)所述穩(wěn)控平面的俯仰角。

可選地，所述姿態(tài)測(cè)量裝置為移動(dòng)載體上的姿態(tài)測(cè)量源或者加裝的航姿參考系統(tǒng)AHRS測(cè)量部件。

第二方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種用于第一方面所述的穩(wěn)定平臺(tái)的控制方法，所述控制方法包括：

根據(jù)移動(dòng)載體的測(cè)量信息獲取姿態(tài)測(cè)量源的載體坐標(biāo)系b系與地平面坐標(biāo)系統(tǒng)n系之間的轉(zhuǎn)換矩陣

根據(jù)所述轉(zhuǎn)換矩陣和安裝誤差矩陣計(jì)算調(diào)整矩陣

根據(jù)所述調(diào)整矩陣計(jì)算穩(wěn)控平面的俯仰指令角和橫滾指令角；

根據(jù)所述俯仰指令角、所述橫滾指令角利用穩(wěn)定控制算法形成第一步進(jìn)電機(jī)和第二步進(jìn)電機(jī)的脈沖控制量，以使穩(wěn)控平面保持的水平狀態(tài)。

可選地，所述安裝誤差矩陣采用以下步驟獲取：

利用傾角傳感器獲取機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的外框平面的俯仰角σ_x1和橫滾角σ_y1；

利用所述傾角傳感器獲取姿態(tài)測(cè)量源的基準(zhǔn)面的俯仰角σ_x2和橫滾角σ_y2；

根據(jù)俯仰角σ_x1、橫滾角σ_y1與俯仰角σ_x2、橫滾角σ_y2計(jì)算機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的安裝誤差；安裝誤差包括俯仰俯角σ_x和橫滾俯角σ_y；

根據(jù)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的外框平面的載體坐標(biāo)系b′和姿態(tài)測(cè)量源的載體坐標(biāo)系b以及安裝誤差獲取安裝誤差矩陣為：

可選地，所述速度前饋方法包括：

將所述俯仰指令角、所述橫滾指令角作為前饋控制量直接補(bǔ)償?shù)降谝徊竭M(jìn)電機(jī)和/或第二步進(jìn)電機(jī)的輸入量中；

以及所述角度閉環(huán)方法包括：

根據(jù)所述俯仰指令角、所述橫滾指令角和編碼器獲取的外框平面的俯仰角、橫滾角進(jìn)行比較得到計(jì)算偏差；

利用PID控制器根據(jù)所述計(jì)算偏差獲取第一步進(jìn)電機(jī)和第二步進(jìn)電機(jī)的脈沖控制量。

根據(jù)所述調(diào)整矩陣計(jì)算穩(wěn)控平面的俯仰指令角和橫滾指令角

可選地，其特征在于，所述俯仰指令角和橫滾指令角γ_i采用以下公式計(jì)算：

式中，為轉(zhuǎn)換矩陣。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明通過姿態(tài)測(cè)量裝置獲取移動(dòng)載體的測(cè)量信息，然后由處理裝置根據(jù)上述測(cè)量信息計(jì)算電機(jī)的水平指令角和指令角速度，然后由機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)根據(jù)上述水平指令角和指令角速度調(diào)整第一步進(jìn)電機(jī)和/或第二步進(jìn)電機(jī)從而隔離移動(dòng)載體的姿態(tài)變化量，使穩(wěn)控平面保持在水平狀態(tài)，從而使精密載荷正常工作。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以直接利用移動(dòng)載體的姿態(tài)測(cè)量裝置獲取姿態(tài)測(cè)量信息，從而無需在機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)上安裝陀螺傳感器，降低成本。并且，本發(fā)明實(shí)施例通過調(diào)整穩(wěn)控平面，可以使精密載荷保持在水平面上正常工作。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡(jiǎn)單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種穩(wěn)定平臺(tái)功能框圖；

圖2為圖1中機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)俯視圖和側(cè)視圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種用于圖1所示穩(wěn)定平臺(tái)的控制方法流程示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

圖1示出了本發(fā)明提供的一種穩(wěn)定平臺(tái)功能框圖。本發(fā)明實(shí)施例提供的穩(wěn)定平臺(tái)，固定在移動(dòng)載體之上，參見圖1，所述穩(wěn)定平臺(tái)包括：姿態(tài)測(cè)量裝置M1、包含第一步進(jìn)電機(jī)和第二步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)M3和處理裝置M2。姿態(tài)測(cè)量裝置M1與處理裝置M2通信連接，處理裝置M2與機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)M3通信連接。精密載荷固定在機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)M3的穩(wěn)控平面上。

