一种面向实验教学的稳定平台测试装置及测试方法与流程

本发明涉及稳定平台教学实验的技术领域，具体涉及一种面向实验教学的稳定平台测试装置及测试方法。

背景技术：

在现有技术中，mems陀螺稳定平台是一种稳瞄稳像，防抖隔震的仪器，广泛应用于各个领域，其核心技术包括了角度、角速率等物理量的测量以及伺服稳定控制，稳定平台技术生动形象地结合了传感器测量技术与稳定控制技术。在教师实验授课的过程中，基于此实验过程，及实验原理的讲解，申请人设计了一款多功能、小体积、低成本、便携式的稳定平台教学用仪器，帮助测量和控制方向的学生进行教学原理演示和技能培训。

本申请中设计的一种稳定平台教学实验装置，具体涉及了多功能mems陀螺稳定平台是一款集成了稳定平台、三轴转台、离心机等功能的设备。稳定平台功能训练学生姿态解算和姿态控制技能；三轴转台和离心机功能主要训练学生标定测试传感器技能。

传统的稳定平台测试方法包括静态跟踪测试和动态摇摆测试，静态测试主要是将稳定平台放置于高精度转台上，通过高精度转台设定一个倾角位置，让稳定平台跟随到该已知位置，利用稳定平台自带的高精度码盘测量位置跟踪精度，动态测试是指将稳定平台放置于高精度摇摆台上，摇摆台按照一个正弦变化的角度信号做周期运动，通过调节摇摆台的摇摆周期测量稳定平台跟随的动态特性。

在教学实验的过程中，稳定平台功能中的非水平干扰信号获取是实现该功能演示的关键，常见的抖动干扰信号源产生方式采用六自由度摇摆平台，但应用该种方法需要重新设计一套六自由度摇摆平台系统，并将会大大增加系统的复杂度，增加仪器成本。而本申请提出的一种稳定平台教学实验装置，通过航向轴旋转实现非水平干扰信号，整个实验过程，在不增加其他设备的条件下完成测试。

技术实现要素：

为了有效解决上述问题，本发明提供一种面向实验教学的稳定平台测试装置及测试方法。

本发明的具体技术方案如下：一种面向实验教学的稳定平台测试方法，所述测量方法用于测试稳定平台的教学实验中，包括以下测量步骤：

s1：给稳定平台提供一非水平干扰信号源，计算获得稳定平台的俯仰角α1、横滚角β1；

s2：稳定平台调节自身姿态，保持平台处于稳定平衡状态，并通过电机码盘获得测量稳定平台的俯仰角α2、横滚角β2；

s3：计算比较α1与α2的误差，β1与β2的误差，获得稳定平台的整体误差水平，完成教学试验。

进一步地，所述步骤s1的非水平干扰信号源包括一倾斜基座、一航向轴电机、及一内框平台；

所述内框平台的水平姿态角α和β的通过下式，产生干扰信号：

其中，α为所述内框平台俯仰角，β为所述内框平台横滚角，θ为所述倾斜基座的倾斜角度，ω为所述航向轴电机转动角速率，ε为所述航向轴电机转动的初始相位角；

ω为一固定数值，或按有规律变化或无规律变化的数值。

一种面向实验教学的稳定平台测试装置，所述测试装置包括：

一提供所述稳定平台倾斜角度的倾斜基座，所述倾斜基座为一开合结构的基座；

一航向电机控制单元，所述航向电机控制单元固定设置在所述倾斜基座上，所述航向电机控制单元包括上位机软件、航向轴电机、干扰源主控制器，所述上位机软件连接所述干扰源主控制器，所述航向轴电机执行所述干扰源主控制器传输的相应动作指令；

一内框平台，所述内框平台用于完成教学实验的相应动作。

进一步地，倾斜基座包括一固定基板、及一闭合基板，所述固定基板与所述闭合基板开合方式包括但不限于通过机械装置、机电装置进行开合。

进一步地，所述航向轴电机动力输出的一端固定设置一转台离心盘。

进一步地，所述测试装置还包括一转台基座，所述转台基座为一中空圆柱状壳体，所述转台基座一侧面固定设置在所述闭合基板上，所述转台基座内设置所述航向轴电机、干扰源主控制器。

进一步地，所述测试装置还包括一平衡单元，所述平衡单元包括一惯组单元、一俯仰轴电机、一横滚轴电机、一外框、一中框、及一稳定平台主控制器；

所述俯仰轴电机设置在所述外框上，所述横滚轴电机设置在所述中框上，所述俯仰轴电机、及所述横滚轴电机分别与所述稳定平台主控制器连接；

所述中框与内框平台通过所述横滚轴电机连接。

进一步地，所述测试装置还包括一配合计算测量所述稳定平台水平姿态角的惯组单元；

所述惯组单元为一mems惯组，所述mems惯组设置在所述内框平台上，所述mems惯组与所述稳定平台主控制器连接，

进一步地，所述外框为一“u”形结构，所述外框的底部与所述转台离心盘固定连接，并所述外框的顶端设置一所述俯仰轴电机；

所述中框为一内部中空的框体结构，所述中框上设置一所述横滚轴电机，所述俯仰轴电机与所述横滚轴电机在空间上相互垂直设置。

进一步地，所述外框一顶端设置一所述俯仰轴电机，所述中框一侧面设置一所述横滚轴电机。

本发明的有益之处：在传统的稳定平台动态测试需要精密摇摆台，静态测试需要精密转台，传统的方法在教学中是无法实现的。而本申请所述稳定平台的干扰信号源替代传统的稳定平台动态测试方法和静态测试方法。且在未来非水平干扰信号源有提高精度的潜力，精度提高后可以应用于工业测量，因此，所述非水平干扰信号源技术原理简单，经济效益明显，易于教学推广，应用领域广泛。

