CN105004341B - 一种四轴惯性稳定平台系统的台体控制参数计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种四轴惯性稳定平台系统的台体控制参数计算方法,包括如下步骤:1、测量或计算四轴惯性稳定平台系统的转动惯量;2、测量得到所述稳定平台系统内部相对转动的角度;3、计算所述稳定平台系统的台体合成转动惯量;4、计算合成在台体上的干扰力矩和电机反馈力矩。该方法利用四轴惯性稳定平台系统的转动惯量和稳定平台系统内部相对转动的角度的正余弦值计算得到台体合成转动惯量,利用已知的外力矩和稳定平台系统内部相对转动的角度的正余弦值计算得到合成在台体上的干扰力矩和电机反馈力矩,该计算过程中不存在无解区域,可以覆盖任意姿态角的情况,相比现有的计算方法更准确、适用性更广。

Description

一种四轴惯性稳定平台系统的台体控制参数计算方法
技术领域
[0001] 本发明涉及惯性测量技术领域,特别涉及一种四轴惯性稳定平台系统的台体控制 参数计算方法,主要用于高精度导航的航空、航天领域。
背景技术
[0002] 由于三轴惯性平台系统存在“框架锁定”现象,难以满足载体大机动运动的要求, 因此,产生了四轴惯性平台系统。四轴惯性平台系统相对三轴惯性平台系统,在台体、内框 架和外框架的基础上增加了随动框架,随动框架处于平台外框架和基座之间。
[0003] 框架系统的作用是为平台基座相对台体提供旋转自由度,但由于框架系统和台体 间存在着约束,所以框架系统的运动会对台体带来影响。这些影响包含基座与台体间的坐 标变换、力矩变换,以及框架系统惯性干扰力矩对台体的作用等。
[0004] 目前,三轴惯性平台系统应用相对成熟,参考资料也较多,但对四轴平台的动力学 分析相对较少。因此,迫切需要确定四轴平台的关键参数,包括框架转动惯量在台体上的耦 合等。
[0005] 解决思路是通过四轴惯性稳定平台系统的动力学方程求解出台体耦合转动惯量, 基座和台体间的力矩变换关系。在中国宇航出版社出版的“《He»控制理论在惯性技术应用中 的设计方法》和中国惯性技术学报的《四轴平台伺服系统建模研究》文献中,需要利用相对 转动角度的正切值或正割值进行转动惯量和力矩计算,因此在相对转动角度为90度、270度 时,计算得到的转动惯量和干扰力矩趋于无穷大,这存在如下问题:根据目前的转动惯量计 算方法,在内框架、外框架、随动框架的转动上存在有限转动惯量时,折合到台体上的转动 惯量趋于无穷大,从物理意义上说,在三个框架轴质量有限时将在台体上产生无限的质量 负荷,不符合物理规律。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种四轴惯性稳定平台系统的台体 控制参数计算方法,用于计算四轴惯性稳定平台系统的台体合成转动惯量和合成力矩,计 精度高且适用于全姿态过程计算。
[0007] 本发明的上述目的通过以下技术方案实现:
[0008] —种四轴惯性稳定平台系统的台体控制参数计算方法,用于计算四轴惯性稳定平 台系统中台体合成转动惯量和合成力矩,所述稳定平台系统包括基座、随动框架、外框架、 内框架和台体,对应的本体坐标系分别为基座本体坐标系XlYlZl、随动框架坐标系Xp3YP3ZP3、 外框架本体坐标系乂1)2¥1)221)2、内框架本体坐标系乂1)1¥1)121)1和台体本体坐标系乂1^1)21);所述五个 坐标系的原点重合,并且:台体本体坐标系的Zp轴与内框架本体坐标系的Zpi轴重合,外框架 的本体坐标系的Yp2轴与内框架本体坐标系的Ypl轴重合,随动框架本体坐标系的Xp3轴与外 框架本体坐标系的ΧΡ2轴重合,基座本体坐标系的Xl轴与随动框架本体坐标系的Y轴重合;其 中,基座与载体固连,在所述稳定平台系统在载体带动下发生内部相对转动时,基座绕随动 框架本体坐标系的YP3轴转动,随动框架绕外框架本体坐标系的XP2轴转动,外框架绕内框架 本体坐标系的Ypl轴转动,内框架绕台体本体坐标系的Zp轴转动;
