CN102230801A - 一种轻量型航空遥感三轴惯性稳定平台系统 - Google Patents

一种轻量型航空遥感三轴惯性稳定平台系统 Download PDF

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一种轻量型航空遥感三轴惯性稳定平台系统，包括基座、四个线振动减振器、横滚框架、俯仰框架、方位框架、两支MEMS加速度计、三支MEMS陀螺仪、三部直流无刷力矩电机、三套减速装置、三支光电编码器、三框架伺服控制电路。基座通过四个线振动减振器与飞机相连，隔离线振动。横滚框架和俯仰框架跟踪当地地理水平，分别绕X轴和Y轴旋转。方位框架跟踪航向，绕Z轴旋转。控制部分根据三支MEMS陀螺仪提供的框架角速率信息以及POS或两支MEMS加速度计提供的姿态信息驱动三部直流无刷电机转动框架，对飞机角运动进行补偿隔离。本发明具有精度高、承载/自重比大、稳定范围宽、体积小和质量轻的特点并具有自身姿态基准，适用于轻小型航空遥感系统中相机视轴的稳定。

Description

一种轻量型航空遥感三轴惯性稳定平台系统
技术领域
本发明属于航空遥感技术领域，涉及一种轻量型航空遥感三轴惯性稳定平台系统，适用于以轻小型飞机为飞行平台的航空遥感系统，可用于航空遥感、基础测绘、军事侦察等领域。
背景技术
高分辨率对地观测系统的高精度实时运动成像要求平台理想运动，但平台运动受到各种扰动的影响，形成复杂多模高阶随机运动，导致运动成像质量退化。高精度惯性稳定平台负责支承并稳定载荷，可有效地隔离空中各种干扰力矩对遥感载荷视轴稳定的影响，使高分辨率成像载荷的视轴在惯性空间保持稳定，显著减小了载机扰动对成像精度的影响，提高了成像分辨率。
在高分辨率遥感载荷发展的牵引下，轻量化三轴惯性稳定平台系统技术也得到了快速发展，很多发达国家已经形成了产品，并广泛应用于高性能航空遥感领域。AeroStab-2为德国研制的轻量型三轴惯性稳定平台，其角度稳定范围为：方位±15°，俯仰±23°，横滚±23°；俯仰、横滚最大角速度15°/s、方位最大角速度5°/s，稳定精度为0.03°，平台自重13.5kg，体积参数为351mm×330mm×180mm。德国Somag公司研制的轻小型双轴惯性稳定平台SSM150，其体积参数为460mm×425mm×154mm，可承载的最大载荷为25kg。
以上两种产品是国外轻量化惯性稳定平台的代表。然而，现有的轻量化惯性稳定平台目前仍存在着许多不足。比如：SSM150虽然具有较高的稳定精度和较大的承载/自重比，但重量和体积偏大；AeroStab-2虽然重量和体积较小，但稳定精度和承载/自重比却较低；此外，还存在稳定范围小，没有POS提供姿态基准不能工作的问题。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种轻量型航空遥感三轴惯性稳定平台系统，稳定精度高、承载/自重比大、稳定范围宽、体积小、重量轻并可以自主提供姿态基准，适用于轻小型飞机敏捷遥感作业。
本发明的技术解决方案是：一种轻量型航空遥感三轴惯性稳定平台系统，包括结构部分、平台框架驱动部分及控制部分；结构部分包括基座、四个线振动减振器、三个框架锁紧装置、横滚框架、俯仰框架和方位框架；平台框架驱动系统包括三部直流无刷力矩电机和三套减速装置，三部直流无刷力矩电机和三套减速装置分别用于横滚框架、俯仰框架和方位框架的驱动；控制部分包括测量组件和控制电路，测量组件包括三支光电编码器、三支MEMS陀螺仪、两支MEMS加速度计以及位置姿态测量系统POS，控制电路的主电路板集中安装在电路箱内，电路箱通过螺钉紧固安装在基座上；遥感载荷通过过渡架安装在方位框架上，POS通过POS托架安装在基座上，基座通过四个线振动减振器与飞机相连；三个框架锁紧装置用于横滚框架、俯仰框架和方位框架的锁紧。
