专利名称：一种基于可控摆系统的双轴水平稳定平台及其控制方法
技术领域：
本发明属于控制领域和惯性导航领域，具体涉及一种基于可控摆系统的双轴水 平稳定平台(无陀螺稳定平台)及其控制方法。
背景技术：
目前应用最为广泛的稳定平台系统是陀螺稳定平台，通过陀螺仪敏感台体相对 惯性空间的运动角度，由闭环控制力矩电机对该角度进行补偿，从而克服载体运动的影 响，保证台体当地水平，但高精度陀螺仪工艺复杂，成本高，体积和重量大，并且存在 无规律随机常值漂移，误差随时间积累这一原理误差。现有的无陀螺平台，至少采用 12个加速度计，并且角运动信息合成算法不成熟，控制实现复杂，如参考文献1:李少 伟，施朝健，黄震民.船载稳定水平平台系统[J].电子测量技术，2007，30(6) 192-194. 中作者采用单片机和微机电惯性传感器实现船载稳定水平平台系统，并提出相关的设计 方案。采用微机电陀螺作为角度敏感器件，并对其输出信号进行滤波。采用倾角仪对 平台的误差进行修正。虽然该方案的平台系统成本较低，但由于使用了陀螺，难以避免 其误差随时间积累的这一原理误差，虽然采用倾角仪修正，但误差还是会有影响。参考 文献2:沈颖凡，赵嫔规，陈祖金.航空吊舱稳定平台结构设计[J].航空兵器，2010，3 61-64.中记载了飞机内放置光电敏感器的吊舱的稳定平台，采用陀螺控制其水平稳定， 成本高，难以避免其误差随时间积累的这一原理误差。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，提出一种基于可控摆系统的 双轴水平稳定平台及其控制方法，解决了传统的双轴水平稳定平台使用陀螺成本高和陀 螺漂移带来的原理误差等缺点。本发明提出一种基于可控摆系统的双轴水平稳定平台及 其控制方法，通过采用对当地地垂线有敏感性的可控摆系统，不使用陀螺，就可实现平 台当地水平，具有结构简单、成本低和反应灵敏等优点。本发明提出的一种基于可控摆的双轴水平稳定平台，所述的双轴水平稳定平台 包括机械装置和控制器。所述的机械装置包括可控摆系统A、可控摆系统B、台体、外 框架、控制电机A、控制电机B和基座。所述的台体和外框架的中心均为空间任意直角坐标系的坐标原点O，且台体和 外框架的平面与ζ轴方向垂直。所述的外框架为矩形框，台体处于外框架的中心位置。所述的台体的边缘在沿χ轴的正负轴方向上分别具有端点A1和端点B1,在沿y 轴的正负轴方向上分别具有端点C1和端点D115通过连接装置将可控摆系统A连接在端 点A1和端点B1之间，使可控摆系统A的物理摆在台体的转动带动下绕y轴单自由度转 动；通过连接装置将可控摆系统B连接在端点C1和端点D1之间，使可控摆系统B的物 理摆在台体的转动带动下可以绕χ轴单自由度转动，所述的单自由度转动是指转动轨迹 在同一平面内，且转动所围绕的转轴垂直于该平面。
所述的外框架与χ轴的正负轴方向的交点分别为端点A2和端点B2,外框架与y 轴的正负轴方向的交点分别为端点C2和端点D2。通过连接装置将端点D1和端点D2连 接，通过连接装置将端点C1和端点C2连接，并在端AC2处设置有控制电机A，可驱动 台体相对外框架围绕y轴转动。所述的基座为矩形框，基座的中心位于该坐标系的原点O处，基座的平面与y轴 方向垂直，外框架位于基座内。所述的基座与χ轴的正负轴方向的交点分别为端点鳥和 端点B3,与ζ轴的正负轴方向的交点分别为端点C3和端点D3。通过连接装置将端点C3 和外接的载体的顶端固定连接，通过连接装置将端点D3和载体的底端固定连接。