一种消防搜救用高空稳定平台的制作方法

本发明涉及一种消防搜救用高空稳定平台。

背景技术：

高空作业平台是高层建筑发生火灾时消防员搜救的重要运载工具。随着高层建筑的增多，高空作业平台除了用于紧急状态救援，还可以用于建筑外墙的日常装修和维护。但高度的增加会出现平台轻微倾斜和晃动，严重时影响到作业人员的人身安全。

技术实现要素：

为了克服现有高空消防平台的上述不足，本发明提供一种使用效果好，提高作业平台运行安全性和可靠性的高空搜救用稳定平台及其控制方法。

本发明的目的是以下述方式实现的：

一种消防搜救用高空稳定平台，包括作业平台和位于作业平台下部的测量装置和伺服电机调平机构，测量装置的信号输出端与位姿计算机的信号输入端连接，位姿计算机的信号输出端与伺服电机调平机构的信号输入端连接；所述测量装置包括三组加速度计和陀螺仪，分别用于测量平台沿三个方向的位置信息和倾斜角度信息。

所述三组加速度计和陀螺仪的敏感轴相互正交，伺服电机调平机构包括三个伺服电机，分别对应平台的横滚运动、俯仰运动和方位运动，用于对平台三个方向进行调节。

如上所述的消防搜救用高空稳定平台的控制方法，包括以下步骤：

(1)通过加速度计和陀螺仪获取平台惯性坐标系三个方向的倾斜角度和位移变化信息；

(2)位姿计算机对传来的倾斜角度和位移变化信息经过转换计算，通过对摩擦力矩作卸荷和对干扰角速度进行角速度对消，解算出作业平台的位姿调整信息；

(3)伺服电机调平机构根据位姿调整信进行调整，使作业平台保持稳定。

与现有技术相比，本发明主要优点如下：

目前稳定平台常用的有两轴稳定平台、三轴稳定平台和四轴稳定平台。两轴平台由俯仰轴和方位轴组成，其结构简单，重量小，成本低，但在垂直平台方向15度范围内存在跟踪盲区，是因为视轴和方位轴接近重合，方位角速度接近无穷大，而跟踪角速度不能达到无穷，造成平台自锁或跟踪误差大。四轴稳定平台是在两轴结构基础上增加一台两轴平台，相当于在三轴结构的内框上方增设了一个俯仰轴，其结构复杂，成本高，影响平台稳定。三轴稳定平台在两轴的俯仰轴和方位轴基础上增加了一个横滚轴，用来补偿由于平台姿态变化而引起的绕各自轴系旋转变化，与两轴平台相比，其跟踪盲区较小。发明采用对角速度对消和对摩擦力矩进行卸荷的方法进行数据处理，可以隔离平台的角运动，得到位姿调整信息。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是横滚坐标系r的位置关系图；

图3是俯仰坐标系f的位置关系图；

图4是方位坐标系a的位置关系图。

具体实施方式

一种消防搜救用高空稳定平台，如图1所示，包括作业平台1和位于作业平台下部的测量装置2和伺服电机调平机构4，测量装置2的信号输出端与位姿计算机3的信号输入端连接，位姿计算机3的信号输出端与伺服电机调平机构4的信号输入端连接；所述测量装置包括三组加速度计21和陀螺仪22，分别用于测量平台沿三个方向的位置信息和倾斜角度信息，加速度计用来获得三个方向的位移，陀螺仪获得三个方向的旋转角度，三组测量装置的敏感轴呈相互正交分布，方向与方位坐标系(x_a,y_a,z_a)重合，伺服电机调平机构包括三个伺服电机，三个伺服电机分别对应横滚运动、俯仰运动和方位运动，用于对陀螺仪测量的平台三个方向的位姿变化进行调节。

上述消防搜救用高空稳定平台的控制方法，包括以下步骤：

首先利用在作业平台1下部测量装置2的三组加速度计21和陀螺仪22感测作业平台1相对于惯性坐标系的三个方向上的倾斜角度和位移变化信息，发送到位姿计算机3；然后位姿计算机3对传来的倾斜角度和位移信息进行姿态和位移的转换计算，通过对摩擦力矩作卸荷和对干扰角速度进行角速度对消，解算出作业平台1的位姿调整信息；位姿计算机对位姿调整信息进行分析判断，如果作业平台状态与预设值存在偏差，伺服电机调平机构根据位姿调整信进行调整，使作业平台保持稳定。

下面具体描述高空稳定平台的作用原理：

对于消防高空平台的控制系统，最重要的是解决如何跟踪平台位姿的变化和保持稳定的问题。对于跟踪问题，如何使传感器快速测量到位姿变化信息；对于稳定问题，要解决在平台产生运动时，保持平台隔离位姿干扰。