[0009] 所述台体合成转动惯量和合成力矩的计算步骤如下:
[0010] (1)、测量或估计计算得到四轴惯性稳定平台系统的转动惯量,包括:台体相对于 Xp轴、Yp轴、Zp轴的转动惯量的·
Figure CN105004341BD00051
;内框架相对于Xpl轴、Ypl轴、Zpl轴的转动惯量 的'
Figure CN105004341BD00052
j外框架相对于Xp2轴、Yp2轴、Zp2轴的转动惯量的·
Figure CN105004341BD00053
(贿动 框架相对于Xp3轴、Yp3轴、Zp3轴的转动惯量的·
Figure CN105004341BD00054
[0011] (2)、测量得到所述稳定平台系统内部相对转动的角度,包括:随动框架绕外框架 本体坐标系的XP2轴转动的角度ftck,外框架绕内框架本体坐标系的Ypl轴转动的角度Pyk,内框 架绕台体本体坐标系的Zp轴转动的角度^zk;
[0012] (3)、计算所述稳定平台系统的台体合成转动惯量,包括:合成到台体心轴上的主 转动惯量·
Figure CN105004341BD00055
,合成到台体Yp轴上的主转动惯量
Figure CN105004341BD00056
,、对轴ΧθΡΥρ的合成转动惯量积JxydMtep 和Zp的合成转动惯量积Jxz、对轴Yp和Xp的合成转动惯量积Jyx、对轴ΥβΡΖρ的合成转动惯量积 Jyz ;具体计算公式如下:
Figure CN105004341BD00057
[0019] (4)、计算合成在台体上的干扰力矩和电机反馈力矩,具体包括:合成在台体Zdi 上的干扰力矩Μζ3、合成在台体Ydi上的干扰力矩My3、合成在台体Xdi上的干扰力矩Μχ3、合成 后的台体Zp轴力矩电机反馈力矩
Figure CN105004341BD00061
、合成后的台体Yp轴力矩电机反馈力矩
Figure CN105004341BD00062
、合成后 的台体Xp轴力矩电机反馈力矩
Figure CN105004341BD00063
s .,具体计算公式如下:
Figure CN105004341BD00064
[0022] 其中,Mzp为施加在台体Zp轴上的外力矩;
Figure CN105004341BD00065
为施加在内框架Ypl轴上的外力矩; «为施加在外框架Xp2轴上的外力矩;
Figure CN105004341BD00066
.为施加在随动框架Yp3轴上的外力矩;
Figure CN105004341BD00067
,为台 体Zp轴的轴力矩电机的反馈力矩;
Figure CN105004341BD00068
为内框架ΥΡι轴的轴力矩电机的反馈力矩;
Figure CN105004341BD00069
.为外 框架ΧΡ2轴的轴力矩电机的反馈力矩;
Figure CN105004341BD000610
3为随动框架ΥΡ3轴的轴力矩电机的反馈力矩。
[0023] 上述的四轴惯性稳定平台系统的台体控制参数计算方法,在步骤⑴中,当四轴惯 性稳定平台系统的结构确定后,通过有限元分析方法计算得到所述平台的转动惯量,或对 所述四轴惯性稳定平台系统进行测量得到转动惯量。
[0024] 上述的四轴惯性稳定平台系统的台体控制参数计算方法,在步骤⑵中,通过如下 方法测量得到四轴惯性稳定平台系统内部相对转动的角度:
[0025] 在外框架的Xp2轴上安装角度传感器,测量得到随动框架绕外框架本体坐标系的 Xp2轴转动的角度Rck;在内框架的Ypl轴上安装角度传感器,测量得到外框架绕内框架本体坐 标系的Ypl轴转动的角度Pyk;在台体Zp轴上安装传感器测量内框架绕台体本体坐标系的Zp轴 转动的角度Pzk。
[0026] 上述的四轴惯性稳定平台系统的台体控制参数计算方法,在步骤⑵中,转动角度 ftd^ykik的取值范围为0〜360°。
