本发明涉及惯性测量技术领域，特别涉及一种五轴惯性稳定平台系统外框架锁零方法，主要用于航空、航天领域的全姿态高精度导航。
背景技术：
由于三轴惯性平台系统存在“框架锁定”现象，难以满足载体大机动运动的要求，引起“框架锁定”的主要原因是内框架角工作于非零状态，特别是内框架角为90°时引起三个电机的力矩处于一个平面，从而导致平台台体中垂直于该平面的矢量方向缺少克服载体运动的能力，会引起平台台体相对惯性空间不能稳定。因此，产生了四轴惯性稳定平台系统。
四轴惯性平台系统相对三轴惯性平台系统，在台体、内框架和外框架的基础上增加了随动框架，随动框架处于平台外框架和基座之间。随动回路信号来自于内框架角，采用正割分解器进行增益补偿，其核心是使内框架角工作于0°。但有一个特殊情况，不能保证内框架角βyk＝0。当βxk＝90°时，如图3所示，随动回路将不具备使内框架角βyk＝0的功能，此时，如果基座带动随动框架和外框架一起绕内框架轴转动时，则内框架角将不为0。进一步，如果内框架上面有限位档钉，则会带动台体转动，从而引起台体相对惯性空间转动。
因此，考虑在四轴惯性平台的基础上再增加一个框架，使得外框架角也始终工作于0，构成五轴惯性平台。定义新增加的框架为外随动框架，而四轴平台的随动框架在五轴平台中被定义为内随动框架。下面举例介绍五轴惯性稳定平台随动回路工作的原理。
首先，五轴惯性稳定平台系统的六个本体坐标系定义如图1所示，从中可以看出各本体坐标系之间关系。在图1中，设βzk为内框架相对台体的相对角度，βyk为外框架相对内框架的相对角度，βxk为内随动框架相对外框架的相对角度，βyk′为外随动框架相对内随动框架的相对角度，βxk′为基座(箭体)相对外随动框架的相对角度。
在βzk＝0、βyk＝0、βxk＝0、βyk′＝0、βxk′＝0时，包含台体、内框架、外框架、内随动框架、外随动框架和基座的平台结构如图2所示。此时，平台框架可以隔离基座的角运动，台体相对惯性空间稳定，且可保证内框架角βyk＝0、βxk＝0。在内随动回路不工作时，如果基座ox1轴上存在角速度ωx1，基座会带动随动框架、外框架绕内框架轴转动，使得转动角度βyk不为0。而在内随动回路工作时，以βyk作为控制器的输入量，作用到随动轴电机以克服角速度ωx1，实现了内框架角βyk＝0。同理，外随动回路的作用是保证外框架角βxk＝0。
但有一个特殊情况，不能保证外框架角βxk＝0。当βyk′＝90°时，如图3所示，外随动回路将不具备使外框架角βxk＝0的功能，此时，如果基座带动外随动框架和内随动框架一起绕外框架轴转动时，则外框架角将不为0。
为此，需要研究一种使五轴惯性稳定平台系统外框架角度βxk始终为0的解耦方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种五轴惯性稳定平台系统外框架角锁零方法，该方法实现了内随动框架角为90°时外框架角始终保持于零位的要求，可有效隔离载体的角运动，提高了平台台体相对惯性空间稳定的全姿态适应能力。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种五轴惯性稳定平台系统外框架锁零方法，基于五轴惯性稳定平台系统实现，所述稳定平台系统包括基座、外随动框架、内随动框架、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、外随动框架坐标系xp4yp4zp4、内随动框架坐标系xp3yp3zp3、外框架本体坐标系xp2yp2zp2、内框架本体坐标系xp1yp1zp1和台体本体坐标系xpypzp；所述六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zp1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yp1轴重合，内随动框架本体坐标系的xp3轴与外框架本体坐标系的xp2轴重合，外随动框架本体坐标系的yp4轴与内随动框架本体坐标系的yp4轴重合，基座本体坐标系的x1轴与外随动框架本体坐标系的xp4轴重合；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，基座绕外随动框架本体坐标系的xp4轴转动，外随动框架绕内随动框架本体坐标系的yp3轴转动，内随动框架绕外框架本体坐标系的xp2轴转动，外框架绕内框架本体坐标系的yp1轴转动，内框架绕台体本体坐标系的zp轴转动；