附图说明

图1为本发明一实施例所述步骤s1的干扰信号源的系统构成图；

图2为本发明一实施例所述稳定平台整体结构示意图；

图3为本发明一实施例所述航向轴电机驱动原理示意框图；

图4为本发明一实施例所述平衡单元的工作原理图；

图5为本发明一实施例所述倾斜基座打开状态示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

如图1所示，为发明一实施例所述测试方法的系统构成图，该实施例提供一种面向实验教学的稳定平台测试装置及测试方法，所述测量方法用于测试稳定平台的教学实验中，包括以下测量步骤：s1：给稳定平台提供一非水平干扰信号源，计算获得稳定平台的俯仰角α1、横滚角β1；

s2：稳定平台调节自身姿态，保持平台处于稳定平衡状态，并通过电机码盘获得测量稳定平台的俯仰角α2、横滚角β2；

s3：计算比较α1与α2的误差，β1与β2的误差，获得稳定平台的整体误差水平，完成教学试验。

所述步骤s1的干扰信号源包括：一倾斜基座1，所述倾斜基座1为一开合结构的基座；一航向电机控制单元，所述航向电机控制单元固定设置在所述倾斜基座1上，所述航向电机控制单元包括上位机软件、航向轴电机、干扰源主控制器，所述上位机软件连接所述干扰源主控制器，所述航向轴电机执行所述干扰源主控制器传输的相应动作指令,一内框平台7，所述内框平台7用于完成教学实验的相应动作。

如图2所示，为本发明一实施例所述稳定平台整体结构示意图，所述步骤s1的干扰信号源还包括一平衡单元，所述平衡单元包括一惯组单元4、一俯仰轴电机8、一横滚轴电机9、一外框5、一中框6、及一稳定平台主控制器。具体为，航向轴电机对应的姿态角为航向角，可驱动稳定平台外框5；所述俯仰轴电机8对应的姿态角为俯仰角，可驱动稳定平台中框6；所述横滚轴电机9对应的姿态角为横滚角，可驱动稳定平台内框7；

所述惯组单元4为一mems惯组，所述mems惯组设置在所述内框平台7上，所述mems惯组与所述稳定平台主控制器连接，所述俯仰轴电机8设置在所述外框5上，所述横滚轴电机9设置在所述中框6上，所述俯仰轴电机8、及所述横滚轴电机9分别与所述稳定平台主控制器连接。

在实验过程中，所述倾斜基座1提供稳定平台倾斜角度，所述航向电机控制单元提供稳定平台绕航向轴旋转，通过上位机软件控制稳定平台的转台航向轴，具体为，如图3所示，所述干扰源主控制器为主控制芯片，所述航向轴电机为航向轴电机，所述上位机软件、主控制芯片、电机驱动器、航向轴电机依次连接，从而使转台航向轴框架在倾斜状态下做摇摆运动，在稳定平台的x/y轴产生干扰信号，为中框6和内框7提供非水平干扰信号。

所述上位机软件产生pwm波，并将所述pwm波传输给所述干扰源主控制器；所述上位机产生pwm波的方式包括但不限于经典pid控制算法。

如图4所示，为本发明一实施例所述平衡单元的工作原理图，步骤s2的非水平干扰信号源还包括一内框平台7，当航向轴以一定的转速ω旋转时，在内框平台7上会产生下式中的俯仰角和横滚角。所述内框平台7的水平姿态角α和β的通过下式，产生干扰信号：

其中，α为所述内框平台7俯仰角，β为所述内框平台7横滚角，θ为所述倾斜基座1的倾斜角度，ω为所述航向轴电机转动角速率，ε为所述航向轴电机转动的初始相位角；ω为一固定数值，或按有规律变化或无规律变化的数值。

由上式变化可知，抖动干扰信号源引起的俯仰角和横滚角跟航向轴转动角速率成正余弦变化。陀螺稳定平台控制所需姿态角由陀螺仪测量得到。由上式可知，当ω为常数时，俯仰角和横滚角按照正余弦变化，相位相差90°，当ω以一次函数变化时，俯仰角和横滚角按照频率随时间变化的正余弦变化，当ω以正弦函数变化时，俯仰角横滚角变化规律复杂，相位相差90°。当ω以白噪声信号变化时，俯仰角和横滚角开始无规律变化，将形成严重的干扰信号。经过计算获得，相应的实验数据1，并记录。