[0027] 本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0028] (1)、本发明利用四轴惯性稳定平台系统的转动惯量,以及稳定平台系统内部相对 转动的角度的正余弦值,计算得到台体合成转动惯量,该计算过程中不存在无解区域,可以 覆盖任意姿态角的情况,相比现有的计算方法更准确、适用性更广;
[0029] (2)、本发明利用已知的外力矩,以及稳定平台系统内部相对转动的角度的正余弦 值,计算得到合成在台体上的干扰力矩和电机反馈力矩,可以准确描述出台体与基座之间 的力矩变换关系,该计算过程不存在无解区域,可以覆盖任意姿态角的情况,相比现有的计 算方法更准确、适用性更广。
附图说明
[0030] 图1为四轴惯性稳定平台系统中四个本体坐标系之间的关系示意图;
[0031] 图2为本发明的四轴惯性稳定平台系统的台体控制参数计算方法的计算流程图。
具体实施方式
[0032] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述:
[0033] 本发明提供的四轴惯性稳定平台系统的台体控制参数计算方法,用于计算四轴惯 性稳定平台系统中台体合成转动惯量和合成力矩。其中,该四轴稳定平台系统包括基座、随 动框架、外框架、内框架和台体,对应的本体坐标系分别为基座本体坐标系ΧιΥιΖι、随动框架 坐标系XP3Yp3Zp3、外框架本体坐标系Xp2Yp2Zp2、内框架本体坐标系XplYplZpl和台体本体坐标系 XpYpZp 〇
[0034] 如图1所示的五个坐标系的关系示意图,以上所述的五个坐标系的原点重合,并且 存在如下相对约束关系:台体本体坐标系的Zp轴与内框架本体坐标系的Zpl轴重合,外框架 的本体坐标系的Yp2轴与内框架本体坐标系的Ypl轴重合,随动框架本体坐标系的Xp3轴与外 框架本体坐标系的XP2轴重合,基座本体坐标系的Xi轴与随动框架本体坐标系的Y轴重合。其 中,基座与载体固连,在所述稳定平台系统在载体带动下发生内部相对转动时:基座绕随动 框架本体坐标系的Yp3轴转动且转动角度为Pyk/;随动框架绕外框架本体坐标系的Xp2轴转动 且转动角度为Rck;外框架绕内框架本体坐标系的Ypl轴转动且转动角度为Pyk,内框架绕台体 本体坐标系的Zp轴转动且转动角度为βζ1ί。
[0035] 如图2所示,本发明提供的四轴惯性稳定平台系统中台体合成转动惯量的计算步 骤如下:
[0036] (1)、当四轴惯性稳定平台系统的结构确定后,通过有限元分析方法计算得到该平 台系统的转动惯量,或对该四轴惯性稳定平台系统进行测量得到转动惯量。该转动惯量具 体包括:台体相对于Xp轴、Yp轴、Zdi的转动惯量的
Figure CN105004341BD00071
&内框架相对于Xpl轴、Ypl 轴、Z P i轴的转动惯量的·
Figure CN105004341BD00072
外框架相对于X P 2轴、Y P 2轴、Z P 2轴的转动惯量的
Figure CN105004341BD00073
;随动框架相对于Xp3轴、Yp3轴、Zp3轴的转动惯量的
Figure CN105004341BD00074
[0037] (2)、在外框架的Xp2轴上安装角度传感器,测量得到随动框架绕外框架本体坐标系 的XP2轴转动的角度ftck;在内框架的Ypl轴上安装角度传感器,测量得到外框架绕内框架本体 坐标系的Ypl轴转动的角度Pyk;在台体Zp轴上安装传感器,测量内框架绕台体本体坐标系的 Zp轴转动的角度Kk。其中,以上测量得到的相对转动角度ft*、i3yk、Kk的取值范围为0〜360°, 即该方法适用于全姿态计算。
[0038] (3)、计算所述稳定平台系统的台体合成转动惯量,包括:合成到台体心轴上的主 转动惯量/合成到台体4轴上的主转动惯量_ >、对轴ΧΘΡΥρ的合成转动惯量积Jxy、对轴