姿態(tài)測(cè)量裝置M1用于獲取移動(dòng)載體的測(cè)量信息并發(fā)送給處理裝置M2；

處理裝置M2用于根據(jù)上述測(cè)量信息計(jì)算電機(jī)的水平指令角和指令角速度；

機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)M3用于根據(jù)水平指令角和指令角速度調(diào)整第一步進(jìn)電機(jī)和/或第二步進(jìn)電機(jī)以隔離移動(dòng)載體的姿態(tài)變化量使穩(wěn)控平面保持水平狀態(tài)。

需要說明的是，本發(fā)明實(shí)施例中姿態(tài)測(cè)量裝置獲取的測(cè)量信息包括移動(dòng)載體的俯仰角、橫滾角和航向角。本發(fā)明實(shí)施例中使用俯仰角、橫滾角即可。

上述姿態(tài)測(cè)量裝置M1優(yōu)先采用移動(dòng)載體自身提供的姿態(tài)測(cè)量源，這樣無需在機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)M3上安裝陀螺儀，降低成本。當(dāng)移動(dòng)載體上沒有姿態(tài)測(cè)量源時(shí)，可以在移動(dòng)載體上加裝航姿參考系統(tǒng)AHRS測(cè)量部件實(shí)現(xiàn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)具體使用場(chǎng)景進(jìn)行選擇，本發(fā)明不作限定。

上述處理裝置M2可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的單片機(jī)、ARM芯片或者DSP芯片實(shí)現(xiàn)，主要用于根據(jù)測(cè)量信息計(jì)算電機(jī)的水平指令角和指令角速度。在能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員選擇的處理芯片、電路、裝置，同樣落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。

上述機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置M3，如圖2所示，包括：穩(wěn)控平面1、x軸穩(wěn)控部分2、y軸穩(wěn)控部分3和固定座4。其中固定座4固定在移動(dòng)載體上，x軸穩(wěn)控部分2和y軸穩(wěn)控部分3固定在固定座4上，穩(wěn)控平面1固定在x軸穩(wěn)控部分2和y軸穩(wěn)控部分3上。其中，

x軸穩(wěn)控部分2用于在第一步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)調(diào)節(jié)穩(wěn)控平面1的橫滾角；

y軸穩(wěn)控部分3用于在第二步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)調(diào)節(jié)穩(wěn)控平面1的俯仰角。

如圖2所示，x軸穩(wěn)控部分2包括第一框架21、第一扇形齒輪22和第一步進(jìn)電機(jī)23。其中第一框架21的兩端(圖2中右上角和左下角)固定在固定座4上。第一扇形齒輪22固定在該第一框架21上，且圓心位于與該第一框架21固定的兩端的軸線上。該第一扇形齒輪22與第一步進(jìn)電機(jī)23相嚙合。當(dāng)?shù)谝徊竭M(jìn)電機(jī)23接收到脈沖控制量時(shí)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，通過第一扇形齒輪22帶動(dòng)第一框架21轉(zhuǎn)動(dòng)，可以調(diào)整穩(wěn)控平面的橫滾角。

如圖2所示，y軸穩(wěn)控部分3包括第二框架31、第二扇形齒輪32和第二步進(jìn)電機(jī)33。其中第二框架31的兩端(圖2中左上角和右下角)固定在固定座4上。第二扇形齒輪32固定在該第二框架31上，且圓心位于與該第二框架31固定的兩端的軸線上。該第二扇形齒輪32與第二步進(jìn)電機(jī)33相嚙合。當(dāng)?shù)诙竭M(jìn)電機(jī)33接收到脈沖控制量時(shí)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，通過第二扇形齒輪32帶動(dòng)第二框架31轉(zhuǎn)動(dòng)，可以調(diào)整穩(wěn)控平面的俯仰角。

基于上述穩(wěn)定平臺(tái)，本發(fā)明實(shí)施例還提供一種用于上述穩(wěn)定平臺(tái)的控制方法，如圖3所示，所述控制方法包括：

S1、根據(jù)移動(dòng)載體的測(cè)量信息獲取姿態(tài)測(cè)量源的載體坐標(biāo)系b系與地平面坐標(biāo)系n系之間的轉(zhuǎn)換矩陣