所述五轴惯性稳定平台系统内框架锁零方法实现步骤如下：
(1)、根据台体上安装的陀螺仪输出的角速度，得到台体在xp轴、yp轴和zp轴上的角速度分量
(2)、测量得到五轴惯性稳定平台系统内部相对转动的角度和角速度，包括：基座绕外随动框架本体坐标系的xp4轴转动的角度βxk′和角速度
(3)采用解耦计算公式计算台体、内框架、外框架、内随动框架和外随动框架的转动角速度；
(4)采用步骤(3)的解耦计算公式，得到平台五个框架角的角速度确定方程，如下：
其中，
式中，基座本体坐标系下平台基座的角速度为
(5)根据步骤(4)平台五个框架角的角速度确定方程、步骤(2)的五个框架转动的角度(具体是：基座绕外随动框架本体坐标系的xp4轴转动的角度βxk′，外随动框架绕内随动框架本体坐标系的yp3轴转动的角度βyk′，内随动框架绕外框架本体坐标系的xp2轴转动的角度βxk，外框架绕内框架本体坐标系的yp1轴转动的角度βyk，内框架绕台体本体坐标系的zp轴转动的角度βzk)和台体上安装的陀螺仪测量的角速度，对外框架锁零条件进行判断，如下：
1)、在βyk′≠90°且βyk′≠-90°时，平台外框架角速度为0，不需要对外框架锁零使平台台体相对惯性空间稳定；
2)、在βyk′＝90°或βyk′＝-90°，以及基座角速度ωy1＝ωz1＝0时，不需要对外框架锁零使平台台体相对惯性空间稳定；
3)、在βyk′＝90°或βyk′＝-90°，当ωy1、ωz1中有一个为非零时，需要对外框架锁零才能使平台台体相对惯性空间稳定；
(6)在需要对外框架锁零才能使平台台体相对惯性空间稳定时，外随动框架带动内随动框架、外框架和内框架一起相对台体快速发生转动，转动前后外框架角βxk恒为零，保证平台台体相对惯性空间仍然稳定。
步骤(3)采用解耦计算公式计算台体、内框架、外框架、内随动框架和外随动框架的转动角速度，具体解耦计算公式如下：
ωz＝ωzp；
ωy＝ωypcosβzk-ωxpsinβzk；
其中，ωz为台体zp轴的合成转动角速度；ωy为内框架yp1轴的合成转动角速度；ωx为外框架xp2轴的合成转动角速度；ωyk′为内随动框架yp3轴的合成转动角速度；ωxk′为外随动框架xp4轴的合成转动角速度。
在步骤(6)中，外随动框架带动内随动框架、外框架和内框架相对台体快速转动后的稳定位置的框架角度值，计算过程为：
(1)、测量得到βxk、βyk和βzk的初始值分别为βxk0、βyk0和βzk0；
(2)、设基座本体坐标系下平台基座的角速度为
其中，
(3)、基座绕外随动框架本体坐标系的xp4轴转动的角度βxk′、外随动框架绕内随动框架本体坐标系的yp3轴转动的角度βyk′、内随动框架绕外框架本体坐标系的xp2轴转动的角度βxk、外框架绕内框架本体坐标系的yp1轴转动的角度βyk、内框架绕台体本体坐标系的zp轴转动的角度βzk的稳态值分为以下四种情况，其中“→”是指趋于；
(a)βyk′<90°且βyk′→90°时，sinβyk′＝1，tanβyk′>0；βxk′的初始值为βxk′0，为保证系统稳定，则有cos(βxk′+α)＝-1，即βxk′＝180°-α，其中，βxk′的变化量为δβxk′＝180°-α-βxk′0；此时，由于
(b)βyk′>90°且βyk′→90°时，sinβyk′＝1，tanβyk′<0；βxk′的初始值为βxk′0，为保证系统稳定，则有cos(βxk′+α)＝+1，即βxk′＝-α，其中，βxk′的变化量为δβxk′＝-α-βxk′0；此时，由于
(c)βyk′<-90°且βyk′→-90°时，sinβyk′＝-1，tanβyk′>0；βxk′的初始值为βxk′0，为保证系统稳定，则有cos(βxk′+α)＝-1，即βxk′＝180°-α，其中，βxk′的变化量为δβxk′＝180°-α-βxk′0；此时，由于
(d)βyk′>-90°且βyk′→-90°时，sinβyk′＝-1，tanβyk′<0；βxk′的初始值为βxk′0，为保证系统稳定，则有cos(βxk′+α)＝+1，即βxk′＝-α，其中，βxk′的变化量为δβxk′＝-α-βxk′0；此时，由于
在步骤(2)中，通过如下方法测量得到五轴惯性稳定平台系统内部相对转动角度和角速度：