Figure CN105004341BD00075
Figure CN105004341BD00076
ΧΘΡΖρ的合成转动惯量积Jxz、对轴ΥβΡΖΡ的合成转动惯量积Jyz;具体计算公式如下:
Figure CN105004341BD00077
Figure CN105004341BD00081
[0046] 4)、计算合成在台体上的干扰力矩和电机反馈力矩,具体包括:合成在台体Zp轴上 的干扰力矩Mz3、合成在台体Ydi上的干扰力矩My3、合成在台体Xdi上的干扰力矩Mx3、合成后 的台体Zp轴力矩电机反馈力矩^
Figure CN105004341BD00082
、合成后的台体Yp轴力矩电机反馈力矩-
Figure CN105004341BD00083
、合成后的 台体Xp轴力矩电机反馈力矩-
Figure CN105004341BD00084
*具体计算公式如下:
Figure CN105004341BD00085
[0049] 其中,Mzp为施加在台体Zp轴上的外力矩;
Figure CN105004341BD00086
为施加在内框架Ypl轴上的外力矩;
Figure CN105004341BD00087
为施加在外框架上的外力矩;
Figure CN105004341BD00088
,为施加在随动框架Yp3轴上的外力矩;
Figure CN105004341BD00089
,为台 体Zp轴的轴力矩电机的反馈力矩;
Figure CN105004341BD000810
为内框架ΥΡι轴的轴力矩电机的反馈力矩;
Figure CN105004341BD000811
为外 框架ΧΡ2轴的轴力矩电机的反馈力矩;
Figure CN105004341BD000812
为随动框架Yp3轴的轴力矩电机的反馈力矩。
[0050] 通过本发明计算得到合成到台体上的合成转动惯量,以及合成在台体上的干扰力 矩和电机反馈力矩,作为台体控制参数输出到伺服控制系统,从而实现台体姿态控制。
[0051] 以上所述,仅为本发明一个具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任 何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都 应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0052] 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的公知技术。

Claims (4)

1.一种四轴惯性稳定平台系统的台体控制参数计算方法,其特征在于:用于计算四轴 惯性稳定平台系统中台体合成转动惯量和合成力矩,所述稳定平台系统包括基座、随动框 架、外框架、内框架和台体,对应的本体坐标系分别为基座本体坐标系XiYiZi、随动框架本体 坐标系XP3Yp3Zp3、外框架本体坐标系Xp2Yp2Zp2、内框架本体坐标系XplYplZpl和台体本体坐标系 XpYpZp;所述五个坐标系的原点重合,并且:台体本体坐标系的Zp轴与内框架本体坐标系的 Zpl轴重合,外框架的本体坐标系的Yp2轴与内框架本体坐标系的Ypl轴重合,随动框架本体坐 标系的XP3轴与外框架本体坐标系的XP2轴重合,基座本体坐标系的Xl轴与随动框架本体坐标 系的Yp3轴重合;其中,基座与载体固连,在所述稳定平台系统在载体带动下发生内部相对转 动时,基座绕随动框架本体坐标系的YP3轴转动,随动框架绕外框架本体坐标系的Xp2轴转 动,外框架绕内框架本体坐标系的Ypi轴转动,内框架绕台体本体坐标系的Zp轴转动; 所述台体合成转动惯量和合成力矩的计算步骤如下: (1) 、测量或估计计算得到四轴惯性稳定平台系统的转动惯量,包括:台体相对于心轴、 Yp轴、Zp轴的转动惯量
