一种三轴惯性稳定平台系统的台体控制参数计算方法

文档序号:9324552阅读:524来源:国知局
一种三轴惯性稳定平台系统的台体控制参数计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及惯性测量技术领域,特别涉及一种三轴惯性稳定平台系统的台体控制 参数计算方法,用于对三轴惯性稳定平台系统的转动惯量耦合计算、基座与台体之间的力 矩变换,可应用于高精度导航的航空、航天领域。
【背景技术】
[0002] 惯性稳定平台系统能有效隔离运动载体载体扰动,使得惯性测量单元相对于惯性 空间保持稳定,其中三轴惯性稳定平台系统包括台体、内框架、外框架和基座,其中,惯性测 量单元安装在台体内,外框架固连在运动载体上。其中,内框架和外框架组成的框架系统, 用于为台体提供旋转自由度,但由于框架系统和台体间存在着相对运动约束,所以框架系 统的运动会对台体带来影响。这些影响包含基座与台体间的坐标变换、力矩变换,以及框架 系统惯性干扰力矩对台体的作用等。
[0003] 在惯性稳定平台伺服系统工作时,框架系统的转动惯量最终通过惯性干扰力矩对 台体的作用体现出来,包括转动惯量间的耦合、惯量积的耦合等,但最关键的是框架转动惯 量在台体上的耦合。
[0004] 在本技术领域中,通过三轴惯性稳定平台系统的动力学方程求解出台体耦合转动 惯量,以及基座和台体间的合成力矩,用于控制系统进行台体姿态控制。在中国宇航出版社 出版的《惯性器件(下)》中,需要利用相对转动角度的正切值或正割值进行转动惯量和力 矩计算,因此在相对转动角度为90度、270度时,计算得到的转动惯量和干扰力矩趋于无穷 大,这存在两个问题:
[0005] (1)、根据目前的转动惯量计算方法,在内框架和外框架的转动上存在有限转动惯 量时,折合到台体上的转动惯量趋于无穷大,从物理意义上说,在内外两个框架轴质量有限 时将在台体上产生无限的质量负荷,不符合物理规律;
[0006] (2)、根据目前的干扰力矩计算方法,在两个框架转动轴上存在有限力矩时,台体 接收到的干扰力矩将趋于无限大,从物理意义上来说,在转轴上输入有限能量将在台体上 产生无限能量,这也不符合物理规律。