S2、根據(jù)所述轉(zhuǎn)換矩陣和安裝誤差矩陣計(jì)算調(diào)整矩陣

S3、根據(jù)所述調(diào)整矩陣計(jì)算穩(wěn)控平面的俯仰指令角和橫滾指令角；

S4、根據(jù)所述俯仰指令角、所述橫滾指令角利用穩(wěn)定控制算法形成第一步進(jìn)電機(jī)和第二步進(jìn)電機(jī)的脈沖控制量，以使穩(wěn)控平面保持的水平狀態(tài)。

實(shí)際應(yīng)用中，本發(fā)明實(shí)施例步驟S2中包括獲取安裝誤差矩陣的過程即標(biāo)校過程。在標(biāo)校過程中保證載體和機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)M3靜止不動(dòng)。首先將傾角傳感器放置在機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)M3的外框平面上，得到該外框平面的俯仰角σ_x1和橫滾角σ_y1。然后將傾角傳感器放置在姿態(tài)測(cè)量裝置M1的基準(zhǔn)面上，且保證傾角傳感器放置方向一致，測(cè)得姿態(tài)測(cè)量裝置基準(zhǔn)面的俯仰角σ_x2和橫滾角σ_y2。最后計(jì)算安裝誤差包括俯仰偏角σ_x和橫滾偏角σ_y：

σ_x＝σ_x1-σ_x2；

σ_y＝σ_y1-σ_y2。

利用上述俯仰偏角σ_x和橫滾偏角σ_y計(jì)算安裝誤差矩陣b′系為與機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的外框平面的載體坐標(biāo)系，b系為姿態(tài)測(cè)量裝置的載體坐標(biāo)系，二者之間的關(guān)系可通過來表示。

根據(jù)姿態(tài)測(cè)量裝置M1獲取的測(cè)量信息，可以得到b系與n系之間的轉(zhuǎn)換矩陣最終，得到

由即可求得俯仰指令角橫滾指令角γ_i：

忽略地球自轉(zhuǎn)的影響，姿態(tài)測(cè)量源輸出的角速度為：

而實(shí)際在b′系下的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)角速度為：

根據(jù)上式即可求出在雙軸框架上應(yīng)隔離的俯仰和橫滾指令角速度。

本發(fā)明實(shí)施例中還采用速度前饋與角度閉環(huán)相結(jié)合的穩(wěn)定控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)的精確穩(wěn)定控制。如圖4所示，處理裝置包括指令角解算模塊、指令角速度解算模塊和PID模塊。其中，姿態(tài)測(cè)量裝置所獲取的測(cè)量信息作為指令角解算模塊、指令角速度解算模塊的輸入量，可以計(jì)算出水平指令角和指令角速度。其中，指令角速度作為速度前饋量直接補(bǔ)償?shù)讲竭M(jìn)電機(jī)的輸入量，加快步進(jìn)電機(jī)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定控制精度。本發(fā)明實(shí)施例中還采用編碼器獲取穩(wěn)控平面的實(shí)際變化量，然后與指令角解算模塊計(jì)算的水平指令角作比較，將二者的差值作為PID控制器的輸入量，形成步進(jìn)電機(jī)的脈沖控制量，從而驅(qū)動(dòng)穩(wěn)控平面轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢?，本發(fā)明通過速度前饋以及角度閉環(huán)控制可以使穩(wěn)控平面快速而穩(wěn)定的保持在水平面狀態(tài)，從而使精密載荷正常工作。

本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白，本發(fā)明的實(shí)施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。因此，本發(fā)明可采用完全硬件實(shí)施例、完全軟件實(shí)施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實(shí)施例的形式。而且，本發(fā)明可采用在一個(gè)或多個(gè)其中包含有計(jì)算機(jī)可用程序代碼的計(jì)算機(jī)可用存儲(chǔ)介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲(chǔ)器、CD-ROM、光學(xué)存儲(chǔ)器等)上實(shí)施的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的形式。

本發(fā)明是參照根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法、設(shè)備(系統(tǒng))、和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來描述的。應(yīng)理解可由計(jì)算機(jī)程序指令實(shí)現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結(jié)合?？商峁┻@些計(jì)算機(jī)程序指令到通用計(jì)算機(jī)、專用計(jì)算機(jī)、嵌入式處理機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器以產(chǎn)生一個(gè)機(jī)器，使得通過計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能的裝置。

這些計(jì)算機(jī)程序指令也可存儲(chǔ)在能引導(dǎo)計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備以特定方式工作的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中，使得存儲(chǔ)在該計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能。

這些計(jì)算機(jī)程序指令也可裝載到計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備上，使得在計(jì)算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的處理，從而在計(jì)算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行的指令提供用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能的步驟。

最后應(yīng)說明的是：以上各實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求和說明書的范圍當(dāng)中。