CN105736625B - 基于六自由度并联平台的复合式舰载抗冲稳定平台及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开舰船领域中基于六自由度并联平台的复合式舰载抗冲稳定平台及方法,最底部是与船舰固联的下平台,最上方是动平台,下平台和动平台之间是中间平台,动平台的正中间设置第一捷联式惯性导航系统,中间平台的正中间设置第二捷联式惯性导航系统,在下平台和中间平台之间连接6个隔冲器,在中间平台和动平台之间连接6个液压缸,每个液压缸上设有压力传感器和位移传感器;本发明采用复合式并联机构,下方的稳定平台采用被动式减振,上方的减振平台采用主动式稳定,能够隔离舰船六个摇荡动作,可以同时实现抗冲、稳定的效果。
Description
技术领域
本发明涉及舰船领域,具体是舰船上采用六自由度并联机构的舰载稳定平台,用以保护舰船上的关键仪器设备。
背景技术
舰船在海上航行时,由于受到天气、海浪、非接触性爆炸和其他不利因素的影响,会产生横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡、垂荡六个自由度的运动,这种运动给船舰上直升机的起降安全、武器发射精度、精密仪器的使用、设备安全工作以及船员的工作生活等多方面带来了严重的影响。而稳定平台能够使被稳定的对象在干扰作用下隔离载体的运动和姿态的影响,从而保持被控物体的稳定性,使其在惯性坐标系下保持相对稳定,所以稳定平台已经成为当前提高舰载设备工作精度、保障人机安全等的关键技术。
中国专利公开号为CN102654172A的文献公开了一种车载仪器减振装置,该装置主要采用由硬减振层和软减振层构成的双层减振结构,上层采用软减振层实现抗振动减振,下层采用硬减振层实现抗冲击减振,但减振装置存在六自由度的运动,会产生转角加速度,对转角加速度不能有效地吸收。中国专利公开号为CN203673082U的文献公开了一种重力测试设备减振缓冲稳定平台,该装置主要分为上下两层,上层为水平向减振缓冲机构,下层为竖向减振缓冲机构,但该稳定平台采用被动的减振方式,无主体机构承载,只能吸收个别方向的摇荡运动,空间六个方向的摇荡运动不能都有效被吸收,并且承载能力有限,不能有效地应对大频率的摇荡运动,精度难满足许多高精密仪器的要求。
目前,使用较多的稳定平台是承载能力较弱的两轴或三轴串联机构的转动平台,主要由平台框架、驱动传感机构、传感器装置和伺服控制单元组成,用于舰载设备姿态的稳定,难以实现多维稳定和承受重载,只可以补偿船舶的横摇和纵摇,船舶在海上受到艏摇、横荡、纵荡和垂荡时得不到很好地解决,影响舰载雷达等仪器的正常工作。
发明内容
本发明针对现有舰载稳定平台存在的技术缺陷,提出一种基于六自由度并联平台的复合式舰载抗冲稳定平台及抗冲稳定方法,同时实现平台的抗冲和稳定性能,能应对大频率摇荡运动和实现多维减振。
本发明基于六自由度并联平台的复合式舰载抗冲稳定平台采用的技术方案是:最底部是与船舰固联的下平台,最上方是动平台,下平台和动平台之间是中间平台,动平台的正中间设置第一捷联式惯性导航系统,中间平台的正中间设置第二捷联式惯性导航系统,在下平台和中间平台之间连接6个隔冲器,每个隔冲器与下平台和中间平台都通过第一球铰链连接;在中间平台和动平台之间连接6个液压缸,每个液压缸与中间平台和动平台都通过第二球铰链连接;每个液压缸上设有压力传感器和位移传感器,每个压力传感器和位移传感器均通过信号线连接上位机,每个液压缸均通过控制线连接上位机,第一捷联式惯性导航系统和第二捷联式惯性导航系统分别通过信号线连接上位机。
本发明基于六自由度并联平台的复合式舰载抗冲稳定平台的稳定方法采用的技术方案是是包含以下步骤:
A、船舰产生摇荡时,第二捷联式惯性导航系统将中间平台的位姿扰动信号传给上位机,第一捷联式惯性导航系统将动平台的位姿信号M传给上位机,上位机将位姿信号值M和动平台11期望的位姿值E作差得到位姿偏差绝对值e,并计算出位姿偏差变化值=de/dt,将位姿偏差绝对值e和位姿偏差变化值均输入上位机;
