CN101734367B - 基于框架控制与一体化隔振的平流层飞艇二次稳定系统 - Google Patents

Abstract

基于框架控制与一体化隔振的平流层飞艇二次稳定系统，包括主被动一体化隔振器、水平稳定平台、框架驱动单元和控制器。主被动一体化隔振器用于隔离环境干扰和艇身运动耦合，其控制驱动指令由控制器产生。水平稳定平台用于为框架驱动单元和后续有效载荷提供一个当地的水平面，水平稳定平台通过反馈其姿态角至控制器，然后控制器根据姿态角偏差通过执行结构对水平稳定平台进行调整，保持水平稳定平台与当地水平面平行。控制器根据目标点与飞艇当前位置，以及框架驱动单元反馈的转角信息，控制框架驱动单元到所要求的指向上。本发明系统提供了一种新的能够满足有效载荷工作环境要求的二次稳定平台系统，控制精度高、稳定性好。

Description

基于框架控制与一体化隔振的平流层飞艇二次稳定系统

技术领域

本发明属于航空航天控制领域，涉及一种支撑平流层飞艇载荷工作平台的二次稳定系统。

背景技术

高分辨率对地观测系统重大专项是国务院《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》确定的16项重大专项中的一项，是我国科技发展的重中之重，是一个创新的大系统。高分辨率对地观测系统把平流层对地观测分系统(简称为平流层分系统)列为与天基和航空同一层次的对地观测分系统。建立平流层分系统具有十分重要的战略意义，平流层飞艇技术的发展，也必将实现将我国的主权扩展到近空间，占领新的战略制高点的目标。

平流层飞艇的质量体积比不到飞机的十分之一，推力重量比远小于飞机，平流层飞艇具有庞大的艇身，内部结构由气囊、多个副气囊、加强筋和吊舱等组成，造成了平流层飞艇的大惯性，大时间常数等特性。受风场和温差等外部环境影响，飞艇对气象条件的变化较为敏感，留空时间相对较长，每次工作的环境参数随机变化性较大，但可见光等潜在的平流层飞艇应用任务对控制系统提出了极高的要求，如需要为载荷提供≤0.1°的指向精度和≤0.001°/s的稳定度。

从飞艇艇身的自身特点和目前的控制水平来看，仅仅依靠目前采用的对平流层飞艇庞大的艇身直接进行控制的作法远远不能满足任务的基本要求。而当前国内外对飞艇的研究一般集中在飞艇平台的研究，而对二次稳定平台等相关技术还没有相关的方案提出。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种控制精度高、稳定性好的基于框架控制与一体化隔振的平流层飞艇二次稳定系统。

本发明的技术解决方案是：基于框架控制与一体化隔振的平流层飞艇二次稳定系统，包括主被动一体化隔振器、水平稳定平台、框架驱动单元和控制器，整个稳定系统均置于飞艇的吊舱内，水平稳定平台通过主被动一体化隔振器固定于吊舱的底部，框架驱动单元置于水平稳定平台上，框架驱动单元的方位轴与水平稳定平台垂直，载荷安装在框架驱动单元倾斜轴的末端：

主被动一体化隔振器：由被动隔振器和主动隔振器共同构成，被动隔振器隔离频率大于20Hz的高频振动，主动隔振器隔离频率范围为10Hz～20Hz的低频振动；

水平稳定平台：包括台面、姿态测量装置和两套驱动机构，姿态测量装置实时获取台面的滚动角和俯仰角以及滚动角速度和俯仰角速度并送至控制器，两套驱动机构根据控制器的控制指令对台面进行控制，使得台面相对于当地水平面的滚动角和俯仰角以及滚动角速度和俯仰角速度均为零；

框架驱动单元：包括两套框架驱动机构，分别驱动倾斜轴和方位轴，每套框架驱动机构均由步进电机、谐波齿轮减速装置和感应同步器构成，步进电机根据控制器发出的脉冲指令输出步进角度至谐波齿轮减速装置，谐波齿轮减速装置将步进角度输出至载荷，使得载荷的指向与目标指向一致；感应同步器测量载荷在倾斜轴和方位轴的转动角度并送至控制器；