如图5所示，为本发明一实施例所述倾斜基座打开状态示意图，一种面向实验教学的稳定平台测试装置，所述测试装置包括上述一倾斜基座，所述倾斜基座1为一开合结构的基座；一航向电机控制单元，所述航向电机控制单元固定设置在所述倾斜基座1上，所述航向电机控制单元包括上位机软件、航向轴电机、干扰源主控制器，所述上位机软件连接所述干扰源主控制器，所述航向轴电机执行所述干扰源主控制器传输的相应动作指令,一内框平台7，所述内框平台7用于完成教学实验的相应动作。。

所述惯组单元4为一mems惯组，所述mems惯组设置在所述内框平台7上，所述mems惯组与所述稳定平台主控制器连接，所述俯仰轴电机8设置在所述外框5上，所述横滚轴电机9设置在所述中框6上，所述俯仰轴电机8、及所述横滚轴电机9分别与所述稳定平台主控制器连接。

所述倾斜基座1包括一固定基板、及一闭合基板，所述固定基板与所述闭合基板开合方式包括但不限于通过机械装置、机电装置进行开合。具体为，所述倾斜基座1可以使用支架物理打开也可以使用电动推杆，自动打开。倾斜的角度可以任意设定。所述干扰源主控制器与所述航向轴电机通过一电机驱动器连接。所述航向轴电机动力输出的一端固定设置一转台离心盘3。所述转台离心盘3用于产生离心加速度，标定加速度计。所述测试装置还包括一转台基座2，所述转台基座2为一中空圆柱状壳体，所述转台基座2一侧面固定设置在所述倾斜基座1上，所述转台基座2内设置所述航向轴电机、干扰源主控制器。

所述测试装置还包括一平衡单元，所述平衡单元包括一惯组单元4、一俯仰轴电机8、一横滚轴电机9、一外框5、一中框6、及一稳定平台主控制器；所述外框5为一“u”形结构，所述外框5的底部与所述转台离心盘3固定连接，并所述外框5的顶端两端分别设置一所述俯仰轴电机8；所述中框6为一内部中空的框体结构，所述中框6相对应的两侧分别设置一所述横滚轴电机9，两个所述俯仰轴电机8的连线与两个所述横滚轴电机9的连线相互垂直。所述中框6通过所述横滚轴电机9连接所述内框平台7。

调节所述稳定平台动作姿态，保持所述稳定平台处于稳定平衡状态，并通过俯仰轴电机8、横滚轴电机9的码盘测量稳定平台平稳性，获得对应实验数据1的实验数据2。

比较实验数据1与实验数据2的误差，计算理论值与实验值的差异水平，获得稳定平台的整体误差水平、及所述稳定平台的精准性，完成教学试验。

在另一实施例中，所述外框5一顶端设置一所述俯仰轴电机8，所述中框6一侧设置一所述横滚轴电机9，所述俯仰轴电机8、横滚轴电机9用于实现所述内框平台7的自水平功能，在其他实施例中，可替换为任意可实现所述内框平台7实现自水平功能的结构，在此不做具体限定。

所述一种面向实验教学的稳定平台测试装置用于的稳定平台的静态测试方法：

1、将所述外框5移动到固定位置，理论计算所述内框平台7的俯仰框和横滚框会产生固定姿态角α1和β1，干扰信号α1和β1将影响稳定平台水平；

2、稳定平台通过所述惯组单元4自水平功能调整俯仰轴电机8和横滚轴电机9动作，保持所述稳定平台的平衡状态，由俯仰轴电机8和横滚轴电机9码盘的输出位置，获得实验上所述内框平台7的俯仰框和横滚框会产固定姿态角α2和β2；

3、对比理论数据α1和β1与实验数据α2和β2的误差，统计是是稳定平台的稳定性能，实现对稳定平台的静态测试。

所述一种面向实验教学的稳定平台测试装置用于的稳定平台的动态测试方法：

1、将所述外框5按照ω的固定角速率进行旋转，则所述内框平台7的俯仰轴和横滚轴会产生正余弦变化的干扰姿态角,通过计算所述倾斜基座的倾斜角度θ，所述航向轴电机转动角速率ω，所述航向轴电机转动的初始相位角ε，获得理论上所述内框平台7的俯仰框和横滚框会产固定姿态角α1和β1；

2、稳定平台通过所述惯组单元4自水平功能调整俯仰轴电机8和横滚轴电机9动作，保持所述稳定平台的平衡状态，由俯仰轴电机8和横滚轴电机9码盘的输出位置，获得实验上所述内框平台7的俯仰框和横滚框会产固定姿态角α2和β2；

3、对比理论数据α1和β1与实验数据α2和β2的误差，统计是是稳定平台的稳定性能，实现对稳定平台的动态测试。

在传统的稳定平台动态测试需要精密摇摆台，静态测试需要精密转台，传统的方法在教学中是无法实现的。而所述测量方法的干扰信号源替代传统的稳定平台动态测试方法和静态测试方法。且在未来所述测量方法的干扰信号源有提高精度的潜力，精度提高后可以应用于工业测量，因此，所述测量方法的干扰信号源技术原理简单，经济效益明显，易于教学推广，应用领域广泛。

对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。