CN104615152A - 一种扰动角度补偿系统 - Google Patents

Abstract

一种扰动角度补偿系统，包括驱动系统、控制系统及测量系统；其中驱动系统包括驱动电机、小带轮、大带轮，其中有效载荷与大带轮固定连接，用于与大带轮同步转动；首先，设定有效载荷的工作位置，在有效载荷的位置发生扰动时，测量系统通过测量有效载荷的扰动角度，并将扰动角度的值传递给控制系统，控制系统根据该扰动角度计算出补偿角度，并控制驱动电机以所述补偿角度进行反向转动，使有效载荷回复到设定的工作位置；本发明涉及的一种扰动角度补偿系统，能够有效隔离绕载荷视轴方向的扰动角速度，提高了视轴方向成像的稳定性，具有较高的稳定精度，该稳定平台在影视、警用和军事等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种扰动角度补偿系统

技术领域

本发明涉及的一种扰动角度补偿系统，适用于地面、车载、机载、舰载、星载等多轴的摄像稳定平台，并能够根据用户需求，扩展应用于军事、警用和影视等领域。

背景技术

陀螺稳定技术不但在军事领域的精确打击、昼夜侦察、目标监视跟踪等领域有重要应用，在航空拍摄，空中搜救，海关缉私，公安巡逻等领域也有广泛应用，并且在电力、火警和环境监测等领域也越来越多受到重视。随着陀螺稳定技术应用的增多，对于稳定平台的功能和稳定精度要求也越来越多。虽然机载、车载、舰载和星载等不同的载体所搭载的载荷有所不同，但都基本都要求载荷在三个相互正交的坐标轴上具有足够的稳定性能。

目前国内的地面、车载、机载、船载等领域的稳定平台，普遍采用的两轴三框架、两轴四框架方式，虽然解决了视轴空间方向上的稳定控制，保证载荷视轴空间上指向的稳定精度，但是并未完全隔离外界的力矩干扰。现有三轴四框架陀螺稳定平台虽然在绕视轴方向上具备一定的稳定性能，但其并未考虑绕视轴方向的力矩干扰，导致整体的刚度较差，稳定精度也较低，因而所得到的视频影像效果并不理想。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供了一种角度扰动补偿系统，用于解决现有地面、车载、机载、船载等在绕视轴方向上不具备稳定性能的问题，保证视轴方向上具有较高的稳定精度，从而能够获得实时的高质量影像画面。

本发明的技术解决方案为：一种扰动角度补偿系统，包括驱动系统、控制系统及测量系统；其中驱动系统包括驱动电机、小带轮、大带轮，其中有效载荷与大带轮固定连接，用于与大带轮同步转动；所述测量系统包括绝对式编码器、所述绝对式编码器的转子与驱动电机的转子同轴连接，用于直接测量及控制驱动电机的转角；

控制系统设定有效载荷的工作位置，在有效载荷的位置发生扰动时，速率陀螺测量有效载荷的角速率，并将测得的角速率实时发送给控制系统，控制系统根据接收到的角速率计算有效载荷的扰动角度，并根据该扰动角度计算出补偿角度，并将所述补偿角度发送给绝对式编码器，绝对式编码器控制驱动电机以所述补偿角度进行反向转动，使有效载荷回复到设定的工作位置；

所述补偿角度的计算方法为：

设大带轮(12)与小带轮(8)的线速度比为N，其中N为整数，且N>1，设有效载荷的扰动转角为θ，有效载荷的转动范围为±θ₀，即-θ₀≤θ≤θ₀；

1)当2Nθ_R≤360°时，则计算出驱动电机(6)的角度位置为：

Ψ＝Ψ₀+N(θ-θ₀)

则补偿角度ΔΨc＝Ψ-Ψ₀＝N(θ-θ₀)

式中，ΔΨc为补偿角度；Ψ为有效载荷角度发生扰动后，驱动电机(6)的角度位置；Ψ₀为有效载荷处于最大扰动位置时，驱动电机(6)的角度位置；2)当2Nθ_R>360°时，所述绝对式编码器(7)转过n圈，其中n为整数，且n≥1，

Ψ＝Ψ₀+N(θ-θ₀)-360°×(c-n)

则补偿角度ΔΨc＝Ψ-Ψ₀＝N(θ-θ₀)-360°×(c-n)

式中，c为绝对式编码器圈数，其中，c为整数，且c≥n；ΔΨc为补偿角度；Ψ为有效载荷角度发生扰动后，驱动电机(6)转过n圈后的角度位置；Ψ₀为有效载荷处于最大扰动位置时，驱动电机(6)的角度位置；