在外随动框架的xp4轴上安装角度传感器，测量得到基座绕外随动框架本体坐标系的xp4轴转动的角度βxk′；在内随动框架的yp3轴上安装角度传感器，测量得到外随动框架绕内随动框架本体坐标系的yp3轴转动的角度βyk′；在外框架的xp2轴上安装角度传感器，测量得到内随动框架绕外框架本体坐标系的xp2轴转动的角度βxk；在内框架的yp1轴上安装角度传感器，测量得到外框架绕内框架本体坐标系的yp1轴转动的角度βyk和角速度
在步骤(2)中，转动角度βxk′、βyk′、βxk、βyk、βzk的取值范围为-180°～+180°。
角度传感器采用光电编码器或正余弦旋转编码器。
步骤(3)中计算台体、内框架、外框架、内随动框架和外随动框架的合成转动角速度采用数字计算机实现。
五轴惯性稳定平台系统的基座与载体固连。
外随动框架和内随动框架上安装有力矩电机，力矩电机输出力矩大于1n·m。
台体上安装的陀螺仪为双自由度陀螺时，数量需要至少两个，两个正交安装；台体上安装的陀螺仪为单自由度陀螺时，数量需要至少三个，两两正交安装。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)、本发明给出的一种五轴惯性稳定平台系统外框架锁零方法，完全覆盖了5个姿态角在任意象限的情况，克服了原有技术在内随动框架角βyk′＝±90°时的外框架非零的问题；
(2)、本发明给出了一种五轴惯性稳定平台系统外框架锁零方法，虽然在计算环节中存在secβyk′，但给出了在该奇异点处的框架角稳态值，确保了系统仍然稳定而不发散。
(3)、本发明实现了内随动框架角为90°时外框架角始终保持于零位的要求，可有效隔离载体的角运动，提高了平台台体相对惯性空间稳定的全姿态适应能力。
附图说明
图1为五轴惯性稳定平台系统中六个本体坐标系之间的关系示意图；
图2为五个框架角度为零时的五轴平台结构示意图；
图3为本发明实现外框架锁零的五个框架角仿真结果；
图4为本发明实现外框架锁零的台体oyp和oxp轴的角速度仿真结果；
图5为本发明的流程图。
具体实施方式
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：
本发明提供的一种五轴惯性稳定平台系统外框架锁零方法，基于五轴惯性稳定平台系统实现，所述稳定平台系统包括基座、外随动框架、内随动框架、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、外随动框架坐标系xp4yp4zp4、内随动框架坐标系xp3yp3zp3、外框架本体坐标系xp2yp2zp2、内框架本体坐标系xp1yp1zp1和台体本体坐标系xpypzp；所述六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zp1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yp1轴重合，内随动框架本体坐标系的xp3轴与外框架本体坐标系的xp2轴重合，外随动框架本体坐标系的yp4轴与内随动框架本体坐标系的yp4轴重合，基座本体坐标系的x1轴与外随动框架本体坐标系的xp4轴重合；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，基座绕外随动框架本体坐标系的xp4轴转动，外随动框架绕内随动框架本体坐标系的yp3轴转动，内随动框架绕外框架本体坐标系的xp2轴转动，外框架绕内框架本体坐标系的yp1轴转动，内框架绕台体本体坐标系的zp轴转动；
如图1所示的六个坐标系的关系示意图，以上所述的六个坐标系的原点重合，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zp1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yp1轴重合，内随动框架本体坐标系的xp3轴与外框架本体坐标系的xp2轴重合，外随动框架本体坐标系的yp4轴与内随动框架本体坐标系的yp3轴重合，基座本体坐标系的x1轴与外随动框架本体坐标系的xp4轴重合。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：基座绕外随动框架本体坐标系的xp4轴转动且转动角度为βxk′；外随动框架绕内随动框架本体坐标系的yp3轴转动且转动角度为βyk′；内随动框架绕外框架本体坐标系的xp2轴转动且转动角度为βxk；外框架绕内框架本体坐标系的yp1轴转动且转动角度为βyk，内框架绕台体本体坐标系的zp轴转动且转动角度为βzk。
