CN106094887B - 一种集成三轴转台功能及稳定平台功能的系统 - Google Patents

一种集成三轴转台功能及稳定平台功能的系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及自动化和仪器仪表技术领域，特别涉及一种集成三轴转台功能及稳定平台功能的系统，所述系统包括基础平台、用于测量基础平台姿态信息的惯性组件、接收惯性组件所发送的姿态信息并进行解算的电机控制电路、根据电机控制电路解算的信息进行反馈动作的舵机组件、及具有显示姿态信息和控制舵机功能的上位机组件；所述舵机组件所执行的反馈动作实现了稳定平台功能，上位机组件对舵机组件的控制命令实现了三轴转台的功能；本发明有效、精准的将三轴转台及稳定平台集成到一个设备之上，相较于一般的独立稳定平台或三轴转台，本发明具有小体积、多功能、低成本等优势，便于大规模推广及应用，对提升我国创新教育的辐射面具有潜在的意义。

Description

一种集成三轴转台功能及稳定平台功能的系统
技术领域
本发明涉及仪器与科技技术学科教学仪器领域，特别涉及一种集成三轴转台功能及稳定平台功能的系统。
背景技术
我国正在大力推行“创新驱动发展”的战略，而创新的主体是人才，所以人才培养是实现这一战略的关键保障。目前科技普及和创新教育在全国广泛开展，各大中专院校及中小学十分重视学生的创新能力培养，但总体上表现出缺乏先进的教学设备，经过相关调研目前市面上所流通的稳定平台以及三轴转台虽然精度高，但是其造价过于昂贵并不利于科普教育，且普通科普教学并不需要特别高的精确度，其需要的是低廉的可推广价格，同时，稳定平台与三轴转台都是相互独立的，仅仅可以单一实现稳定平台或者三轴转台的功能，目前并没有一种仪器可以同时将以上两个功能融合在一起同时实现。本发明的出现解决了传统的仪器造价高、体积大的劣势可以实现规模化生产以及大规模普及。
发明内容
本发明提供一种集成三轴转台功能及稳定平台功能的系统及可实现三轴转台功能和稳定平台功能相互切换的方法，本系统作为将两者的功能相结合的教学用实验仪器，可以通过两者的结合让学生明白如何测试信号以及如何将测试信号用于控制之中。
具体技术方案如下：一种集成三轴转台功能及稳定平台功能的系统，所述系统包括基础平台，所述系统还包括用于测量基础平台姿态信息的惯性组件、接收惯性组件所发送的姿态信息并进行解算的电机控制电路、根据电机控制电路解算的信息进行反馈动作的舵机组件、及具有显示姿态信息和控制舵机功能的上位机组件。
进一步地，所述上位机组件包括姿态存储显示部分及转台控制部分。
进一步地，所述姿态存储显示部分接收并存储惯性组件的姿态信息，同时根据姿态信息进行3D显示、曲线显示和数字显示；
所述转台控制部分连接舵机并对舵机进行控制，进而实现陀螺仪仪标定、加表标定及扰动基座控制。
进一步地，所述电机控制电路通过阵列式开关连接舵机，所述阵列式开关可由上位机组件控制；
当阵列式开关控制信道物理开关闭合时，系统具有稳定平台功能；
当阵列式开关控制信道物理开关断开时，系统具有三轴转台功能。
进一步地，所述基础平台包括依次相互可转动连接的内框平台、转台中框及转台外框。
进一步地，所述惯性组件包括分别设置在内框平台、转台中框及转台外框的三个陀螺仪及三个加速度计，所述三个陀螺仪及三个加速度计用于测量内框平台航向、俯仰及横滚三个姿态信息的测量。
进一步地，所述电机控制电路包括电源及控制芯片，所述控制芯片接收航向、俯仰及横滚三个姿态信息，并对姿态信息解析校验，根据解析校验后的信号做出相应的旋转动作，通过舵机对内框平台的角度进行相应的矫正。
一种三轴转台到稳定平台的相互切换方法，应用上述的一种集成三轴转台功能及稳定平台功能的系统，通过应用阵列式开关对信道物理开关的闭合及打开，实现三轴转台到稳定平台的相互切换。
本发明是满足了现有技术中作为实验仪器的主要需求，基于MEMS器件使本发明的体积相较于其他的三轴转台稳定平台大大减小，并且造价大大降低；三轴转台以及稳定平台的多功能合一实现了实验仪器对于多功能的需求。
本发明可以运用于测试惯性组件的灵敏程度，对惯性组件进行标定，同时也可以实现稳定平台的相关功能，并且将两者融合在一个设备之上，相较于一般的独立稳定平台以及三轴转台，该设备做到了多功能多用途且节约了制造成本。
说明书附图
图1为本发明的系统示意图；
图2为本发明的功能示意图；
图3为本发明的结构示意图；
图4为本发明的解算流程示意图。
具体实施方式
以下根据具体实施例及附图对本发明做进一步解释。