横滚框架、俯仰框架和方位框架由外到内分布，三框架回转轴线正交于一点；横滚框架沿X轴方向安装在基座上，绕X轴旋转；俯仰框架沿Y轴安装在横滚框架上，绕Y轴旋转；方位框架沿Z轴安装在俯仰框架上，绕Z轴旋转；横滚框架和俯仰框架跟踪当地地理水平，方位框架跟踪飞行航向；控制部分根据三支MEMS陀螺仪提供的框架角速率信息、POS或两支MEMS加速度计提供的姿态信息产生控制信号，驱动三部直流无刷电机输出力矩，通过三套减速装置反向驱动三个框架转动，实现抵消干扰力矩，实时跟踪和稳定遥感载荷视轴的目的。
三支光电编码器分别安装在横滚框架回转轴、俯仰框架回转轴和方位框架的电机轴上；三支光电编码器采集三个框架的相对转角信息，POS提供基座对当地水平的姿态信息，控制部分将上述信息与水平姿态零位值及航向角度设定值进行比较，并根据比较结果实时反向补偿框架转角。
三套减速装置均采用一级同步带-带轮减速系统，每套减速装置包括一个小带轮、一个同步齿轮带、一个大带轮；小带轮与电机轴通过销钉紧固，大带轮通过螺钉紧固在框架上；小带轮与大带轮外径设有弧形齿，由同步齿轮带通过啮合方式进行连接和传动。
基座、横滚框架、俯仰框架和方位框架采用硬铝合金材料。三个框架锁紧装置包括横滚框架锁紧装置、俯仰框架锁紧装置和方位框架锁紧装置；三个框架锁紧装置均为弹簧回程助推式插轴机构，分别对横滚框架、俯仰框架和方位框架进行零位锁紧；横滚框架锁紧装置通过螺钉紧固安装在横滚框架侧壁上，俯仰框架锁紧装置与方位框架锁紧装置均通过螺钉紧固安装在俯仰框架正面上。
两支MEMS加速度计通过加速度计支架正交安装在俯仰框架底部，用于测量俯仰框架相对当地地理坐标系的姿态角，为稳定平台提供姿态基准。横滚框架驱动电机通过电机位置调整板安装在基座上，俯仰框架驱动电机通过电机位置调整板安装在横滚框架上，方位框架驱动电机通过电机位置调整螺钉安装在俯仰框架上。三支MEMS陀螺仪采用正交方式安装，三支MEMS陀螺仪的敏感轴分别平行于横滚框架、俯仰框架和方位框架的回转轴线X、Y和Z轴。用于测量横滚框架和俯仰框架转动角速率的MEMS陀螺仪通过陀螺支架安装在俯仰框架底部，测量方位框架转动角速率的MEMS陀螺仪通过陀螺支架安装在方位框架的减速装置大带轮上。
本发明的原理是：三轴惯性稳定平台系统由三个框架构成，由外至内分别是横滚框架、俯仰框架和方位框架。横滚框架的回转轴沿着飞机的飞行方向，用以隔离飞机的横滚角运动；俯仰框架的回转轴沿飞机机翼方向，用以隔离飞机的俯仰角运动；方位框架的回转轴垂直向下，用以隔离飞机的方位角运动；各回转轴均以顺时针旋转为正。由于相机的视轴需要垂直向下，所以方位框架设计成中空的环型结构。将相机通过过渡架固定到方位框架上。
如图6所示，Mr、Mp、Ma为三部直流无刷力矩电机，其中Mr驱动横滚框架转动，Mp驱动俯仰框架转动，Ma驱动方位框架转动；Gx、Gy、Gz为安装在各框架上的MEMS陀螺仪，其中，Gx敏感横滚框架沿横滚轴X相对于惯性空间的转动角速度，Gy敏感俯仰框架沿俯仰轴Y相对于惯性空间的转动角速度，Gz敏感方位框架沿横方位轴Z相对于惯性空间的转动角速度；Ax、Ay为安装在俯仰框架上的加速度计，其中Ax的敏感轴与横滚框架的旋转轴重合，Ay的敏感轴与俯仰框架的旋转轴重合；Rx、Ry、Rz为测量框架间相对转角三支光电编码器，其中，Rx用于测量横滚框架相对于机座的转动角度，Ry用于测量俯仰相对于横滚框架的转动角度，Rz用于测量方位框架相对于俯仰框架的转动角度。Kr、Kp、Ka分别为横滚框架、俯仰框架和方位框架的功率驱动模块。伺服控制器根据速率陀螺敏感到的框架角速率信息和加速度计或POS测量出的姿态信息产生控制信号，控制信号经过功率驱动模块转换为电压信号给力矩电机，力矩电机输出驱动力矩，通过三套减速装置反向驱动三个框架转动，实现抵消干扰力矩，实时跟踪和稳定遥感载荷视轴的目的。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)结构部分整体采用开放式设计，相比于SSM150为代表的封闭式结构体积更小、重量更轻；