所述五轴惯性稳定平台系统内框架锁零方法实现步骤如下：
(1)、根据台体上安装的陀螺仪输出的角速度，得到台体在xp轴、yp轴和zp轴上的角速度分量
(2)、测量得到五轴惯性稳定平台系统内部相对转动的角度和角速度，包括：外随动框架绕内随动框架本体坐标系的yp3轴转动的角度βyk′，内随动框架绕外框架本体坐标系的xp2轴转动的角度βxk和角速度
(3)、计算台体、内框架、外框架和随动框架的转动角速度，具体计算公式如下：
其中，ωz为台体zp轴的合成转动角速度；ωy为内框架yp1轴的合成转动角速度；ωx为外框架xp2轴的合成转动角速度；ωyk′为内随动框架yp3轴的合成转动角速度；ωxk′为外随动框架xp4轴的合成转动角速度。
(4)、在βyk′≠90°且βyk′≠-90°时，平台内框架角速度为0，使平台台体相对惯性空间稳定；
(5)、在βyk′＝90°或βyk′＝-90°，以及基座角速度
(6)、在βyk′＝90°或βyk′＝-90°，当
所述的一种五轴惯性稳定平台系统外框架锁零方法，其特征在于：在步骤(6)中，外随动框架带动内随动框架、外框架和内框架相对台体快速转动后的稳定位置的框架角度值计算过程为：
(1)、测量得到βxk、βyk和βzk的初始值分别为βxk0、βyk0和βzk0；
(2)、设平台基座的角速度为
其中，
(3)、基座绕外随动框架本体坐标系的xp4轴转动的角度βxk′、外随动框架绕内随动框架本体坐标系的yp3轴转动的角度βyk′、内随动框架绕外框架本体坐标系的xp2轴转动的角度βxk、外框架绕内框架本体坐标系的yp1轴转动的角度βyk、内框架绕台体本体坐标系的zp轴转动的角度βzk的稳态值分为以下四种情况，其中“→”是指趋于；
(a)βyk′<90°且βyk′→90°时，sinβyk′＝1，tanβyk′>0；βxk′的初始值为βxk′0，为保证系统稳定，则有cos(βxk′+α)＝-1，即βxk′＝180°-α，其中，βxk′的变化量为δβxk′＝180°-α-βxk′0；此时，由于
(b)βyk′>90°且βyk′→90°时，sinβyk′＝1，tanβyk′<0；βxk′的初始值为βxk′0，为保证系统稳定，则有cos(βxk′+α)＝+1，即βxk′＝-α，其中，βxk′的变化量为δβxk′＝-α-βxk′0；此时，由于
(c)βyk′<-90°且βyk′→-90°时，sinβyk′＝-1，tanβyk′>0；βxk′的初始值为βxk′0，为保证系统稳定，则有cos(βxk′+α)＝-1，即βxk′＝180°-α，其中，βxk′的变化量为δβxk′＝180°-α-βxk′0；此时，由于
(d)βyk′>-90°且βyk′→-90°时，sinβyk′＝-1，tanβyk′<0；βxk′的初始值为βxk′0，为保证系统稳定，则有cos(βxk′+α)＝+1，即βxk′＝-α，其中，βxk′的变化量为δβxk′＝-α-βxk′0；此时，由于
为形象说明本发明提供的五轴惯性平台系统外框架锁零方法，举例说明，当βyk′趋于90°、且ωx1≠0的瞬时，外随动框架带动内随动框架、外框架、内框架一起绕基座oz1和台体ozp快速转动，到达内随动框架轴yp4轴与基座ox1轴平行的位置。此时，基座带动外随动框架一起绕yp4轴转动，在转动过程中平台台体相对惯性空间保持稳定。
优选实施例如下：
在本实施例中，利用本发明的计算公式进行仿真计算，其中设定条件如下：基座绕外随动框架坐标系xp4轴转动的角度βxk′＝0；外随动框架绕内随动框架坐标系yp3轴转动的角度βyk′以1°/s的速度趋近90°；内随动框架绕外框架坐标系xp2轴转动的角度βxk＝0；外框架绕内框架坐标系yp1轴转动的角度βyk＝0；内框架绕台体坐标系zp轴转动的角度βzk＝0。
当基座角速度
图3左上图纵坐标为bzk表示βzk，右上图纵坐标为byk表示βyk，左中图纵坐标为bxk表示βxk，左下图纵坐标为bxkp表示βxk′；右中图中bykp表示βyk′，.time表示时间。图4中，wxp表示
上述实施例可以验证本发明的五轴惯性平台系统外框架锁零方法正确，图5为实现本发明的方法流程图。
以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。