为叙述和分析问题方便，规定一些常用坐标系：

基座坐标系b，与平台固连，x_b,y_b,z_b分别指向平台的右，前，上；

横滚坐标系r，y_r与y_b指向相同，r系相对b系绕y_b旋转，产生横滚角θ_r；

俯仰坐标系f，x_f与x_r指向相同，f系相对r系绕x_r旋转，产生俯仰角θ_f；

方位坐标系a，z_a与z_f指向相同，a系相对f系绕z_f旋转，产生方位角θ_a。

平台1的三组惯性测量单元2的敏感轴呈相互正交分布，初始方向与方位坐标系重合，测量单元的输出经过分配和放大馈入到力矩马达中，控制相应的角度运动。

各坐标系之间的位置关系如图4所示，角速度的耦合关系如下：

横滚坐标系r与基座坐标系b的姿态转换矩阵为

横滚角速度为

俯仰坐标系f与横滚坐标系r的姿态转换矩阵为

俯仰角速度为

方位坐标系a与俯仰坐标系f的姿态转换矩阵为

方位角速度为

方位角速度可以改写成和三个量的形式来表示。

指令信号的分配关系如下：

假设平台的指令角速度为将其折算为指令电流加至平台的伺服电机力矩器中，实现对陀螺输出信号进行分配，得到平台的输出角速度。其中陀螺输出信息为

式中K_Gi＝k_ωik_gk_u，k_ωi为指令角速度到指令电流的转换系数，k_g为陀螺的传递函数，k_u为信号器转角到电压的转换系数。平台输出角速度为

W为环架力矩放大系数，T₁为测量单元几何关系矩阵，T₂为信号分配矩阵。

在平台设计中取K_Gx＝K_Gy＝K_Gz＝K_G，W_r＝W_f＝W_a＝W，W·K_G＝1，平台通过T₁将环架角速度传递给平台台体。要使平台准确跟踪指令角速度，需要有T₁T₂＝I。

陀螺输出到伺服回路输入间的陀螺信号分配关系为

平台位姿调整步骤：

位姿计算机3对传来的倾斜角度和位移信息进行姿态和位移的转换计算，解算出作业平台1的位姿调整信息；位姿计算机对位姿调整信息进行分析判断，如果作业平台状态与预设值存在偏差，伺服电机调平机构根据位姿调整信息进行调整；基座由于外界作用产生的角速度为ω_ib，通过摩擦耦合和几何耦合约束影响工作平台1的角速度，摩擦耦合产生摩擦力矩影响平台，几何耦合产生干扰角速度，平台通过对摩擦力矩作卸荷和对干扰角速度进行角速度对消来保持平衡。下面分别对平台三种运动位姿调整进行说明：

一、俯仰运动位姿信息调整：

1、首先是角速度对消的方法

由横滚角速度的公式可知其z轴分量为：

横滚角速度在俯仰y_f轴上的分量为：

根据几何约束关系，该角速度分量直接传递到平台台体上。陀螺G_x的敏感轴沿x_a轴，陀螺G_y的敏感轴沿y_a轴，由横滚轴力矩电机产生的横滚轴伺服角速度为则G_x的输出为：

G_y的输出为：

反馈入俯仰轴伺服回路的信号为

反馈入横滚轴伺服回路的信号为

横滚轴力矩电机产生的伺服力矩为

其中k_ar和F_r(s)分别为横滚伺服回路放大倍数和校正网络传递函数，k_mr和R_r分别为横滚力矩电机的力矩系数和电枢回路电阻。在此力矩作用下横滚轴的伺服角速度为

假设为常值，则作业平台达到稳定时

俯仰环上的伺服电机需要调整的角速度在俯仰环的y_f轴上分量为

俯仰y_f轴的旋转角速度为

得

平台台体绕俯仰y_f轴的旋转角度应与相等，也为零。

由几何约束引起的角速度耦合是依靠伺服回路产生的伺服角速度对消的。

2、然后是对摩擦力矩进行卸荷

由基座角速度和伺服角速度引起的俯仰轴沿z_f轴方向的角速度为

得

由于作业平台台体跟踪指令角速度旋转，所以引起平台台体方位轴与固连在俯仰环上的轴承之间发生相对转动，而产生摩擦力矩，

方位环稳定回路角速度为

产生的力矩可以将摩擦力矩对消掉。

这样俯仰运动产生的平台位姿变化就可以消除掉。

横滚运动与方位运动的平台调整方法与俯仰运动类似，下面简单叙述。

二、横滚运动位姿信息调整：

1、首先是角速度对消的方法

由前面可知俯仰角速度z轴分量为

俯仰角速度在横滚x_r轴上的分量为

根据几何约束关系，该角速度分量直接传递到平台台体上。

由俯仰轴力矩电机产生的俯仰轴伺服角速度为

俯仰轴力矩电机产生的伺服力矩为M_mf(s)

在此力矩作用下俯仰轴的伺服角速度为

横滚环上的伺服电机需要调整的角速度在横滚环的x_r轴上分量为

横滚x_r轴的旋转角速度为

经过推导得

2、然后是对摩擦力矩进行卸荷

由基座角速度和伺服角速度引起的横滚轴沿z_r轴方向的角速度为

由于作业平台台体跟踪指令角速度旋转，所以平台台体方位轴与轴承之间的相对转动而产生摩擦力矩，与卸荷力矩对消掉。

三、方位环上的伺服电机调整：

1、首先是角速度对消的方法

由前面可知横滚角速度x轴分量为

横滚角速度在方位z_a轴上的分量为

根据几何约束关系，该角速度分量直接传递到平台台体上。

由方位轴力矩电机产生的方位轴伺服角速度为

方位轴力矩电机产生的伺服力矩为M_ma(s)

在此力矩作用下方位轴的伺服角速度为

方位环上的伺服电机需要调整的角速度在方位环的z_a轴上分量为

方位z_a轴的旋转角速度为

经过推导得

由几何约束引起的角速度耦合是依靠伺服回路产生的伺服角速度对消的。

2、然后是对摩擦力矩进行卸荷

由基座角速度和伺服角速度引起的方位轴沿x_a轴方向的角速度为

由于作业平台台体跟踪指令角速度旋转，所以平台台体横滚轴与轴承之间的相对转动而产生摩擦力矩，与卸荷力矩对消掉。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。