绝对式编码器(7)驱动电机(6)反方向转动ΔΨc角度，并通过小带轮(8)带动大带轮(12)反向转动θ，使有效载荷恢复到设定的工作位置。

所述控制系统还用于设定扰动角度的误差范围，所述速率陀螺还用于测量有效载荷在恢复到设定工作位置后的角速率，并将角速率发送给控制系统，控制系统根据该角速率计算扰动角度的误差量，当扰动角度的误差量超过设定范围时，控制系统重新根据扰动角度最大误差进行角度补偿计算，并驱动电机再次进行角度补偿，直至误差角度变化处于设定范围之内为止。

所述驱动电机的转子与小带轮固定连接，并通过同步带将动力传递给大带轮；所述外框架上还固定有张紧组件，用于实现对同步带的张紧。

所述张紧组件包括张紧调整支架，挡边轴承1和挡边轴承2组成；所述张紧支架的一端安装于外框架，另一端的长轴结构固定安装挡边轴承1和挡边轴承2，其中，挡边轴承1和挡边轴承2的挡边朝外安装，用于将同步带限制在两个挡边轴承的定子上而不脱落；所述张紧调整支架安装底座连接孔开成一字形长孔，张紧调整支架安装于外框架后，可沿所述一字型长孔移动，实现对同步带的预紧。

所述补偿系统还包括内框架，第一轴承、与第二轴承；有效载荷固定安装在所述内框架的内部，有效载荷的转动角度即为内框架的转动角度，内框架与第一轴承和第二轴承的内环同轴固连，第一轴承与第二轴承采用背靠背形式的安装方式，外框架与第一轴承和第二轴承的外环同轴固连，所述第一轴承和第二轴承的转轴方向与有效载荷视轴方向一致。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的角度补偿系统有效地解决了较大尺寸的有效载荷在视轴方向上的稳定控制问题，采用一对大轴承背靠背安装的支承方法，将有效载荷嵌入大带轮内，提高了视轴方向上转动的精度，并能够有效地提高了系统的刚度，有利于实现视轴方向上的高精度稳定控制。

(2)本发明的有效载荷嵌入的支承方式，有效地提高了相机等有效载荷的回转范围，实现了360°整周范围的转角运动，有利于实现视轴方向上各种角度条件下的高精度稳定控制。

(3)本发明采用绝对式编码器作为补偿系统的测角元件，提高了视轴方向上的测角精度，有利于实现视轴方向上的高精度稳定控制。

(4)本发明的角度补偿系统采用带轮传动的驱动方式，即力矩电机经过大传动比的带轮减速后，可以获得较大的输出力矩。这种驱动方式在保证结构紧凑的前提下，有效地增大了输出力矩。

(5)本发明的补偿系统通过速率陀螺敏感有效载荷视轴方向的扰动角速度，利用控制单元解算并控制驱动电机的实时角运动，有效地保证了载荷相对于惯性空间的稳定。

(6)本发明的补偿系统充分考虑了绕视轴方向上的力矩干扰对视轴稳定性能的影响，通过嵌入式支承载荷的安装方式，大幅提高了系统的刚度，并提高了系统的控制运算性能，补偿系统的稳定精度能够达到20μrad以上，能够保证有效载荷实时获得高质量的视频影像。