通过连 接装置将端点B2和端点B3连接，通过连接装置将端点A2和端点A3连接，在端点处A3 设置有控制电机B，可驱动外框架相对基座围绕χ轴转动，从而带动台体相对基座围绕χ 轴转动。所述的可控摆系统A和可控摆系统B均由物理摆、滑块、导轨、直流力矩电 机、角位移传感器A、角位移传感器B、传动带、转动盘A和转动盘B组成。所述的角位移传感器A、角位移传感器B和直流力矩电机均与控制器相连。所 述的导轨安装在直流力矩电机和角位移传感器B之间。所述的角位移传感器B和直流力 矩电机分别设置在转动盘A和转动盘B的中心位置处，并且角位移传感器B和直流力矩 电机的转轴分别与转动盘A和转动盘B的转轴相连。所述的传动带套在转动盘A和转动 盘B上。所述的滑块的两侧连接传动带，且滑块的底部位于导轨上。直流力矩电机转轴 转动使转动盘B转动，从而带动传送带，从而使滑块在传动带的带动下在导轨上运动， 从而使转动盘A转动，进而使角位移传感器B的转轴转动。滑块上固定有角位移传感器 A，物理摆悬挂于角位移传感器A的转轴上，随着物理摆的转动带动其转轴转动。所述的控制器通过导线分别与可控摆系统A、可控摆系统B连接，控制器接收 可控摆系统A的两个角位移传感器和可控摆系统B的两个角位移传感器输出的电压信 号。所述的控制器通过导线分别与控制电机A和控制电机B连接，控制器通过导线与可 控摆系统A和可控摆系统B上的直流力矩电机相连接。所述的控制器内部依靠由控制方 法生成的程序对输入电压信号进行处理，生成控制信号，使可控摆系统A的物理摆和可 控摆系统B的物理摆迅速稳定的指向当地地垂线方向；通过控制电机A和控制电机B使 台体保持当地水平。本发明提出一种基于可控摆系统的双轴水平稳定平台的控制方法，具体包括以 下几个步骤步骤一、双轴水平稳定平台的校准(1)将双轴水平稳定平台通电预热后，控制器根据可控摆系统A、可控摆系统B 输出的电压信号，控制台体回到当地水平平面，完成台体的自校准。(2)借助外在单独设置的水平仪对台体进行水平测量，对存在的水平误差通过控 制器进行修正，完成台体的外部校准。这时可控摆系统A和可控摆系统B的物理摆指向 当地地垂线方向，滑块位于导轨中点，角位移传感器A和角位移传感器B输出的电压信 号为零。步骤二、可控摆系统的稳定性控制(1)当载体运动时，因冲击、摩擦及负载变化等因素使台体偏离当地水平，造成可控摆系统A和可控摆系统B的物理摆出现偏角，从而使角位移传感器A向控制器发出 相应的电压信号；(2)控制器根据角位移传感器A的电压信号控制直流力矩电机转轴转动，带动传 动带，从而带动滑块在导轨上运动，并使角位移传感器B的转轴转动，角位移传感器B 向控制器发出相应的电压信号；(3)控制器根据角位移传感器A和角位移传感器B的电压信号，控制可控摆系统 A和可控摆系统B的物理摆迅速稳定地指向当地地垂线方向。步骤三、台体的水平控制(1)控制器使可控摆系统A和可控摆系统B稳定后，控制器根据可控摆系统A和 可控摆系统B上的角位移传感器A和角位移传感器B输出的电压信号解算得到台体相对 当地水平面的姿态信息，并进一步解算出台体回到水平所需的转动角度，从而向控制电 机A和控制电机B发出相应的转动角度的控制信号，所述的转动角度包括外框架带动台 体绕χ轴需要转动的角度和台体绕y轴需要转动的角度；(2)控制电机A带动台体绕y轴转动；控制电机B带动外框架绕χ轴转动，台体 通过与外框架之间的连接装置随外框架同时绕χ轴转动。转动结束后，台体回到当地水 平，可控摆系统A和可控摆系统B的物理摆指向当地地垂线方向，滑块位于导轨中点， 角位移传感器A和角位移传感器B输出的电压信号为零。