(2)基座、横滚框架、俯仰框架和方位框架采用圆周封闭的整体式矩形或环形硬铝合金框架结构，相比于AeroStab-2为代表的拼接式框架结构刚度更高、强度更大、惯量更小，因此具有更高的稳定精度和更大的承载/自重比；
(3)主电路板集中安装在电路箱内，电路箱安装在基座上，同时POS也安装在基座上，这些设计使得整体结构更加紧凑，偏心干扰力矩和电机功耗显著减小；
(4)平台内部安装陀螺仪和加速度计提供姿态基准，相比AeroStab-2和SSM150本发明可在没有POS情况下实现水平自主稳定；同时，选用MEMS惯性器件显著减小了所需要的空间尺寸和重量，并可获得更大的稳定范围；
(5)框架驱动系统采用直流无刷力矩电机和一级同步带-带轮减速系统的组合方式，力矩大、传动精度高，易于实现高精度控制；
(6)框架的相对转角采集使用绝对式光电编码器，相比于一般常用的旋转变压器精度更高、体积更小、重量更轻。
附图说明
图1为本发明的组成框图及其连接关系；
图2为本发明的三维装配图以及坐标系方向的规定；
图3为本发明与POS和遥感载荷总体三维装配图以及坐标系方向的规定；
图4为本发明总体装配图的F方向仰视图；
图5为本发明总体装配图的E方向俯视图；
图6为本发明工作原理示意图；
图7为本发明的陀螺安装结构局部放大图I(对应图4中局部I)；
图8为本发明中加速度计安装结构局部放大图II(对应图4中局部II)。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括结构部分、平台框架驱动部分及控制部分；结构部分包括基座3、四个线振动减振器4、三个框架锁紧装置17、横滚框架10、俯仰框架9和方位框架8，其中基座3、横滚框架10、俯仰框架9和方位框架8采用硬铝合金材料；平台框架驱动系统包括三部直流无刷力矩电机13和三套减速装置14；三部直流无刷力矩电机13和三套减速装置14分别用于横滚框架10、俯仰框架9和方位框架8的驱动；控制部分包括测量组件和控制电路，测量组件包括三支光电编码器6、三支MEMS陀螺仪12、两支MEMS加速度计18以及位置姿态测量系统POS 5。
如图2和图3所示，本发明控制电路的主电路板集中安装在电路箱1内，电路箱1通过螺钉紧固安装在基座3上；遥感载荷2通过过渡架15安装在方位框架8上，POS 5通过POS托架7安装在基座3上，基座3通过四个线振动减振器4与飞机相连；三个框架锁紧装置17用于横滚框架10、俯仰框架9和方位框架8的零位锁紧。
如图3所示，本发明采用开放式三框架方案，横滚框架10和俯仰框架9的角度跟踪稳定范围为±8°，方位框架8的角度跟踪稳定范围±30°；横滚框架10、俯仰框架9和方位框架8由外到内分布，三框架回转轴线正交于一点；横滚框架10沿X轴方向安装在基座3上，绕X轴旋转；俯仰框架9沿Y轴安装在横滚框架10上，绕Y轴旋转；方位框架8沿Z轴安装在俯仰框架9上，绕Z轴旋转；横滚框架10和俯仰框架9跟踪当地地理水平，方位框架8跟踪飞行航向；控制部分根据三支MEMS陀螺仪12提供的框架角速率信息、POS 5或两支MEMS加速度计18提供的姿态信息产生控制信号，驱动三部直流无刷电机13输出力矩，通过三套减速装置14反向驱动三个框架转动，实现抵消干扰力矩，实时跟踪和稳定遥感载荷2视轴的目的。
如图4和图5所示，本发明中驱动系统均采用间接驱动方案，驱动装置由三部直流无刷力矩电机13和三套减速装置14组成；横滚框架驱动电机1301通过电机位置调整板1901安装在基座3上，俯仰框架驱动电机1302通过电机位置调整板1902安装在横滚框架10上，方位框架驱动电机1303通过电机位置调整螺钉20安装在俯仰框架9上。
