一种机载SAR天线的稳定平台的制作方法

本实用新型涉及无人机技术领域，具体涉及一种机载SAR天线的稳定平台。

背景技术：

机载SAR雷达天线的信号波束指向需要在飞机飞行中保持稳定的方向，稳定精度直接影响雷达成像的精度，为此需要使用稳定平台消除飞行晃动的影响。

而申请号为201710129138.5的现有专利，其技术方案是使用机载惯导设备输出的飞行姿态数据，通过伺服机构的反向运动补偿飞行晃动，这种方式存在传动误差，所以稳定精度低、动态性能低，伺服机构重量也比较大。另外为了保持机载惯导的姿态与稳定平台的一致性，稳定平台不能加装减振结构，进一步影响系统的精度。

因此，稳定平台上需要一套惯性姿态模组作为姿态稳定反馈，并用于解算实际姿态角，但，如果单一使用MEMS传感器则性能较低，难以满足稳定精度的要求，如果单一使用三轴光纤陀螺仪则成本非常高，体积重量也偏大。

技术实现要素：

基于此，针对上述问题，有必要提出一种精度高、重量轻、成本低，能够满足SAR天线对于航向轴的高精度要求的机载SAR天线的稳定平台，尤其适合于负载重量较小、没有高精度机载惯导设备的无人机系统。

本实用新型的技术方案如下：

一种机载SAR天线的稳定平台，包括SAR天线负载和第一结构件，所述SAR天线负载上垂直于SAR天线负载安装有两个相互平行的固定板，所述第一结构件通过俯仰轴安装于两个固定板内侧，其中一个固定板外侧安装有第一角度传感器；所述第一结构件靠近SAR天线负载的一侧设有控制俯仰轴转动的第一驱动电机，另一侧的中部通过第一旋转组件连接有截面呈“U”字型的第二结构件，所述第一旋转组件包括滚转轴、第二驱动电机和第二角度传感器；所述第二结构件远离第一结构件的顶面通过第二旋转组件连接有安装平台，所述第二旋转组件包括航向轴、第三驱动电机和第三角度传感器。

在本技术方案中，第一驱动电机控制俯仰轴转动，第二驱动电机控制滚转轴转动，第三驱动电机控制航向轴转动，第一角度传感器、第二角度传感器和第三角度传感器分别反馈各个轴的转动角度，方便调整角度，提高各轴的角度数据精度；整个平台的结构简单、重量轻，在提高精度的同时，降低了设备成本。

优选的，所述第一结构件上固连有稳定控制器、MEMS惯性测量单元和单轴光纤陀螺仪。

本技术方案使用多模式陀螺仪传感器构建惯性姿态模组，并使用陀螺仪角速度的反馈方式实现惯性稳定，具有稳定精度高、动态性能高、伺服机构重量轻的优势，而且可以在稳定平台和飞机机体之间增加减震结构，也不会影响稳定精度；为了兼顾高精度、低成本、轻便小巧的要求，结合SAR天线对航向轴的精度要求远高于另外两个轴的特点，本技术方案使用MEMS惯性测量单元和单轴光纤陀螺仪相结合的方式构建姿态测量模组，实现航向轴角度解算的高精度。

MEMS惯性测量单元和单轴光纤陀螺仪安装在俯仰轴与滚转轴之间的第一结构件上，通过陀螺仪的角速度误差反馈控制的方式实现滚转轴和航向轴的惯性稳定。角速度反馈的惯性稳定控制方式能够提高稳定精度和响应带宽，同时也便于使用较轻巧的第一结构件和第二结构件以减轻重量，这两个轴的动态稳定性能通常可以达到0.02度(短时间内的稳定性)；尽管短时间内的稳定性能够达到0.02度，但由于MEMS惯性测量单元的误差和噪声较大，所以其积分角度存在缓慢漂移，完全由MEMS惯性测量单元解算出来的姿态数据精度较低，尤其是航向轴不像俯仰轴和滚转轴可通过加速度计实施校正，所以精度更差，通常角度误差可达20-60°/h，远远不能达到SAR天线指向的稳定要求；然而机载SAR天线指向对于航向轴的要求却高于俯仰轴和滚转轴，因此本实用新型配合使用单轴光纤陀螺仪测量航向轴的角速度，可以明显提高航向轴角度数据精度；使用光纤陀螺测量航向轴角速度时，在正常平飞时，误差可控制到0.5-1°/h，从而满足机载SAR天线的工作要求，如果结合外部的GPS、北斗导航数据或者磁罗盘传感器，则能够进一步提高精度。