本发明具有的优点在于1、本发明提出一种基于可控摆系统的双轴水平稳定平台及其控制方法，通过采 用可控摆取代传统的陀螺仪实现台体水平，造价低，实现简单，无原理误差，精度高。2、本发明提出一种基于可控摆系统的双轴水平稳定平台及其控制方法，通过控 制器对可控摆系统Α、可控摆系统B和台体施加的控制迅速稳定，可控摆系统A的物理 摆、可控摆系统B的物理摆和台体的回稳速度远远快于载体运动的速度，在持续转动的 载体中，台体能迅速、精确、稳定的回到当地水平位置。
图1 本发明提出一种基于可控摆系统的双轴水平稳定平台的机械装置的结构 示意图；图2 本发明提出一种基于可控摆系统的双轴水平稳定平台的可控摆系统结构 示意图；图3 本发明提出一种基于可控摆系统的双轴水平稳定平台的可控摆系统的滑 块局部示意图；图4 本发明提出一种基于可控摆系统的双轴水平稳定平台控制方法的流程 图。图中1-可控摆系统A ； 2-可控摆系统B; 3-台体； 4_外框架；5-控制电机A ； 6-控制电机B ； 7_基座； 8_载体；9-物理摆；10-滑块；11-导轨；12-直流力矩电机；13-角位移传感器A ； 14-角位移传感器B; 15-传动带；16-转动盘A ；
17-转动盘 B;
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行详细说明。本发明提出的一种基于可控摆系统的双 轴水平稳定平台，如图1所示，所述的双轴水平稳定平台包括机械装置和控制器。所述 的机械装置包括可控摆系统Al、可控摆系统B2、台体3、外框架4、控制电机A5、控制 电机B6和基座7。所述的台体3和外框架4的中心均为空间任意直角坐标系的坐标原点O，且台体 3和外框架4的平面与ζ轴方向垂直。所述的外框架4为矩形框，台体3处于外框架4的 中心位置。所述的台体3边缘与χ轴的正负轴方向的交点分别为端点A1和端点B1,与y轴 的正负轴方向的交点分别为端点C1和端点D115通过连接装置将可控摆系统Al连接在端 点A1和端点B1之间，使可控摆系统Al的物理摆9在台体3的转动带动下可以绕y轴单 自由度转动；通过连接装置将可控摆系统B2连接在端点C1和端点D1之间，使可控摆系 统B2的物理摆9在台体3的转动带动下可以绕χ轴单自由度转动，所述的单自由度转动 是指转动轨迹在同一平面内，且转动所围绕的转轴垂直于该平面。所述的外框架4与χ轴的正负轴方向的交点分别为端点A2和端点B2,与y轴的 正负轴方向的交点分别为端Ac2和端点d2。通过连接装置将端点D1和端点D2连接，通 过连接装置将端点C1和端点C2连接，并在端点C2处设置有控制电机A5，可驱动台体3 相对外框架4围绕y轴转动。所述的基座7为矩形框，其中心位于该坐标系的原点O处；基座7的平面与y轴 方向垂直，外框架4位于基座7内；基座7与χ轴的正负轴方向的交点分别为端点入和 端点B3,与ζ轴的正负轴方向的交点分别为端点C3和端点D3。通过连接装置将端点C3 和外接的载体8的顶端固定连接，通过连接装置将端点D3和载体8的底端固定连接。通 过连接装置将端点B2和端点B3连接，通过连接装置将端点A2和端点A3连接，在端点处 A3设置有控制电机B6，可驱动外框架4相对基座7围绕χ轴转动，从而带动台体3相对 基座7围绕χ轴转动。所述的连接装置实现将物体连接的功能，根据需要可固定连接或活动连接，从 而实现物体间的相互转动或固定连接，具体可以为连杆等。