如图1及图2所示，本发明的主要惯性组件部分，电机控制电路部分，三个舵机以及上位机构成。
通过以上四个部分之间的有机组合来实现三轴转台与三轴稳定平台之间的相互切换从而达到降低成本，一机多用，方便于教学实验的目的。
该仪器的使用原理如下：将电机控制电路与舵机之间的信道中加入阵列式开关，当我们想要使用稳定平台功能时，将信道物理开关闭合，从而让舵机与电机控制电路之间的通信信道保持畅通可以正常的传递动作指令。此时的惯性组件部分将所测量的三个姿态数据传送给电机控制电路以及上位机。电机控制电路对其所输出姿态数据进行解算转换成相应的控制指令传送给电机；上位机负责输出姿态显示部分包括3D显示、曲线显示和数字显示，显示与存储通过串口开关选通或关闭。
当我们想要使用三轴转台功能时，将物理信道开关断开，从而使电机控制电路与电机之间的通信信道关闭，使得舵机无法收到控制电路的动作指令此时的舵机由上位机发出的速度指令进行三轴旋转。惯组部分根据三轴转台的旋转实时进行姿态解算，并将解算的三组数据传回上位机，我们就可以根据惯组部分传回的数据以及由上位机发送给舵机的数据的差异对惯性器件进行标定。
以下是对仪器各部分的简单说明。
惯性组件部分：主要由三个陀螺仪三个加速度计组成，主要用于航向、俯仰、横滚三个姿态的测量，用于稳定平台时将三个姿态分别传给上位机以及电机控制电路用于稳定平台的方向角的校正；当用于三轴转台时其测量的姿态只传送给上位机用于元器件的标定，不传送给电机控制电路。
电机控制电路部分：由一个5V的外接电源以及控制芯片组成，主要用于接收惯组部分所传送的姿态信息并加以解算，最后发出动作指令信号给三个舵机校正旋转角度。
舵机部分：用于稳定平台时接收来自电机控制电路的动作指令信号，对其进行解析校验，然后根据信号做出相应的旋转动作，对平台的角度进行相应的校正。用于三轴转台时可以直接接收来自上位机的信号，且与电机控制电路的信道断开。
上位机部分：其中包括：姿态存储显示部分和转台控制部分。姿态显示部分包括3D显示、曲线显示和数字显示，显示与存储通过串口开关选通或关闭。转台控制部分包括陀螺仪标定、加表标定和扰动基座控制。
阵列式开关：用于切换通信通道，当需要进行模式切换时，阵列式开关可以同时选通或者阻隔多个物理信道。
如图3所示，为本发明提出的结构示意图，具体为三轴速率转台装置1，所述三轴速率转台装置1包括基座11、外框12、中框13、内转子14、上位机及电源接口15、中框电机16、内框电机17、内框轴承18、可伸缩展翼19、MEMS惯性组件110，其中外框电机在基座内部。为了方便教学演示，三轴转台整体尺寸为400*500*500mm左右，但不局限于此。内转子14、中框13、转台外框12彼此正交，通过电机和轴承相连接。可通过上位机软件实现位置控制和速率控制，功能上能实现陀螺仪的动静态标定。
所述内转子14、中框13、外框12分别由内框电机17、中框电机16及外框电机控制，所述内转子14、中框13、外框12依次连接。所述三轴速率转台装置1还包括对装置供电的转台供电装置及转台通信模块，上述的内、中、外框电机通过所述转台通信模块连接所述上位机交互装置。
具体为所述内转子14的任意相对两端连接所述中框13，并所述内转子14可绕两个内转子连接端的轴向方向上转动；
所述中框13非连接内转子14的两侧连接所述外框12，所述中框13绕两个中框连接端的轴向方向转动；
所述外框12整体为“U”型，外框12的底部连接基座11，在所述外框12的底部上延伸出两个连接中框13的外框固定端。
此外内转子14与中框13的连接处装配有导电滑环，中框13与外框14的连接处装配有导电滑环，外框12与基座11的连接处装有导电滑环，方便电信号的传输。
本发明提供的惯性组件部分包括：X轴MEMS陀螺、Y轴MEMS陀螺、Z轴MEMS陀螺，三个陀螺相互正交；X轴MEMS加表、Y轴MEMS加表、Z轴MEMS加表，三个加表相互正交；X轴MEMS磁强计、Y轴MEMS磁强计、Z轴MEMS磁强计，三个磁强计相互正交。9通道ADC将传感器模拟信号转换成数字信号，然后输送到主控制器进行姿态解算得到航向角、俯仰角、横滚角。
三个所述MEMS陀螺、三个所述MEMS加表及三个所述MEMS磁强计同时集成在微小型敏感头上，并所述微小型敏感头设置在所述内转子的一侧面中心处，所述敏感头尺寸在(10-50)*(10-50)mm，所述敏感头表面面积为内框面积的1/10-1/2，在该尺寸下，陀螺仪、加表及磁强计能够准确测量采集数据，并反馈，保证在微小型稳定平台实验教学仪器小尺寸下，同时实现高精度姿态测量。