优选的，所述MEMS惯性测量单元的信号输出端连接稳定控制器的第一信号输入端，所述单轴光纤陀螺仪的信号输出端连接稳定控制器的第二信号输入端；所述稳定控制器的第一信号输出端通过第一电机驱动器连接第一驱动电机的信号输入端，稳定控制器的第二信号输出端通过第二电机驱动器连接第二驱动电机的信号输入端，稳定控制器的第三信号输出端通过第三电机驱动器连接第三驱动电机的信号输入端。

在本技术方案中，MEMS惯性测量单元和单轴光纤陀螺仪数据输出到稳定控制器，稳定控制器实施解算、反馈控制计算后，将控制数据通过数据总线输出到各轴电机的驱动器带动俯仰轴、滚转轴和航向轴转动。

优选的，所述第一角度传感器、第二角度传感器和第三角度传感器的信号输出端均连接所述稳定控制器的第三信号输入端。用于反馈俯仰轴、滚转轴和航向轴的转动角度和角速度，实现对误差的控制。

优选的，所述第一角度传感器、第二角度传感器和第三角度传感器分别为光电编码器、磁编码器、电容编码器和旋转变压器中的一种或多种。由各种类型的编码器提供旋转角度反馈数据，实现数据能及时且精确的反馈到稳定控制器，提高转轴转动精度。

优选的，所述第一驱动电机为高精度减速电机，包括谐波减速电机、齿轮减速电机和球减速电机；所述第二驱动电机和第三驱动电机为无刷力矩电机。第一驱动电机还可以是直驱电机，但是优选为减速电机，第一驱动电机可从多种电机里任选一种高精度减速电机，能够消除SAR天线负载力矩不平衡的影响，而第二驱动电机和第三驱动电机均为无刷力矩电机，方便、高效，提供稳定的力矩给负载，不会造成电动机的损坏。

优选的，所述第一驱动电机为谐波减速电机。俯仰轴采用谐波减速电机驱动，具有输出力矩大的特点，能够消除SAR天线负载力矩不平衡的影响，控制方式采用误差前馈补偿的方式，由俯仰轴的第一角度传感器(即编码器)提供旋转角度反馈数据。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型所描述的整个平台的结构简单、重量轻，在提高精度的同时，降低了设备成本。

2、为了兼顾高精度、低成本、轻便小巧的要求，结合SAR天线对航向轴的精度要求远高于另外两个轴的特点，本实用新型使用MEMS惯性测量单元和单轴光纤陀螺仪相结合的方式构建姿态测量模组，可以明显提高航向轴角度数据精度。

3、为俯仰轴、滚转轴和航向轴分别搭配各自的编码器，实现数据能及时且精确的反馈到稳定控制器，提高转轴转动精度。

4、俯仰轴采用谐波减速电机驱动，具有输出力矩大的特点，能够消除SAR天线负载力矩不平衡的影响。

5、本实用新型所描述的稳定平台尤其适合于负载重量较小、没有高精度机载惯导设备的无人机系统。

附图说明

图1是本实用新型实施例所述机载SAR天线的稳定平台的结构示意图；

图2是本实用新型实施例所述机载SAR天线的稳定平台的原理框图。

附图标记说明：

10-SAR天线负载；101-固定板；201-第一结构件；202-第二结构件；203-安装平台；301-俯仰轴；302-第一角度传感器；303-第一驱动电机；304-第一电机驱动器；40-第一旋转组件；401-滚转轴；402-第二角度传感器；403-第二驱动电机；404-第二电机驱动器；50-第二旋转组件；501-航向轴；502-第三角度传感器；503-第三驱动电机；504-第三电机驱动器；60-稳定控制器；70-MEMS惯性测量单元；80-单轴光纤陀螺仪。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种机载SAR天线的稳定平台，包括SAR天线负载10和第一结构件201，所述SAR天线负载10上垂直于SAR天线负载10安装有两个相互平行的固定板101，所述第一结构件201通过俯仰轴301安装于两个固定板101内侧，其中一个固定板101外侧安装有第一角度传感器302；所述第一结构件201靠近SAR天线负载10的一侧设有控制俯仰轴301转动的第一驱动电机303，另一侧的中部通过第一旋转组件40连接有截面呈“U”字型的第二结构件202，所述第一旋转组件40包括滚转轴401、第二驱动电机403和第二角度传感器402；所述第二结构件202远离第一结构件201的顶面通过第二旋转组件50连接有安装平台203，所述第二旋转组件50包括航向轴501、第三驱动电机503和第三角度传感器502。

在本实施例中，第一驱动电机303控制俯仰轴301转动，第二驱动电机403控制滚转轴401转动，第三驱动电机503控制航向轴501转动，第一角度传感器302、第二角度传感器402和第三角度传感器502分别反馈各个轴的转动角度，方便调整角度，提高各轴的角度数据精度；整个平台的结构简单、重量轻，在提高精度的同时，降低了设备成本。