如图2、图3所示，所述的可控摆系统Al和可控摆系统B2均由物理摆9、滑块 10、导轨11、直流力矩电机12、角位移传感器A13、角位移传感器B14、传动带15、转 动盘A16和转动盘B17组成。所述的角位移传感器A13和角位移传感器B14和直流力矩电机12均与控制器相 连。所述的导轨11安装在直流力矩电机12和角位移传感器B14之间。所述的角位移传 感器B14和直流力矩电机12分别设置在转动盘A16和转动盘B17的中心位置处，并且角 位移传感器B14和直流力矩电机12的转轴分别与转动盘A16和转动盘B17的转轴相连。 所述的传动带15套在转动盘A和转动盘B上。所述的滑块10的两侧连接传动带15，且 滑块10的底部位于导轨11上。直流力矩电机12转轴转动使转动盘B17转动，从而带动 传送带15，从而使滑块10在传动带15的带动下在导轨11上运动，从而使转动盘A16转动，进而使角位移传感器B14的转轴转动。滑块10上固定有角位移传感器A13，物理摆 9悬挂于角位移传感器A13的转轴上，随着物理摆9的转动带动转轴转动。所述的控制器通过导线分别与可控摆系统Al、可控摆系统B2连接。控制器接 收可控摆系统Al的两个角位移传感器和可控摆系统B2的两个角位移传感器输出的电压 信号。所述的控制器还通过导线分别与控制电机A5和控制电机B6连接，控制器还通过 导线与可控摆系统Al和可控摆系统B2上的直流力矩电机12相连接。所述的控制器内部 依靠由控制方法生成的程序对输入电压信号进行处理，生成控制信号，使可控摆系统Al 和可控摆系统B2迅速稳定的指向当地地垂线方向；通过控制电机A5和控制电机B6使台 体3保持当地水平。所述的角位移传感器A13的转轴和角位移传感器B14的转轴产生转动时，可根 据转动的角度大小，向控制器发出相应的电压信号。当载体8的运动时，因冲击、摩擦及负载变化等因素使台体3偏离当地水平，造 成可控摆系统Al和可控摆系统B2的物理摆9出现偏角，进而带动角位移传感器A13的 转轴转动，从而使角位移传感器A13向控制器发出相应的电压信号，进而控制器控制直 流力矩电机12的转轴转动，带动传动带15，带动滑块10在导轨11上运动，并使角位移 传感器B14的转轴转动，角位移传感器B14向控制器发出电压信号，控制器根据角位移 传感器A13、角位移传感器B14的电压信号控制可控摆系统Al和可控摆系统B2的物理 摆9迅速稳定的指向当地地垂线方向。本发明提出一种基于可控摆系统的双轴水平稳定平台的控制方法，如4所示， 具体包括以下几个步骤步骤一、双轴水平稳定平台的校准(1)将双轴水平稳定平台通电预热后，控制器根据可控摆系统Al、可控摆系统 B2输出的电压信号，控制台体3回到当地水平，完成台体3的自校准。(2)借助外在单独设置的水平仪对台体3进行水平测量，对存在的水平误差通过 控制器进行修正，完成台体3的外部校准。这时可控摆系统Al和可控摆系统B2的物理 摆9指向当地地垂线方向，滑块10位于导轨11中点，角位移传感器A13和角位移传感器 B14输出的电压信号为零。步骤二、可控摆系统的稳定性控制(1)载体8运动时，因冲击、摩擦及负载变化等因素使台体3偏离当地水平，造 成可控摆系统Al和可控摆系统B2的物理摆9出现偏角，进而带动可控摆系统Al和可控 摆系统B2的角位移传感器A13的转轴转动，从而角位移传感器A13向控制器发出相应的 电压信号；(2)控制器根据角位移传感器A13发出的电压信号控制直流力矩电机12的转轴 转动，带动传动带15，从而带动滑块10在导轨11上运动，并使角位移传感器B14的转 轴转动，角位移传感器B14向控制器发出相应的电压信号；(3)控制器根据角位移传感器A13和角位移传感器B14的电压信号，控制可控摆 系统Al和可控摆系统B2的物理摆9迅速稳定指向当地地垂线方向。所述的控制器控制可控摆系统Al和可控摆系统B2的物理摆9指向当地地垂线 方向的控制原理是借鉴一阶倒立摆的控制原理。