控制器：测量主被动一体化隔振器的振动加速度信息，利用测量值得到控制量并输出至主动隔振器；根据姿态测量装置的测量信息获取水平稳定平台的角度控制量并分别送至两套驱动机构；根据感应同步器测量的载荷在倾斜轴和方位轴的转动角度获取步进控制量并送至步进电机。

所述的步进控制量包括倾斜步进角和方位步进角；计算倾斜步进角时，首先通过目标点和飞艇当前的位置坐标以及水平稳定平台与飞艇形心的相对位置计算出相对倾斜角，然后将相对倾斜角与框架驱动单元的倾斜轴当前转角作差获得倾斜步进角；计算方位步进角时，首先获得目标点与飞艇当前位置的相对方位角，然后将相对方位角依次与飞艇的偏航角以及框架驱动单元方位轴相对于零位的转角作差获得方位步进角。

所述的主动隔振器的执行机构为音圈电机。

所述的被动隔振器包括隔板、两个弹簧和两个阻尼器，隔板和水平稳定平台之间设置第一弹簧和第一阻尼器，隔板和飞艇的吊舱底面之间设置第二弹簧和第二阻尼器。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明系统将控制的最终目标从对飞艇艇身姿态的控制转移到了对二次水平稳定平台的高精度、高稳定度的控制上。通过主被动一体化隔振装置隔离环境干扰和艇身运动耦合，实现对水平稳定平台的控制来构建载荷工作环境，通过框架驱动来保持载荷指向，为平流层飞艇应用提供了新的更好的解决方案，避免了直接对飞艇艇身控制上所存在的诸多不利因素，降低了环境对载荷的干扰，提高了载荷的工作环境的精度和稳定度；

(2)本发明系统采用主被动一体化隔震器进行隔振，尽可能隔离环境干扰和艇身运动的耦合。主被动一体化隔振器将主动隔振和被动隔振技术同时应用，相互融合，发挥了各自优点，弥补了各自缺点，达到了最佳的减振效果；

(3)本发明系统中采用水平稳定平台台面作为框架驱动单元和后续载荷的安装面，保证了框架驱动单元和载荷的工作环境与当地水平面平行。克服了平流层艇身姿态控制困难且容易受环境干扰的影响等诸多不利因素，提高了载荷工作环境的精度和稳定度，为平流层飞艇载荷应用打下了坚实的基础；

(4)本发明系统中采用步进电机与谐波齿轮减速传动相结合的方式实现了对后续负载的高精度转角控制，通过控制输出值即可满足不同任务模式对负载的指向要求，适用性强，并且能够满足精度要求；

(5)本发明系统中控制器采用并联控制方式，对系统其它三个部件的控制可以分别独立运行，保证了二次稳定系统中各子系统不会相互耦合，可靠性高。

附图说明

图1为本发明稳定系统的组成原理框图；

图2为本发明坐标系及相互关系示意图；

图3为本发明坐标系及角度表示示意图；

图4为本发明方位角平面示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明系统包括主被动一体化隔振器1、水平稳定平台2、框架驱动单元3和控制器4，整个稳定系统均置于飞艇5的吊舱内。

主被动一体化隔振器1必须具备足够的刚度，以确保水平稳定平台2与吊舱之间的连接可靠度。飞艇复杂扰动环境的特点，要求了隔振系统必须具备10Hz以上频段范围的隔振能力。被动隔震器的优点是结构简单、易于实现、经济性好、可靠性高、不消耗附加能量，具有普遍适用性，但是被动隔振只有当激振信号频率大于系统固有频率的

倍时才有隔离作用。当频率较低时，从基座传来的振动反而被放大了，抑制能力有限，缺乏跟踪和调节能力，不太适合隔振对象状态变化较大，振动干扰时变性较强的场合。而被动隔振的缺点可以通过主动隔振进行弥补，主动隔振技术具有更大的灵活性和适应性，并且具有抑制超低频振动和带宽随机振动的能力的优点。