在其中一个实施例中，若稳定平台不用三轴结构，可以取消包括滚转轴401的第一旋转组件40，保留俯仰轴301和航向轴501，构成双轴稳定平台。可针对双轴结构实现精度控制。

在另一个实施例中，如图1所示，所述第一结构件201上固连有稳定控制器60、MEMS惯性测量单元70和单轴光纤陀螺仪80。

本实施例使用多模式陀螺仪传感器构建惯性姿态模组，并使用陀螺仪角速度的反馈方式实现惯性稳定，具有稳定精度高、动态性能高、伺服机构重量轻的优势，而且可以在稳定平台和飞机机体之间增加减震结构，也不会影响稳定精度；为了兼顾高精度、低成本、轻便小巧的要求，结合SAR天线对航向轴501的精度要求远高于另外两个轴的特点，本实施例使用MEMS惯性测量单元70和单轴光纤陀螺仪80相结合的方式构建姿态测量模组，实现航向轴501角度解算的高精度。

MEMS惯性测量单元70和单轴光纤陀螺仪80安装在俯仰轴301与滚转轴401之间的第一结构件201上，通过陀螺仪的角速度误差反馈控制的方式实现滚转轴401和航向轴501的惯性稳定。角速度反馈的惯性稳定控制方式能够提高稳定精度和响应带宽，同时也便于使用较轻巧的第一结构件201和第二结构件202以减轻重量，这两个轴的动态稳定性能通常可以达到0.02度(短时间内的稳定性)；尽管短时间内的稳定性能够达到0.02度，但由于MEMS惯性测量单元70的误差和噪声较大，所以其积分角度存在缓慢漂移，完全由MEMS惯性测量单元70解算出来的姿态数据精度较低，尤其是航向轴501不像俯仰轴301和滚转轴401可通过加速度计实施校正，所以精度更差，通常角度误差可达20-60°/h，远远不能达到SAR天线指向的稳定要求；然而机载SAR天线指向对于航向轴501的要求却高于俯仰轴301和滚转轴401，因此本实用新型配合使用单轴光纤陀螺仪80测量航向轴501的角速度，可以明显提高航向轴501角度数据精度；使用光纤陀螺测量航向轴501角速度时，在正常平飞时，误差可控制到0.5-1°/h，从而满足机载SAR天线的工作要求，如果结合外部的GPS、北斗导航数据或者磁罗盘传感器，则能够进一步提高精度。

在另一个实施例中，如图2所示，所述MEMS惯性测量单元70的信号输出端连接稳定控制器60的第一信号输入端，所述单轴光纤陀螺仪80的信号输出端连接稳定控制器60的第二信号输入端；所述稳定控制器60的第一信号输出端通过第一电机驱动器304连接第一驱动电机303的信号输入端，稳定控制器60的第二信号输出端通过第二电机驱动器404连接第二驱动电机403的信号输入端，稳定控制器60的第三信号输出端通过第三电机驱动器504连接第三驱动电机503的信号输入端。

在本实施例中，MEMS惯性测量单元70和单轴光纤陀螺仪80数据输出到稳定控制器60，稳定控制器60实施解算、反馈控制计算后，将控制数据通过数据总线输出到各轴电机的驱动器带动俯仰轴301、滚转轴401和航向轴501转动。

在另一个实施例中，如图2所示，所述第一角度传感器302、第二角度传感器402和第三角度传感器502的信号输出端均连接所述稳定控制器60的第三信号输入端。用于反馈俯仰轴301、滚转轴401和航向轴501的转动角度和角速度，实现对误差的控制。

在另一个实施例中，所述第一角度传感器302、第二角度传感器402和第三角度传感器502分别为光电编码器、磁编码器、电容编码器和旋转变压器中的一种或多种。由各种类型的编码器提供旋转角度反馈数据，实现数据能及时且精确的反馈到稳定控制器60，提高转轴转动精度。

在另一个实施例中，所述第一驱动电机303为高精度减速电机，包括谐波减速电机、齿轮减速电机和球减速电机；所述第二驱动电机403和第三驱动电机503为无刷力矩电机。第一驱动电机303还可以是直驱电机，但是优选为减速电机，第一驱动电机303可从多种电机里任选一种高精度减速电机，能够消除SAR天线负载10力矩不平衡的影响，而第二驱动电机403和第三驱动电机503均为无刷力矩电机，方便、高效，提供稳定的力矩给负载，不会造成电动机的损坏。

在另一个实施例中，所述第一驱动电机303为谐波减速电机。俯仰轴301采用谐波减速电机驱动，具有输出力矩大的特点，能够消除SAR天线负载10力矩不平衡的影响，控制方式采用误差前馈补偿的方式，由俯仰轴301的第一角度传感器302(即编码器)提供旋转角度反馈数据。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。