附图说明

图1为本发明补偿系统的立体图；

图2为本发明补偿系统的剖视图；

图3为本发明补偿系统的磁钢布置视图；

图4为本发明补偿系统的内框架与绝对式编码器的角度关系图；

图5为本发明补偿系统的控制电路原理图。

具体实施方式

如图1、2和3所示，本发明的补偿系统包括内框架1、外框架2、有效载荷3、轴承结构4、速率陀螺5、驱动电机6、编码器7、小带轮8、同步带9、张紧组件10、控制系统11、大带轮12、电机定子支架13、码盘支架14、霍尔15、霍尔支架16、霍尔传感器17；补偿系统的内框架1将有效载荷3固定安装在其内部，因此，有效载荷3的转动角度即为内框架1的转动角度，内框架1与第一轴承4-1和第二轴承4-2的内环同轴固连，第一轴承4-1与第二轴承4-2采用背靠背形式的安装方式，外框架2与第一轴承4-1和第二轴承4-2的外环同轴固连，并保证第一轴承4-1和第二轴承4-2的转轴方向与有效载荷3视轴方向一致，以提供内外框架2绕视轴方向上转动的自由度；补偿系统的有效载荷3可以采用相机、视频头和大型摄像机等具有摄像功能的设备；平台的轴承可采用直径大于有效载荷径向轮廓的尺寸，以保证将有效载荷3包围在其内部。轴承的安装位置和跨度，可根据空间的尺寸情况确定，并可以根据有效载荷3的大小确定轴承的数量，如果有效载荷3轴向尺寸较小时，可采用单个大尺寸轴承；有效载荷3的平台采用带轮和同步带的间接驱动方式，即驱动电机的定子6-1固定在电机定子支架13上，电机定子支架13固定在外框架2上，小带轮8固连到驱动电机转子轴6-2上，大带轮12固连到内框架1上，平台通过驱动电机6将动力输出，经过同步带9传递给大带轮12，以保证将驱动电机6的力矩输出到内框架1上；平台采用小带轮8、大带轮12和同步带9的间接驱动方式，力矩电机6经过大传动比的带轮减速后，最终将足够大的驱动力矩输出到内框架1上。有效载荷3的平台驱动电机6可采用有刷力矩电机、无刷力矩电机，也可选用步进电机等；张紧组件10固定在外框架上，实现同步带9的张紧，所述张紧组件10包括张紧调整支架10-1，挡边轴承(1)10-2和挡边轴承(2)10-3组成；所述张紧支架10-1的一端安装于外框架2，另一端的长轴结构固定安装挡边轴承(1)10-2和挡边轴承(2)10-3，其中，挡边轴承(1)10-2和挡边轴承(2)10-3的挡边朝外安装，用于将同步带9限制在两个挡边轴承的定子上而不脱落；所述张紧调整支架10-1安装底座连接孔开成一字形长孔，张紧调整支架10-1安装于外框架2后，可沿所述一字型长孔移动，实现对同步带9的预紧。编码器7固定在码盘支架14上，码盘支架14与外框架2连接，编码器的转子7-1与驱动电机的转子6-2同轴连接平台采用编码器7可采用单圈绝对式编码或者多圈绝对式编码器，也可根据实际需要采用旋转变压器、相对式编码器或者其他测角元件；速率陀螺5固定在内框架1上，敏感有效载荷绕视轴方向的扰动角速度，速率陀螺5可以选用光纤陀螺、激光陀螺或者MEMS陀螺等，可根据需要选择模拟信号输出或者数字信号输出；霍尔15固定在霍尔支架16上，霍尔支架16与外框架2连接，霍尔15的磁钢(1)15-1和磁钢(2)15-2分别固定在内框架1上，用于判断内框架1相对外框架2的转动方向，即判断大带轮12的转动方向；控制单元11固连到外框架2上，也可布置在内框架1上，或者其他位置，实现对控制回路的测量数据信息处理、计算，得到控制平台内框架1绕视轴方向上的角度位置补偿量，并实现对力矩电机6的驱动控制；本发明的内框架1、外框架2材料为铝合金。平台采用有效载荷3嵌入内部的支承方式，有效地提高了有效载荷3的回转范围，实现了360°整周范围的转角运动。

如图4所示，平台的驱动电机6固定在外框架2上，驱动电机6通过带轮减速方式或者齿轮减速方式与内框架1连接，编码器7与驱动电机6同轴安装，所以编码器7角度与内框架1角度需通过减速比换算，并要保证编码器7的转动角度与平台视轴方向上的转动角度一一对应。

设内框架1与力矩电机6的减速比为N(N为整数，且N>1)，设内框架转角为θ，内框架1角运动范围为±θ₀，即-θ₀≤θ≤θ₀，编码器7)与力矩电机6同轴安装，则编码器7的转动角度与电机转动角度相等。

编码器7的角运动位置表示方法如下：

1)当2Nθ_R≤360°时，编码器7的角位置与内框架1角位置一一对应。内框架1位于极限角位置θ₀时的编码器值Ψ₀，则编码器7的角度位置可以表示为：

Ψ＝Ψ₀+N(θ-θ₀)

则补偿角度ΔΨc＝Ψ-Ψ₀＝N(θ-θ₀)

这种情况下，可采用相对式编码器，并配合使用霍尔传感器14完成角度测量，即霍尔传感器固定到内框架1上，霍尔传感器14的磁钢14-1(或者磁铁等)固定运动范围极限位置θ₀处，要求上电后初始化，记录下初始位置Ψ＝Ψ₀；也可采用绝对式单圈编码器，而不需要霍尔传感器，直接测得编码器7的角度位置Ψ。