Claims (4)

1.一种集成三轴转台功能及稳定平台功能的系统，所述系统包括基础平台，其特征在于，所述系统还包括用于测量基础平台姿态信息的惯性组件、接收惯性组件所发送的姿态信息并进行解算的电机控制电路、根据电机控制电路解算的信息进行反馈动作的舵机组件、及具有显示姿态信息和控制舵机功能的上位机组件；
所述上位机组件包括姿态存储显示部分及转台控制部分；
所述姿态存储显示部分接收并存储惯性组件的姿态信息，同时根据姿态信息进行3D显示、曲线显示和数字显示；
所述转台控制部分连接舵机并对舵机进行控制，进而实现陀螺仪标定、加表标定及扰动基座控制；
所述电机控制电路通过阵列式开关连接舵机，所述阵列式开关可由上位机组件控制；当阵列式开关控制信道物理开关闭合时，系统具有稳定平台功能；当阵列式开关控制信道物理开关断开时，系统具有三轴转台功能；
所述电机控制电路与舵机之间的信道中加入阵列式开关，所述信道物理开关闭合，舵机与电机控制电路之间的通信信道保持畅通，并正常的传递动作指令；
惯性组件将所测量的三个姿态数据传送给电机控制电路以及上位机，电机控制电路对所输出姿态数据进行解算转换成控制指令传送给电机；
上位机负责输出姿态显示部分，所述姿态显示部分包括3D显示、曲线显示和数字显示，显示与存储通过串口开关选通或关闭；
在使用三轴转台功能时，将信道物理开关断开，电机控制电路与电机之间的通信信道关闭，舵机无法收到控制电路的动作指令，舵机由上位机发出的速度指令进行三轴旋转；
惯性组件根据三轴转台的旋转实时进行姿态解算，并将解算的三组数据传回上位机，惯性组件传回的数据以及由上位机发送给舵机的数据的差异对惯性器件进行标定；
所述惯性组件包括分别设置在内框转子的三个陀螺仪及三个加表，所述三个陀螺仪及三个加表用于测量内框平台航向、俯仰及横滚三个姿态信息的测量
三个陀螺仪、三个加表、及三个磁强计同时集成在微小型敏感头上，并所述微小型敏感头设置在内转子的一侧面中心处，所述微小型敏感头表面面积为内框面积的1/10至1/2。
2.根据权利要求1所述的一种集成三轴转台功能及稳定平台功能的系统，其特征在于，所述基础平台包括依次相互可转动连接的内框转子、转台中框及转台外框。
3.根据权利要求1所述的一种集成三轴转台功能及稳定平台功能的系统，其特征在于，所述电机控制电路包括电源及控制芯片，所述控制芯片接收航向、俯仰及横滚三个姿态信息，并对姿态信息解析校验，根据解析校验后的信号，舵机对内框转子进行相应的矫正。
4.一种三轴转台到稳定平台的相互切换方法，应用上述权利要求1-3之一所述的一种集成三轴转台功能及稳定平台功能的系统，其特征在于，通过应用阵列式开关对信道物理开关的闭合及打开，实现三轴转台到稳定平台的相互切换。
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