因此，本发明主被动一体化隔振器1由被动隔振器和主动隔振机构共同构成。被动隔振器采用弹簧和阻尼器来实现。如图1所示，隔板11上方的第一弹簧12和第一阻尼器13共同起到橡胶垫片的作用，该橡胶垫片与隔板11下方的第二弹簧14和第二阻尼器15共同构成被动隔振器，用于减小、隔离高频振动，隔振范围的最低频率设计为20Hz。主动隔振机构采用音圈电机16作为执行结构，主要起到低频振动隔离的作用，实现10-20Hz频段的振动抑制。水平稳定平台2通过主被动一体化隔振器1固定于吊舱的底部。

控制器4通过测量装置实时获取飞艇5的姿态角测量信息(包括滚动角、俯仰角、滚动角速度、俯仰角速度)和主被动一体化隔振器1的振动测量信息，并根据上述两种测量信息，主动隔振控制器计算出相应的控制量，驱动音圈电机16，从而控制主被动一体化隔振器1的振动量。

水平稳定平台2为两自由度，具有在滚动轴和俯仰轴(平台坐标系的X轴和Y轴，在平台面上互相垂直)的调节控制能力。框架驱动单元3置于水平稳定平台2上，框架驱动单元3的方位轴与水平稳定平台2垂直，载荷(如相机、天线等)安装在框架驱动单元3倾斜轴的末端。水平稳定平台2包括台面21、滚动轴直流电机22、滚动轴减速器23、俯仰轴直流电机24、俯仰轴减速器25以及姿态测量装置26。姿态测量装置26需要测量的量包括水平稳定平台2X轴和Y轴相对零位的转角，以及与当地水平面的两轴夹角和角速度，可分别采用多级旋转变压器、惯性测量部件、星敏感器、太阳敏感器、加速度计等传感器进行测量。同时在两个通道配置相同的测量元件用于对滚动轴和俯仰轴分别进行测量。水平稳定平台2的执行机构采用直流电机，滚动轴直流电机22和俯仰轴直流电机24分别从控制器4获取各自轴的转角指令，并分别通过滚动轴减速器23和俯仰轴减速器25按照260∶1的比例输出作用在台面21上，保持台面21与当地水平面平行。各自轴的转角指令由控制器4根据姿态测量装置26的姿态信息获取。

图2所示为二次稳定平台各坐标系及其各坐标系之间的关系，本发明中涉及到的各种坐标系、艇体以及水平稳定平台的姿态角定义如下：

惯性坐标系eⁱ-O_ix_iy_iz_i：其坐标原点O_i取在地面某一点(如飞艇的放飞点)；O_ix_i为水平面内任意方向，一般取正北或正东方向；O_iy_i位于O_ix_i轴所在的水平面内，且与O_ix_i轴相互垂直，其正向按右手法则确定；O_iz_i轴过O_i并与O_ix_iy_i平面垂直，正向指向地心。

艇体坐标系e^b-O_bx_by_bz_b：艇体坐标系与飞艇艇体固连，原点O_b取在飞艇的体积中心处，O_bx_b轴与飞艇的纵轴方向完全一致，指向头部为正；O_bx_b平行于艇体基面，正向指向右旋；O_bz_b与O_bx_b，O_by_b组成右手系。

平台坐标系e ^p-O_px_py_pz_p：平台坐标系与水平稳定平台2台面固连，原点O_p取在水平稳定平台2台面的中心处，O_px_py_p与台面重合，O_pz_p垂直台面向下，构成右手系。

飞艇(体积中心)相对惯性坐标系原点的矢量为r_bi，平台坐标系坐标原点相对飞艇体积中心的矢量为r_bp。下面定义水平稳定平台2相对于惯性坐标系e ⁱ的三个姿态角：

俯仰角θ_p：水平稳定平台2的纵轴O_px_p和水平面(即O_ix_iy_i平面)的夹角，由水平面向上逆时针旋转至O_ix_i为正。

偏航角ψ_p：水平稳定平台2的纵轴O_px_p在水平面上(即O_ix_iy_i平面)的投影与惯性坐标系中的O_ix_i的夹角，有O_ix_i逆时针方向旋转到平台的纵轴O_px_p在水平面上的投影为正。