步骤三、台体的水平控制(1)可控摆系统Al和可控摆系统B2稳定后，控制器根据可控摆系统Al和可控 摆系统B2上的角位移传感器A13和角位移传感器B14输出的电压信号解算得到台体3相 对当地水平面的姿态信息，并进一步解算出台体3回到水平所需的转动角度，从而向控 制电机A5和控制电机B6发出相应的转动角度的控制信号。所述的转动角度包括外框架 4带动台体3绕χ轴需要转动的角度和台体3绕y轴需要转动的角度；(2)控制电机A5带动台体3绕y轴转动；控制电机B6带动外框架4绕χ轴转 动，台体3通过与外框架之间的连接装置随外框架4同时绕χ轴转动。转动结束后，台 体3回到当地水平，可控摆系统Al和可控摆系统Β2的物理摆9指向当地地垂线方向，滑 块10位于导轨11中点，角位移传感器Α13和角位移传感器Β14输出的电压信号为零。控制器对可控摆系统Al、可控摆系统Β2和台体3施加的控制迅速稳定，台体3 偏离水平后，首先进行可控摆系统Al、可控摆系统Β2的稳定，再实现台体3的水平。 可控摆系统Al、可控摆系统Β2和台体3的稳定速度远远快于载体8运动的速度。这样 在持续运动的载体8中，台体能迅速、精确、稳定的回到水平位置，从而保证了台体3上 仪器的正常使用。
权利要求
1.一种基于可控摆系统的双轴水平稳定平台，其特征在于所述的双轴水平稳定平 台包括机械装置和控制器；所述的机械装置包括可控摆系统A、可控摆系统B、台体、 外框架、控制电机A、控制电机B和基座；所述的台体和外框架的中心均为空间任意直角坐标系的坐标原点O，且台体和外框 架的平面与ζ轴方向垂直；台体处于外框架的中心位置；所述的台体边缘与χ轴的正负轴方向的交点分别为端点A1和端点B1,与y轴的正负 轴方向的交点分别为端点C1和端点D1 ；通过连接装置将可控摆系统A连接在端点A1和 端点B1之间，使可控摆系统A的物理摆能够绕y轴单自由度转动；通过连接装置将可控 摆系统B连接在端点C1和端点D1之间，使可控摆系统B的物理摆能够绕χ轴单自由度 转动；所述的外框架与χ轴的正负轴的交点分别为端点A2和端点B2,外框架与y轴的正负 轴的交点分别为端点C2和端点D2 ；通过连接装置将端点D1和端点D2连接，通过连接装 置将端AC1和端点C2连接，并在端AC2处设置有控制电机A，驱动台体相对外框架围 绕y轴转动；基座中心位于坐标系的原点O处，基座平面与y轴方向垂直，外框架位于基座内； 所述的基座与χ轴的正负轴方向的交点分别为端点A3和端点B3,与ζ轴的正负轴方向的 交点分别为端点C3和端点D3 ；通过连接装置将端点C3和外接载体的顶端固定连接，通 过连接装置将端点D3和载体的底端固定连接；通过连接装置将端点B2和端点B3连接， 通过连接装置将端点A2和端点A3连接，在端点处A3设置有控制电机B，驱动外框架相 对基座围绕χ轴转动，从而带动台体相对基座围绕χ轴转动；所述的控制器通过导线分别与可控摆系统A和可控摆系统B连接；所述的控制器还 通过导线分别与控制电机A和控制电机B连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于可控摆系统的双轴水平稳定平台，其特征在于 所述的可控摆系统A和可控摆系统B均由物理摆、滑块、导轨、直流力矩电机、角位移 