2)当2Nθ_R>360°时，编码器7转过n圈(n为整数，且n≥1)后的角位置仍与内框架1角位置一一对应，则绝对式编码器圈数c≥n(c为整数)。则编码器7角度位置Ψ可以表示为：

Ψ＝Ψ₀+N(θ-θ₀)-360°(c-n)

则补偿角度ΔΨc＝Ψ-Ψ₀＝N(θ-θ₀)-360°(c-n)

这种情况下，可采用绝对式单圈编码器，并配合使用霍尔传感器14完成角度测量，即霍尔传感器14固定到内框架1上，霍尔传感器14的磁钢14-1固定运动范围极限位置θ₀处，要求上电后初始化，记录下初始位置Ψ＝Ψ₀；也可采用绝对式多圈编码器，而不需要霍尔传感器，直接测得编码器的角度位置Ψ，但绝对式编码器圈数c≥n。因而，可以计算得到内框架1对应的位置角度θ为：

θ＝[(Ψ-Ψ₀)+360°(c-n)]/N+θ₀

驱动电机6反方向转动补偿角度ΔΨc，则有效载荷也反方向转动θ，及实现补偿。但在补偿后，有效载荷的角度仍然有可能不满足使用要求，固通过一个速率陀螺5再次测量补偿后有效载荷的角速率，并由控制系统11计算角度误差，控制系统11将该角度误差的最大值与设定角度范围进行比较，若在设定范围之内，则补偿到位，若仍不在范围之内，则在此进行补偿，直到最大误差在设定范围内为止，但这里速率陀螺5负责测量角速率，并由控制系统11采用积分方式计算角度误差ΔΨ的。

以下以控制系统为核心对本发明进行描述：

如图5所示，补偿系统的控制系统11采用以DSP为核心的数字、模拟混合电路，DSP执行核心的控制计算和任务管理功能，FPGA实现平台通信、串/并口转换等工作，外围电路包括A/D转换、串行扩展等接口。所有的串口通信功能均由FPGA完成，DSP与FPGA通过数据并口通信。

控制系统11的工作过程按如下步骤进行：

第一步：接收来自外部的数据。控制系统11通过串口获取编码器7、速率陀螺5及霍尔传感器14的测量数据。如果速率陀螺5为数字式的，则控制系统11的FPGA芯片可以直接读取数据；如果速率陀螺5为模拟式的，则在控制系统的FPGA芯片之前需要加A/D转换芯片后，方可读取数据；

第二步：内部的数据交换。控制系统11的FPGA芯片将读取的数据信息通过并口发送给DSP芯片，同时接收DSP芯片发送的数据，辅助DSP芯片完成数据的处理；

第三步：计算得到驱动电机6的数据值Ψ。控制系统11的DSP芯片解算出由速率陀螺5测定的外界扰动角度变化值±ΔΨ，ΔΨ即为最大误差量，并得到由编码器7测定的电机位置角度Ψ₀，判断ΔΨ是否处于设定的误差范围，如果ΔΨ不在预设误差范围之内，则在此将误差量ΔΨ作为有效载荷3的扰动角度进行补偿计算，并将计算得到的补偿量ΔΨc发送给驱动电机6；

第四步：发送电机PWM和使能数据。控制系统11的DSP芯片将计算得到的数据值Ψ，转换成相应的1路PWM和电机使能信号，发送给电机驱动器。

第五步：驱动电机6执行规定动作。电机驱动器接收控制系统发送的PWM和电机使能信号，驱动力矩电机6转动相应的角度，完成规定动作，进而再次对有效载荷3的扰动进行补偿，并在补偿后，进一步判断扰动角度是否在设定范围之内。即补偿系统的控制系统11可以根据上述步骤，重复进行工作，实现有效载荷的角度补偿。

本发明未详细说明的部分属本领域技术人员公知的常识。

Claims (5)

1.一种扰动角度补偿系统，用于在有效载荷发生转动时，控制其恢复到设定的工作位置，其特征是：所述补偿系统包括驱动系统、控制系统(11)及测量系统；其中驱动系统包括驱动电机(6)、小带轮(8)、大带轮(12)，其中有效载荷(3)与大带轮(12)固定连接，用于与大带轮(12)同步转动；所述测量系统包括绝对式编码器(7)和速率陀螺(5)、所述绝对式编码器(7)的转子与驱动电机(6)的转子同轴连接，用于控制驱动电机(6)的转角；