如图4和图5所示，本发明用到的三支光电编码器6分别安装在横滚框架10回转轴、俯仰框架9回转轴和方位框架8的电机轴上；三支光电编码器6采集三个框架的相对转角信息，POS 5提供基座3对当地水平的姿态信息，控制部分将上述信息与水平姿态零位值及航向角度设定值进行比较，并根据比较结果实时反向补偿框架转角。
如图4和图5所示，本发明中三套减速装置14均采用一级同步带-带轮减速系统，每套减速装置包括一个小带轮1401、一个同步齿轮带1402、一个大带轮1403；小带轮1401与电机轴通过销钉紧固，大带轮1403通过螺钉紧固在框架上；小带轮1401与大带轮1403外径设有弧形齿，由同步齿轮带1402通过啮合方式进行连接和传动。
如图5所示，本发明中三个框架锁紧装置17包括横滚框架锁紧装置1701、俯仰框架锁紧装置1702和方位框架锁紧装置1703；三个框架锁紧装置17均为弹簧回程助推式插轴机构，分别对横滚框架10、俯仰框架9和方位框架8进行零位锁紧；横滚框架锁紧装置1701通过螺钉紧固安装在横滚框架10侧壁上，俯仰框架锁紧装置1702与方位框架锁紧装置1703均通过螺钉紧固安装在俯仰框架9正面上。
如图7和图8所示，本发明针对遥感用三轴惯性稳定平台的结构特点，综合考虑机械结构、电气和算法实现的难易程度等诸多因素，采用了将方位陀螺1203安装在方位框架8上、俯仰陀螺1202和横滚陀螺1201安装在俯仰框架9上的陀螺安装方式。实现了陀螺信号解耦，简化了平台控制算法，并有利于平台体积和重量减小。
如图4和图7所示，本发明中三支MEMS陀螺仪12均为速率陀螺，采用正交方式安装，三支MEMS陀螺仪12的敏感轴分别平行于横滚框架10、俯仰框架9和方位框架8的回转轴线X、Y和Z轴。其中用于测量横滚框架10和俯仰框架9转动角速率的MEMS陀螺仪1201、1202通过陀螺支架1101安装在俯仰框架9底部，测量方位框架8转动角速率的MEMS陀螺仪1203通过陀螺支架1102安装在方位框架8的减速装置大带轮1403上。
如图8所示，本发明中的两支MEMS加速度计18通过加速度计支架16正交安装在俯仰框架9底部，用于测量俯仰框架9相对当地地理坐标系的姿态角，为稳定平台提供姿态基准。
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公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种轻量型航空遥感三轴惯性稳定平台系统，其特征在于包括结构部分、平台框架驱动部分及控制部分；所述的结构部分包括基座(3)、四个线振动减振器(4)、三个框架锁紧装置(17)、横滚框架(10)、俯仰框架(9)和方位框架(8)；所述平台框架驱动系统包括三部直流无刷力矩电机(13)和三套减速装置(14)，三部直流无刷力矩电机(13)和三套减速装置(14)分别用于横滚框架(10)、俯仰框架(9)和方位框架(8)的驱动；所述控制部分包括测量组件和控制电路，测量组件包括三支光电编码器(6)、三支MEMS陀螺仪(12)、两支MEMS加速度计(18)以及位置姿态测量系统POS(5)，控制电路的主电路板集中安装在电路箱(1)内，电路箱(1)通过紧固安装在基座(3)上；遥感载荷(2)通过过渡架(15)安装在方位框架(8)上，POS(5)通过POS托架(7)安装在基座(3)上，基座(3)通过四个线振动减振器(4)与飞机相连；三个框架锁紧装置(17)用于横滚框架(10)、俯仰框架(9)和方位框架(8)的锁紧。