Figure CN105004341BC00021
;内框架相对于Xpl轴、Ypl轴、Zpl轴的转动惯量
Figure CN105004341BC00022
;外框架相对于Xp2轴、Yp2轴、Zp2轴的转动惯量
Figure CN105004341BC00023
哺动框架 相对于Xp3轴、Yp3轴、Zp3轴的转动惯量
Figure CN105004341BC00024
丨 (2) 、测量得到所述稳定平台系统内部相对转动的角度,包括:随动框架绕外框架本体 坐标系的XP2轴转动的角度ftck,外框架绕内框架本体坐标系的Ypl轴转动的角度Pyk,内框架绕 台体本体坐标系的Zp轴转动的角度Pzk ; (3) 、计算所述稳定平台系统的台体合成转动惯量,包括:合成到台体、轴上的主转动惯 量
Figure CN105004341BC00025
、合成到台体Yp轴上的主转动惯量
Figure CN105004341BC00026
、对轴Xt^PYp的合成转动惯量积Jxy、对轴Xt^PZp 的合成转动惯量积Jxz、对轴Yp和Xp的合成转动惯量积Jyx、对轴ΥθΡΖΡ的合成转动惯量积Jyz; 具体计算公式如下:
Figure CN105004341BC00027
Figure CN105004341BC00031
⑷、计算合成在台体上的干扰力矩和电机反馈力矩,具体包括:合成在台体Zdi上的干 扰力矩Mz3、合成在台体Yt^上的干扰力矩My3、合成在台体Xdi上的干扰力矩Mx3、合成后的台 体Zp轴力矩电机反馈力矩
Figure CN105004341BC00032
、合成后的台体Yp轴力矩电机反馈力矩
Figure CN105004341BC00033
、合成后的台体 Xp轴力矩电机反馈力矩
Figure CN105004341BC00034
,具体计算公式如下:
Figure CN105004341BC00035
其中,Mzp为施加在台体Zp轴上的外力矩;
Figure CN105004341BC00036
为施加在内框架Ypl轴上的外力矩V
Figure CN105004341BC00037
为 施加在外框架上的外力矩;
Figure CN105004341BC00038
为施加在随动框架Yp3轴上的外力矩;
Figure CN105004341BC00039
为台体zdi 的轴力矩电机的反馈力矩;
Figure CN105004341BC000310
为内框架ΥΡι轴的轴力矩电机的反馈力矩;
Figure CN105004341BC000311
为外框架ΧΡ2 轴的轴力矩电机的反馈力矩;
Figure CN105004341BC000312
为随动框架ΥΡ3轴的轴力矩电机的反馈力矩。
2. 根据权利要求1所述的一种四轴惯性稳定平台系统的台体控制参数计算方法,其特 征在于:在步骤(1)中,当四轴惯性稳定平台系统的结构确定后,通过有限元分析方法计算 得到所述平台的转动惯量,或对所述四轴惯性稳定平台系统进行测量得到转动惯量。
3. 根据权利要求1所述的一种四轴惯性稳定平台系统的台体控制参数计算方法,其特 征在于:在步骤(2)中,通过如下方法测量得到四轴惯性稳定平台系统内部相对转动的角 度: 在外框架的Xp2轴上安装角度传感器,测量得到随动框架绕外框架本体坐标系的Xp2轴转 动的角度ft*;在内框架的Ypl轴上安装角度传感器,测量得到外框架绕内框架本体坐标系的 YP1轴转动的角度Pyk;在台体Zp轴上安装传感器测量内框架绕台体本体坐标系的Zp轴转动的 角度知。
4. 根据权利要求1或3所述的一种四轴惯性稳定平台系统的台体控制参数计算方法,其 特征在于:在步骤(2)中,转动角度f3xk、f3yk、f3zk的取值范围为O〜360 °。
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