B、上位机对输入信号进行处理,输出六个自由度方向上的位姿偏差控制信号,分别控制六个液压缸伸缩,位姿偏差控制信号值和动平台的位姿信号值M值相反,使动平台抵消中间平台的位姿扰动。
进一步地,步骤A中,位姿偏差绝对值e和位姿偏差变化值均输入上位机的模糊控制器,模糊控制器对位姿偏差绝对值e和位姿偏差变化值信号进行模糊化、模糊推理、解模糊处理后输出信号比例修正值、积分修正值、微分修正值给PID控制器,PID控制器对输入的三个信号进行处理,输出位姿偏差控制信号。
进一步地,步骤B中,动平台的位姿信号通过第一捷联式惯性导航系统再次反馈到上位机,上位机输出新的位姿偏差控制信号,如此循环直到完全抵消中间平台的扰动,使动平台达到期望的位姿值E。
本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)本发明上方的减振平台和下方的稳定平台的主体机构都采用六自由度并联机构,具有刚性大、精度高、承载能力强、工作空间大、动态响应迅速和实现多维减振等优异特点。
(2)本发明采用复合式并联机构,下方的稳定平台采用被动式减振,上方的减振平台采用主动式稳定,可以同时实现抗冲、稳定的效果;上方的减振平台能降低摇荡运动频率、缩小运动范围,可以提高下方的稳定平台的精度。
(3)本发明能够隔离舰船六个摇荡动作,能够应对大频率摇荡运动,能承受重载,具有大工作空间和高动态响应性能。
附图说明
图1为本发明基于六自由度并联平台的复合式舰载抗冲稳定平台的立体结构示意图;
图2为图1中减振平台Ⅱ中的隔冲器与球铰链装配后的剖视图;
图3为图1中稳定平台Ⅰ中的液压缸与球铰链装配后的立体示意图;
图4为图1所示本发明抗冲稳定平台的控制原理框图。
图中:Ⅰ.稳定平台;Ⅱ.减振平台;1.球铰链;2.活塞杆;3.缸体;4.球铰链;5.球铰链; 6.上杆;7.下杆;8.球铰链;9.下平台;10.中间平台;11.动平台;12.捷联式惯性导航系统;13.捷联式惯性导航系统;
3-1.进油口;3-2.出油口;3-3.位移传感器;3-4.压力传感器;5-1.球铰座;5-2.球铰盖;5-3.球颈;6-1.凸台;7-1.端盖;7-3.阻尼弹簧;7-2.阻尼缸。
具体实施方式
参见图1,本发明的上方是主动式稳定平台Ⅰ,稳定平台Ⅰ的正下方是被动式减振平台Ⅱ。其中,减振平台Ⅱ的主体机构是一个6—SPS的并联平台,减振平台Ⅱ的最底部是水平的下平台9,下平台9通过螺栓与船舰固联。减振平台Ⅱ的最上部是中间平台10。稳定平台Ⅰ的主体机构也是一个6—SPS的并联平台,稳定平台Ⅰ的最上方是动平台11。下平台9、中间平台10和动平台11从下至上水平布置,三个平台相互平行,并且三个平台的中心轴共线。在中间平台10的正中间设置捷联式惯性导航系统13,将捷联式惯性导航系统13用螺栓固联在中间平台10上。在动平台11的正中间设置捷联式惯性导航系统12,将捷联式惯性导航系统12用螺栓固联在动平台11上。
在下平台9和中间平台10之间连接6个隔冲器,每个隔冲器与下平台9和中间平台10都通过球铰链连接;隔冲器的上端通过球铰链5连接中间平台10,球铰链5用螺栓固定连接中间平台10;隔冲器的下端通过球铰链8连接下平台9,球铰链8用螺栓固定连接下平台9。在中间平台10和动平台11连接6个液压缸,每个液压缸与中间平台10和动平台11都通过球铰链连接;液压缸的上端通过球铰链1连接动平台11,液压缸的下端通过球铰链4连接中间平台10;球铰链1用螺栓固定连接动平台11,球铰链4用螺栓固定连接中间平台10。