传感器A、角位移传感器B、传动带、转动盘A和转动盘B组成；所述的角位移传感器A、角位移传感器B和直流力矩电机通过导线均与控制器相 连；所述的导轨安装在直流力矩电机和角位移传感器B之间；所述的角位移传感器B和 直流力矩电机分别设置在转动盘A和转动盘B的中心位置处，并且角位移传感器B和直 流力矩电机的转轴分别与转动盘A和转动盘B的转轴相连，所述的传动带套在转动盘A 和转动盘B上，所述的滑块两侧连接传动带，且滑块的底部位于导轨上，所述的滑块上 固定有角位移传感器A，物理摆悬挂于角位移传感器A的转轴上。
3.根据权利要求1所述的一种基于可控摆系统的双轴水平稳定平台，其特征在于 所述的外框架和基座为矩形框。
4.一种基于可控摆系统的双轴水平稳定平台的控制方法，其特征在于包括以下几 个步骤步骤一、双轴水平稳定平台的校准(1)将双轴水平稳定平台通电预热后，控制器根据可控摆系统A和可控摆系统B输出 的电压信号，控制台体回到当地水平，完成台体的自校准；(2)借助外在单独设置的水平仪对台体进行水平测量，对存在的水平误差通过控制器进行修正，完成台体的外部校准；步骤二、可控摆系统的稳定性控制(1)在载体运动过程中，当台体偏离当地水平时，造成可控摆系统A和可控摆系统B 的物理摆出现偏角，进而带动可控摆系统A和可控摆系统B的角位移传感器A的转轴转 动，从而使角位移传感器A向控制器发出电压信号；(2)控制器根据角位移传感器A发出的电压信号控制直流力矩电机转轴转动，带动传 动带，从而带动滑块在导轨上运动，并使角位移传感器B的转轴转动，角位移传感器B 向控制器发出电压信号；(3)控制器根据角位移传感器A和角位移传感器B的电压信号控制可控摆系统A和 可控摆系统B的物理摆迅速稳定指向当地地垂线方向；步骤三、台体的水平控制(1)可控摆系统A和可控摆系统B稳定后，控制器根据可控摆系统A和可控摆系统 B上的角位移传感器A和角位移传感器B输出的电压信号解算得到台体相对当地水平面 的姿态信息，解算出台体回到水平所需的转动角度，从而向控制电机A和控制电机B发 出相应的转动角度的控制信号；所述的转动角度包括外框架带动台体绕χ轴需要转动的 角度和台体绕y轴需要转动的角度；(2)控制电机A带动台体绕y轴转动，控制电机B带动外框架绕χ轴转动，台体通过 与外框架之间的连接装置随外框架同时绕χ轴转动，转动结束后，台体回到当地水平。
5.—种基于可控摆系统的双轴水平稳定平台的控制方法，其特征在于所述的步骤 二(1)和步骤三(2)中当地水平是指可控摆系统A和可控摆系统B的物理摆指向当地地垂 线方向，滑块位于导轨中点，角位移传感器A和角位移传感器B输出的电压信号为零。
全文摘要
本发明提出一种基于可控摆系统的双轴水平稳定平台及其控制方法，为一种无陀螺水平稳定平台及其控制方法。所述的双轴水平稳定平台包括机械装置和控制器。所述的机械装置包括可控摆系统A、可控摆系统B、台体、外框架、控制电机A、控制电机B和基座，该双轴水平稳定平台解决了传统的双轴水平稳定平台使用陀螺成本高和陀螺漂移带来的原理误差等缺点。通过采用对当地地垂线有敏感性的可控摆系统，而不使用陀螺，就可实现当地水平平台，具有结构简单、成本低和反应灵敏等优点。
文档编号G05D1/08GK102023639SQ20101060601
公开日2011年4月20日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者以光衢, 张飞舟, 李帆, 李进, 沈程智, 赵建辉 申请人:北京航空航天大学