滚动角

：水平稳定平台2的O_pz_p与通过O_ix_i轴的铅垂面之间的夹角。当逆着O_px_p看去时，旋转方向为逆时针时φ_p为正。

飞艇相对于惯性系的三个姿态角的定义同上，只需要把平台坐标系e^p-O_px_py_pz_p换成艇体坐标系e^b-O_xx_by_bz_b即可得到飞艇的姿态角

需要指出的是，水平稳定平台2设计为两自由度，即水平稳定平台2只拥有调节

和θ_p能力，对偏航角

则不具备主动调节能力，其任务也只是保持水平稳定平台与当地水平面平行。

框架驱动单元3包括步进电机31、谐波齿轮减速装置32和感应同步器33，其外部安装有固定框架，通过该框架将载荷固定在某一位置，步进电机31根据脉冲指令输出步进角度至谐波齿轮减速装置32，谐波齿轮减速装置32将步进角度按照160∶1的比例输出至载荷，使得最终载荷的转动步距角为0.003°。感应同步器33测量载荷的转动角度，测量精度优于0.001°。控制器4根据感应同步器33的测量信息调整脉冲指令所包含的步进角度，使得载荷的指向与目标指向一致。

由此可以看出，为了完成上述各项控制任务，控制器4应包括以下功能：

(1)主动隔震器控制单元，测量值包括艇身姿态角、振动加速度信息，控制单元利用测量值，以减小水平稳定平台2的加速度为目标，计算出控制量，输出到作动器上。

(2)水平稳定平台控制单元，主要完成对水平稳定平台2的控制，测量值为水平稳定平台2X轴和Y轴相对零位的转角，姿态角和姿态角速度信息，其控制的目的是维持水平稳定平台2两轴的姿态角和姿态角速度为零。

(3)框架驱动单元控制器，主要完成对框架驱动单元3的指向控制。控制器4将首先根据目标点位置和飞艇当前位置，以及当前框架驱动单元3倾斜轴相对其零位的位置，解算出倾斜步进角

并根据相对位置计算出相对方位角ψ_t，此方位角与飞艇艇体的姿态角以及当前框架驱动单元3方位轴相对其零位的位置相结合，得到框架驱动单元3的方位步进角ψ_g。控制器4根据倾斜步进角和方位步进角驱动框架单元3到所要求的指向上。

本发明中方位步进角ψ_g和倾斜步进角

计算公式如下：

如图3所示，设目标点在惯性系下的位置矢量为r_di＝[x_di y_di z_di]^T，飞艇当前位置在惯性系下的位置矢量为r_bi＝[x_bi y_bi z_bi]^T，平台系的坐标原点在惯性系下的可以表示为r_pi＝[x_pi y_pi z_pi]^T＝r _bi +r_bp，则：

相对倾斜角

倾斜步进角

计算方法如下：

表示目标点相对水平稳定平台2的相对倾斜角，

表示框架驱动单元3倾斜轴当前位置相对于零位时的角度(倾斜轴水平时为零位)。

目标点相对于飞艇的相对方位角ψ_t：

${\mathrm{\&psi;}}_t=\left\{\begin{array}{cc}\arctan \left(\frac{x_{\mathrm{di}}-x_{\mathrm{pi}}}{y_{\mathrm{di}}-y_{\mathrm{pi}}}\right)& \mathrm{if}(x_{\mathrm{di}}-x_{\mathrm{pi}})\&GreaterEqual;0\\ \arctan \left(\frac{x_{\mathrm{di}}-x_{\mathrm{pi}}}{y_{\mathrm{di}}-y_{\mathrm{pi}}}\right)+\mathrm{\&pi;}& \mathrm{if}(x_{\mathrm{di}}-x_{\mathrm{pi}})<0\mathrm{and}(y_{\mathrm{di}}-y_{\mathrm{pi}})\&GreaterEqual;0\\ \arctan \left(\frac{x_{\mathrm{di}}-x_{\mathrm{pi}}}{y_{\mathrm{di}}-y_{\mathrm{pi}}}\right)-\mathrm{\&pi;}& \mathrm{if}(x_{\mathrm{di}}-x_{\mathrm{pi}})<0\mathrm{and}(y_{\mathrm{di}}-y_{\mathrm{pi}})<0\end{array}\right.---\left(3\right)$