【发明内容】

[0007] 本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种三轴惯性稳定平台系统的台体 控制参数计算方法,用于计算三轴惯性稳定平台系统的台体合成转动惯量和合成力矩,计 算精度高且适用于全姿态过程计算。
[0008] 本发明的上述目的通过以下技术方案实现:
[0009] -种三轴惯性稳定平台系统的台体控制参数计算方法,用于计算三轴惯性稳定平 台系统的台体合成转动惯量和合成力矩;所述稳定平台系统包括基座、外框架、内框架和台 体,对应的本体坐标系分别为基座本体坐标系X1Y1Z1、外框架本体坐标系X p2Yp2Zp2、内框架本 体坐标系XplYplZpl和台体本体坐标系X PYPZP;所述四个坐标系的原点重合,并且:台体本体 坐标系的Zp轴与内框架本体坐标系的Z pl轴重合,外框架的本体坐标系的Y p2轴与内框架本 体坐标系的Ypl轴重合,基座本体坐标系的X i轴与外框架本体坐标系的X 重合;其中,基 座与载体固连,在所述稳定平台系统在载体带动下发生内部相对转动时,基座绕外框架坐 标系的Xp2轴转动,外框架绕内框架坐标系的Y ρ1轴转动,内框架绕台体坐标系的Z ρ轴转动;
[0010] 所述台体合成转动惯量和合成力矩的计算步骤如下:
[0011] (1)、测量或计算得到三轴惯性稳定平台系统的转动惯量,包括:台体相对于\轴、 Yp轴、Zp轴的转动惯量的、丨、j-;内框架相对于Xpl轴、Y pl轴、Zpl轴的转动惯量的 :、4外框架相对于χρ2轴、γP2轴、z p2轴的转动惯量的弋2、心;
[0012] (2)、测量得到所述稳定平台系统内部相对转动的角度,包括:外框架绕内框架坐 标系Ypl轴转动的角度β yk;内框架绕台体坐标系Zp轴转动的角度β zk;
[0013] (3)、计算所述稳定平台系统的台体合成转动惯量,包括:合成到台体Xp轴上的主 转动惯量、合成到台体γΡ轴上的主转动惯量、对轴χΡ和γ P的合成转动惯量积Jxy、对 轴Xp和Z P的合成转动惯量积J xz、对轴Yp和Z P的合成转动惯量积J yz;具体计算公式如下:
[0019] (4)、计算合成在台体上的干扰力矩和电机反馈力矩,具体包括:合成在台体Xji 上的干扰力矩Mx3、合成在台体Yp轴上的干扰力矩My3、合成在台体Z p轴上的干扰力矩Mz3、合 成后的台体Xp轴力矩电机反馈力矩Mft3、合成后的台体Yp轴力矩电机反馈力矩、合 成后的台体Zp轴力矩电机反馈力矩Md,,具体计算公式如下:
[0022] 其中,Iv为施加在外框架XlJft上的外力矩;M>pl为施加在内框架Y pl轴上的外 力矩;Mzp为施加在台体Z p轴上的外力矩;为外框架XlJtt的轴力矩电机的反馈力矩; ,为内框架Ypl轴的轴力矩电机的反馈力矩;为台体Zp轴的轴力矩电机的反馈力 矩。
[0023] 上述的三轴惯性稳定平台系统的台体控制参数计算方法,在步骤(1)中,当三轴 惯性稳定平台系统的结构确定后,通过有限元分析方法计算得到所述平台的转动惯量,或 对所述三轴惯性稳定平台系统进行测量得到转动惯量。
[0024] 上述的三轴惯性稳定平台系统的台体控制参数计算方法,在步骤(2)中,通过如 下方法测量得到到三轴惯性稳定平台系统内部相对转动的角度:
[0025] 在内框架的Ypl轴上安装角度传感器,测量外框架绕内框架坐标系Y ρ1轴转动的角 度Pyk;在台体的Zp轴上安装角度传感器,测量内框架绕台体坐标系Zp轴转动的角度β zk。
[0026] 上述的三轴惯性稳定平台系统的台体控制参数计算方法,在步骤(2)中,转动角 度β yk、β zk的取值范围为0~360°。
[0027] 本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0028] (1)、本发明利用三轴惯性稳定平台系统的转动惯量,以及稳定平台系统内部相对 转动的角度的正余弦值,计算得到台体合成转动惯量,该计算过程中不存在无解区域,可以 覆盖任意姿态角的情况,相比现有的计算方法更准确、适用性更广;
[0029] (2)、本发明利用已知的外力矩,以及稳定平台系统内部相对转动的角度的正余弦 值,计算得到合成在台体上的干扰力矩和电机反馈力矩,可以准确描述出台体与基座之间 的力矩变换关系,该计算过程不存在无解区域,可以覆盖任意姿态角的情况,相比现有的计 算方法更准确、适用性更广。
【附图说明】
[0030] 图1为三轴惯性稳定平台系统中三个本体坐标系之间的关系示意图;
[0031] 图2为本发明的三轴惯性稳定平台系统的台体控制参数计算方法的计算流程图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述:
[0033] 本发明提供的三轴惯性稳定平台系统的台体控制参数计算方法,用于计算三轴惯 性稳定平台系统的台体合成转动惯量和合成力矩。该三轴惯性稳定平台系统包括基座、外 框架、内框架和台体,对应的本体坐标系分别为基座本体坐标系X1Y1Z1、外框架本体坐标系 Xp2Yp2Zp2、内框架本体坐标系XplY plZpl和台体本体坐标系X PYPZP。
[0034] 如图1所示的四个坐标系的关系示意图,这四个本体坐标系的原点重合,并且存 在如下相对约束关系:台体本体坐标系的Zp轴与内框架本体坐标系的Zpl轴重合,外框架的 本体坐标系的Yp2轴与内框架本体坐标系的Y ρ1轴重合,基座本体坐标系的X i轴与外框架本 体坐标系的XlJtt重合;其中,
[0035] 基座与载体固连,在所述稳定平台系统在载体带动下发生内部相对转动时,基座 绕外框架坐标系的Xp2轴转动且转动角度为β xk,外框架绕内框架坐标系的Ypl轴转动且转 动角度为Pyk,内框架绕台体坐标系的Zp轴转动且转动角度为β zk。
[0036] 如图2所示,本发明的三轴惯性稳定平台系统的台体控制参数计算方法,具体计 算步骤如下:
[0037] (I)、当三轴惯性稳定平台系统的结构确定后,通过
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