再参见图2,每个隔冲器的上段是上杆6,上杆是轴杆状,下段是下杆7,下杆7是筒状,上杆6和下杆7的中心轴共线,上杆6的上端连接球铰链5,下杆7的下端连接球铰链8,上杆6的下端伸入下杆7内,上杆6的下端可在下杆7内沿轴向自由伸缩。在下杆7中设有阻尼弹簧7-3和阻尼缸7-2,阻尼弹簧7-3套在阻尼缸7-2外,阻尼弹簧7-3的顶端压靠在上杆6中段设置径向的凸台6-1上,凸台6-1的外径小于下杆7的内径,上杆6的下端伸在阻尼缸7-2内,阻尼缸7-2内装有阻尼介质。阻尼弹簧7-3和阻尼缸7-2的下端由下杆7底面限制。在下杆7的上端处,与上杆6之间用端盖7-1密封,上杆6穿过端盖7-1的中心孔。
球铰链5由球铰座5-1、球铰盖5-2和球颈5-3三部分。球铰盖5-2和球铰座5-1连接后中间形成一个球孔,球颈5-3的一端是球体,球体部分伸入球孔中,将球铰盖5-2与球铰座5-1用螺栓与平台相联,球颈5-3的另一端是螺纹部分,球颈5-3通过螺纹直接连接到上杆6上端,与上杆6连为一体。球铰链1、球铰链4和球铰链8的结构和安装原理与球铰链5雷同。
再参见图3,每个液压缸均包含有活塞杆2和缸体3,活塞杆2的中心轴和缸体3的中心轴共线,活塞杆2上端连接球铰链1,活塞杆2下端伸入缸体3内,可沿缸体3的轴向在一定范围内自由伸缩。在缸体3上端和活塞杆2的连接处设置密封的导向套3-5,起密封和导向的作用。在缸体3上设置位移传感器3-3和压力传感器3-4,位移传感器3-3用于测液压缸的位置,压力传感器3-4用于测液压缸内液压油的压力。在缸体3的上还设有进油口3-1和出油口3-2,进油口3-1和出油口3-2分别与外外界的油管连接。
参见图4,6个液压缸分别是一号液压缸、二号液压缸、三号液压缸、四号液压缸、五号液压缸、六号液压缸。6个液压缸上的压力传感器3-4和位移传感器3-3分别是一号压力传感器和一号位移传感器、二号压力传感器和二号位移传感器、三号压力传感器和三号位移传感器、四号压力传感器和四号位移传感器、五号压力传感器和五号位移传感器、六号压力传感器和六号位移传感器。将每个压力传感器和位移传感器均通过信号线连接上位机,每个液压缸均通过控制线连接上位机,在上位机和每个液压缸之间串接一个相应的液压缸控制器,每个液压缸控制器均通过相应的放大器连接液压缸。同时,将安装在中间平台10上的捷联式惯性导航系统13和安装在动平台11上捷联式惯性导航系统12分别通过信号线连接于上位机。上位机由模糊控制器和PID控制器组成,模糊控制器输出端连接PID控制器的输入端,PID控制器的输出端连接各个液压缸控制器,实现对液压缸的控制。
参见图1-4,当船舰受到外界干扰,尤其是发生非接触性爆炸使船体产生摇荡运动时,与船舰固联的下平台9也会随船舰产生相应的摇荡运动。当下平台9随船舰产生相应的摇荡运动时,往往具有很高的频率,但经过减振平台Ⅱ中隔冲器的阻尼弹簧7-3和阻尼缸7-2的缓冲减振,能减振缓冲,当这种摇荡运动传到上方的中间平台10时,振动频率已被大大降低,并可以通过稳定平台Ⅰ的主动稳定作用将这种振动影响减到最小。
当中间平台10接受到减振平台Ⅱ传来的摇荡运动时,与中间平台10固联的捷联式惯性导航系统13将中间平台10的位姿扰动信号Mr传给上位机,同时捷联式惯性导航系统12也会将动平台11此时的位姿信号M传给上位机。上位机接收到捷联式惯性导航系统12反馈的动平台11的位姿信号M后,将位姿信号值M和动平台11期望的位姿值E作差得到位姿偏差绝对值e,即e=|E-M|,同时计算出位姿偏差变化值=de/dt,将位姿偏差绝对值e和位姿偏差变化值均输入模糊控制器。模糊控制器对位姿偏差绝对值e和位姿偏差变化值信号进行“模糊化—模糊推理—解模糊”后输出信号比例修正值、积分修正值、微分修正值这三个信号给PID控制器,PID控制器对输入的三个信号进行处理,最终输出六个自由度方向上的位姿偏差控制信号,分别控制六个液压缸伸缩,位姿偏差控制信号值和动平台11的位姿信号值M值相反,如此,通过六个液压缸的伸缩可导致动平台11的运动,使动平台11抵消中间平台10的位姿扰动,消除中间平台10反馈到上位机的位姿扰动信号Mr。