控制系统(11)设定有效载荷(3)的工作位置，速率陀螺(5)将测量有效载荷(3)的角速率实时发送给控制系统(11)，控制系统(11)根据该角速率计算有效载荷(3)的扰动角度，并根据该扰动角度计算出补偿角度，控制系统(11)将所述补偿角度发送给绝对式编码器(7)，绝对式编码器(7)控制驱动电机(6)以所述补偿角度进行反向转动，使有效载荷回复到设定的工作位置；

所述补偿角度的计算方法为：

设大带轮(12)与小带轮(8)的线速度比为N，其中N为整数，且N>1，设有效载荷的扰动转角为θ，有效载荷的转动范围为±θ₀，即-θ₀≤θ≤θ₀；

1)当2Nθ_R≤360°时，则计算出驱动电机(6)的角度位置为：

Ψ＝Ψ₀+N(θ-θ₀)

则补偿角度ΔΨc＝Ψ-Ψ₀＝N(θ-θ₀)

式中，ΔΨc为补偿角度；Ψ为有效载荷角度发生扰动后，驱动电机(6)的角度位置；Ψ₀为有效载荷处于最大扰动位置时，驱动电机(6)的角度位置；

2)当2Nθ_R>360°时，所述绝对式编码器(7)转过n圈，其中n为整数，且n≥1，

Ψ＝Ψ₀+N(θ-θ₀)-360°×(c-n)

则补偿角度ΔΨc＝Ψ-Ψ₀＝N(θ-θ₀)-360°×(c-n)

式中，c为绝对式编码器圈数，其中，c为整数，且c≥n；ΔΨc为补偿角度；Ψ为有效载荷角度发生扰动后，驱动电机(6)转过n圈后的角度位置；Ψ₀为有效载荷处于最大扰动位置时，驱动电机(6)的角度位置；

绝对式编码器(7)驱动电机(6)反方向转动ΔΨc角度，并通过小带轮(8)带动大带轮(12)反向转动θ，使有效载荷恢复到设定的工作位置。

2.根据权利要求1所述的一种扰动角度补偿系统，其特征是：所述控制系统(11)还用于设定扰动角度的误差范围，所述速率陀螺(5)还用于测量有效载荷在恢复到设定工作位置后的角速率，并将角速率发送给控制系统(11)，控制系统(11)根据该角速率计算扰动角度的误差量，当扰动角度的误差量超过设定范围时，控制系统(11)重新根据扰动角度最大误差进行角度补偿计算，并驱动电机(6)再次进行角度补偿，直至误差角度变化处于设定范围之内为止。

3.根据权利要求1或2所述的一种扰动角度补偿系统，其特征在于：所述驱动系统还包括同步带(9)，所述驱动电机(6)的转子与小带轮(8)固定连接，并通过同步带(9)将动力传递给大带轮(12)；所述补偿系统还包括外框架(2)，所述外框架(2)上还固定有张紧组件(10)，用于实现对同步带(9)的张紧。

4.根据权利要求3所述的一种扰动角度补偿系统，其特征在于：所述张紧组件(10)包括张紧调整支架(10-1)，挡边轴承1(10-2)和挡边轴承2(10-3)组成；所述张紧支架(10-1)的一端安装于外框架(2)，另一端的长轴结构固定安装挡边轴承1(10-2)和挡边轴承2(10-3)，其中，挡边轴承1(10-2)和挡边轴承2(10-3)的挡边朝外安装，用于将同步带(9)限制在两个挡边轴承的定子上而不脱落；所述张紧调整支架(10-1)安装底座连接孔开成一字形长孔，张紧调整支架(10-1)安装于外框架(2)后，可沿所述一字型长孔移动，实现对同步带(9)的预紧。

5.根据权利要求4所述的一种扰动角度补偿系统，其特征在于：所述补偿系统还包括内框架(1)，第一轴承(4-1)、与第二轴承(4-2)；有效载荷(3)固定安装在所述内框架(1)的内部，有效载荷(3)的转动角度即为内框架(1)的转动角度，内框架(1)与第一轴承(4-1)和第二轴承(4-2)的内环同轴固连，第一轴承(4-1)与第二轴承(4-2)采用背靠背形式的安装方式，外框架(2)与第一轴承(4-1)和第二轴承(4-2)的外环同轴固连，所述第一轴承(4-1)和第二轴承(4-2)的转轴方向与有效载荷(3)视轴方向一致。