由于飞艇存在偏航角

目标点相对于飞艇的方位角ψ_t不是框架驱动单元3的方位步进角ψ_g，而是：

ψ_g＝ψ_t-ψ_p-ψ_Δ＝ψ_t-ψ_b-ψ_Δ                 (4)

式(4)所得中ψ_g即为框架驱动单元3的方位步进角(如图4所示)，其中ψ_t通过式(3)进行解算，ψ_p＝ψ_b由艇身姿态敏感器进行测量，ψ_Δ为框架驱动单元3方位轴当前位置相对于零位的角度，由感应同步器33给出。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.基于框架控制与一体化隔振的平流层飞艇二次稳定系统，其特征在于包括：主被动一体化隔振器(1)、水平稳定平台(2)、框架驱动单元(3)和控制器(4)，整个稳定系统均置于飞艇(5)的吊舱内，水平稳定平台(2)通过主被动一体化隔振器(1)固定于吊舱的底部，框架驱动单元(3)置于水平稳定平台(2)上，框架驱动单元(3)的方位轴与水平稳定平台(2)垂直，载荷安装在框架驱动单元(3)倾斜轴的末端：

主被动一体化隔振器(1)：由被动隔振器和主动隔振器共同构成，被动隔振器隔离频率大于20Hz的高频振动，主动隔振器隔离频率范围为10Hz～20Hz的低频振动；

水平稳定平台(2)：包括台面(21)、姿态测量装置(26)和两套驱动机构，姿态测量装置(26)实时获取台面(21)的滚动角和俯仰角以及滚动角速度和俯仰角速度并送至控制器(4)，两套驱动机构根据控制器(4)的控制指令对台面(21)进行控制，使得台面(21)相对于当地水平面的滚动角和俯仰角以及滚动角速度和俯仰角速度均为零；

框架驱动单元(3)：包括两套框架驱动机构，分别驱动倾斜轴和方位轴，每套框架驱动机构均由步进电机(31)、谐波齿轮减速装置(32)和感应同步器(33)构成，步进电机(31)根据控制器(4)发出的脉冲指令输出步进角度至谐波齿轮减速装置(32)，谐波齿轮减速装置(32)将步进角度输出至载荷，使得载荷的指向与目标指向一致；感应同步器(33)测量载荷在倾斜轴和方位轴的转动角度并送至控制器(4)；

控制器(4)：测量主被动一体化隔振器(1)的振动加速度信息，利用测量值得到控制量并输出至主动隔振器；根据姿态测量装置(26)的测量信息获取水平稳定平台(2)的角度控制量并分别送至两套驱动机构；根据感应同步器(33)测量的载荷在倾斜轴和方位轴的转动角度获取步进控制量并送至步进电机(31)。

2.根据权利要求1所述的基于框架控制与一体化隔振的平流层飞艇二次稳定系统，其特征在于：所述的步进控制量包括倾斜步进角和方位步进角；计算倾斜步进角时，首先通过目标点和飞艇当前的位置坐标以及水平稳定平台(2)与飞艇形心的相对位置计算出相对倾斜角，然后将相对倾斜角与框架驱动单元(3)的倾斜轴当前转角作差获得倾斜步进角；计算方位步进角时，首先获得目标点与飞艇当前位置的相对方位角，然后将相对方位角依次与飞艇的偏航角以及框架驱动单元(3)方位轴相对于零位的转角作差获得方位步进角。

3.根据权利要求1所述的基于框架控制与一体化隔振的平流层飞艇二次稳定系统，其特征在于：所述的主动隔振器的执行机构为音圈电机(16)。

4.根据权利要求1所述的基于框架控制与一体化隔振的平流层飞艇二次稳定系统，其特征在于：所述的被动隔振器包括隔板(11)、两个弹簧和两个阻尼器，隔板(11)和水平稳定平台(2)之间设置第一弹簧(12)和第一阻尼器(13)，隔板(11)和飞艇(5)的吊舱底面之间设置第二弹簧(14)和第二阻尼器(15)。

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