当上位机将位姿偏差控制信号分配给六个液压缸控制器后,一至六号控制器接收到的信号会被对应的六个放大器放大,之后信号传到对应的一至六号液压缸,进而控制六个液压缸联动,从而带动动平台11运动。液压缸的运动位置和缸内液压油的压力则分别通过位移传感器3-3和压力传感器3-4实时反馈给上位机。
当液压缸带动动平台11产生运动时,动平台11的位姿信号通过与动平台11固联的捷联式惯性导航系统12再次反馈到上位机,上位机重复工作,输出新的位姿偏差控制信号,如此循环,直到完全抵消中间平台10的扰动,使动平台11达到期望的位姿值E,保证动平台11上的相关仪器能正常工作。
Claims (6)
1.一种基于六自由度并联平台的复合式舰载抗冲稳定平台, 其特征是:最底部是与船舰固联的下平台(9),最上方是动平台(11),下平台(9)和动平台(11)之间是中间平台(10),动平台(11)的正中间设置第一捷联式惯性导航系统(12),中间平台(10)的正中间设置第二捷联式惯性导航系统(13),在下平台(9)和中间平台(10)之间连接6个隔冲器,每个隔冲器与下平台(9)和中间平台(10)都通过第一球铰链连接;在中间平台(10)和动平台(11)之间连接6个液压缸,每个液压缸与中间平台(10)和动平台(11)都通过第二球铰链连接;每个液压缸上设有压力传感器(3-4)和位移传感器(3-3),每个压力传感器和位移传感器均通过信号线连接上位机,每个液压缸均通过控制线连接上位机,第一捷联式惯性导航系统(12)和第二捷联式惯性导航系统(13)分别通过信号线连接上位机。
2.根据权利要求1所述基于六自由度并联平台的复合式舰载抗冲稳定平台,其特征是:每个隔冲器的上段是上杆(6),下段是下杆(7),上杆(6)和下杆(7)的中心轴共线,上杆(6)的下端伸入下杆(7)内在下杆(7)内沿轴向自由伸缩;在下杆(7)中设有阻尼弹簧(7-3)和阻尼缸(7-2),阻尼弹簧(7-3)套在阻尼缸(7-2)外,阻尼弹簧(7-3)顶端压靠在上杆(6)中段设置的径向的凸台(6-1)上,凸台(6-1)的外径小于下杆(7)的内径,上杆(6)的下端伸在阻尼缸(7-2)内,阻尼缸(7-2)内装有阻尼介质。
3.根据权利要求1所述基于六自由度并联平台的复合式舰载抗冲稳定平台,其特征是:上位机由模糊控制器和PID控制器组成,模糊控制器输出端连接PID控制器的输入端,PID控制器的输出端连接各个液压缸控制器,液压缸控制器通过放大器连接液压缸。
4.一种如权利要求1所述基于六自由度并联平台的复合式舰载抗冲稳定平台的稳定方法,其特征是包含以下步骤:
A、船舰产生摇荡时,第二捷联式惯性导航系统(13)将中间平台(10)的位姿扰动信号传给上位机,第一捷联式惯性导航系统(12)将动平台(11)的位姿信号M传给上位机,上位机将位姿信号值M和动平台(11)期望的位姿值E作差得到位姿偏差绝对值e,并计算出位姿偏差变化值=de/dt,将位姿偏差绝对值e和位姿偏差变化值均输入上位机;
B、上位机对输入信号进行处理,输出六个自由度方向上的位姿偏差控制信号,分别控制六个液压缸伸缩,位姿偏差控制信号值和动平台(11)的位姿信号值M值相反,使动平台(11)抵消中间平台(10)的位姿扰动。
5.根据权利要求4所述基于六自由度并联平台的复合式舰载抗冲稳定平台的稳定方法,其特征是:步骤A中,位姿偏差绝对值e和位姿偏差变化值均输入上位机的模糊控制器,模糊控制器对位姿偏差绝对值e和位姿偏差变化值信号进行模糊化、模糊推理、解模糊处理后输出信号比例修正值、积分修正值、微分修正值给PID控制器,PID控制器对输入的三个信号进行处理,输出位姿偏差控制信号。
6.根据权利要求4所述基于六自由度并联平台的复合式舰载抗冲稳定平台的稳定方法,其特征是:步骤B中,动平台(11)的位姿信号通过第一捷联式惯性导航系统(12)再次反馈到上位机,上位机输出新的位姿偏差控制信号,如此循环,直到完全抵消中间平台(10)的扰动,使动平台(11)达到期望的位姿值E。
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