2.根据权利要求1所述的一种轻量型航空遥感三轴惯性稳定平台系统，其特征在于：所述的横滚框架(10)、俯仰框架(9)和方位框架(8)由外到内分布，三框架回转轴线正交于一点；横滚框架(10)沿X轴方向安装在基座(3)上，绕X轴旋转；俯仰框架(9)沿Y轴安装在横滚框架(10)上，绕Y轴旋转；方位框架(8)沿Z轴安装在俯仰框架(9)上，绕Z轴旋转；横滚框架(10)和俯仰框架(9)跟踪当地地理水平，方位框架(8)跟踪飞行航向；控制部分根据三支MEMS陀螺仪(12)提供的框架角速率信息、POS(5)或两支MEMS加速度计(18)提供的姿态信息产生控制信号，驱动三部直流无刷电机(13)输出力矩，通过三套减速装置(14)反向驱动三个框架转动，实现抵消干扰力矩，实时跟踪和稳定遥感载荷(2)视轴的目的。
3.根据权利要求1所述的一种轻量型航空遥感三轴惯性稳定平台系统，其特征在于：所述的三支光电编码器(6)分别安装在横滚框架(10)回转轴、俯仰框架(9)回转轴和方位框架(8)的电机轴上，三支光电编码器(6)采集三个框架的相对转角信息，POS(5)提供基座(3)对当地水平的姿态信息，控制部分将上述信息与水平姿态零位值及航向角度设定值进行比较，并根据比较结果实时反向补偿框架转角。
4.根据权利要求1所述的一种轻量型航空遥感三轴惯性稳定平台系统，其特征在于：所述的三套减速装置(14)均采用一级同步带-带轮减速系统，每套减速装置包括一个小带轮(1401)、一个同步齿轮带(1402)、一个大带轮(1403)；小带轮(1401)与电机轴通过销钉紧固，大带轮(1403)通过螺钉紧固在框架上；小带轮(1401)与大带轮(1403)外径设有弧形齿，由同步齿轮带(1402)通过啮合方式进行连接和传动。
5.根据权利要求1所述的一种轻量型航空遥感三轴惯性稳定平台系统，其特征在于：所述的基座(3)、横滚框架(10)、俯仰框架(9)和方位框架(8)采用硬铝合金材料。
6.根据权利要求1所述的一种轻量型航空遥感三轴惯性稳定平台系统，其特征在于：所述的三个框架锁紧装置(17)包括横滚框架锁紧装置(1701)、俯仰框架锁紧装置(1702)和方位框架锁紧装置(1703)；三个框架锁紧装置(17)均为弹簧回程助推式插轴机构，分别对横滚框架(10)、俯仰框架(9)和方位框架(8)进行零位锁紧；横滚框架锁紧装置(1701)通过紧固安装在横滚框架(10)侧壁上，俯仰框架锁紧装置(1702)与方位框架锁紧装置(1703)均通过紧固安装在俯仰框架(9)正面上。
7.根据权利要求1所述的一种轻量型航空遥感三轴惯性稳定平台系统，其特征在于：所述的两支MEMS加速度计(18)通过加速度计支架(16)正交安装在俯仰框架(9)底部，用于测量俯仰框架(9)相对当地地理坐标系的姿态角，为稳定平台提供姿态基准。
8.根据权利要求1所述的一种轻量型航空遥感三轴惯性稳定平台系统，其特征在于：所述的横滚框架驱动电机(1301)通过电机位置调整板(1901)安装在基座(3)上，俯仰框架驱动电机(1302)通过电机位置调整板(1902)安装在横滚框架(10)上，方位框架驱动电机(1303)通过电机位置调整螺钉(20)安装在俯仰框架(9)上。
9.根据权利要求1所述的一种轻量型航空遥感三轴惯性稳定平台系统，其特征在于：所述的三支MEMS陀螺仪(12)采用正交方式安装；三支MEMS陀螺仪(12)的敏感轴分别平行于横滚框架(10)、俯仰框架(9)和方位框架(8)的回转轴线X、Y和Z轴；用于测量横滚框架(10)和俯仰框架(9)转动角速率的两个MEMS陀螺仪(1201、1202)通过陀螺支架(1101)安装在俯仰框架(9)底部，测量方位框架(8)转动角速率的MEMS陀螺仪(1203)通过陀螺支架(1102)安装在方位框架(8)的减速装置大带轮(1403)上。
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