CN106227245B - 提高二轴转台跟踪精度的电致伸缩微动结构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了提高二轴转台跟踪精度的电致伸缩微动结构及其控制方法，包括俯仰基座和回转基座，俯仰基座与回转基座之间设置有支撑轴，支撑轴一端固定在俯仰基座的中心位置，另一端设置有滚动轴承，滚动轴承设置在回转基座的中心位置；所述俯仰基座上安装有控制其进行俯仰调节的俯仰电致伸缩元件，回转基座上安装有控制其进行绕中心旋转的旋转电致伸缩元件，本发明结构简单，方法简单易行，可以实现对二轴跟踪转台的回转角和俯仰角进行精细调节，不但使得视轴精度达到角秒范围，并且该精度调节是可控的。

Description

提高二轴转台跟踪精度的电致伸缩微动结构及其控制方法

技术领域

本发明属于二轴跟踪转台技术领域，尤其涉及一种提高二轴转台跟踪精度的电致伸缩微动结构及其控制方法。

背景技术

随着对太空资源争夺的日益激烈，争夺空间信息权成为关键，对空间目标进行监视、确定最新的空间目标分布情况，具有重要战略意义，将二轴跟踪转台搭载于不同的航天航空载体构成天基二轴跟踪转台，它是开展空间光通信、空间目标监测、对地精确观测、科学目标探测以及空间武器瞄准系统等工作的有效手段，二轴跟踪转台精度的高低直接影响到了系统功能的实现。转动副作为二轴跟踪转台中主要的运动副，普遍采用滚动轴承作为主支撑部件，滚动体与内外圈、保持架之间的摩擦对二轴跟踪转台精度有显著影响，特别是低速运动时，轴承的启动力矩和运转力矩波动大，加上摩擦力矩的非线性，使得控制系统无法实现快速平稳的运动调节。

目前提高二轴跟踪转台跟踪精度的方法主要集中在两方面：转动副减摩设计和控制系统优化。前者的具体措施涵盖新型润滑剂、自润滑涂层、高硬涂层等，有研究人员引入MoS₂、WC-12Co等涂层来达到轴承减摩目的，局限性在于操作难度大且精度难以大幅提升。后者的具体措施涵盖高精度控制器、新型控制算法、摩擦补偿控制等，有研究者提出self-turning控制器、滑模控制、基于LuGre摩擦模型的自适应补偿方法来提高系统精度，局限性在于控制方面的改进终究受制于机械部件的摩擦情况，难以从本质上达到精度提升的目的。

目前，国内二轴跟踪转台的精度约为40″，如果将精度提升到角秒范围内将大大提升空间目标的监测能力，具有较大的潜在应用价值。

发明内容

针对上述二轴跟踪转台精度提升难度大且不可控的缺陷，提供一种提高二轴转台跟踪精度的电致伸缩微动结构及其控制方法，本发明的调节精度达到了角秒范围内。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提高二轴转台跟踪精度的电致伸缩微动结构，包括俯仰基座和回转基座，俯仰基座与回转基座之间设置有支撑轴，支撑轴一端固定在俯仰基座的中心位置处，另一端安装有滚动轴承，滚动轴承设置在回转基座的中心位置处；所述俯仰基座上安装有控制其进行俯仰调节的俯仰电致伸缩元件，回转基座上安装有控制其进行绕中心旋转的旋转电致伸缩元件。

所述俯仰电致伸缩元件设置在俯仰基座底部，包括距俯仰基座中心距离相等且均匀分布的多个俯仰电致伸缩元件。

所述俯仰电致伸缩元件的个数为3个，俯仰基座通过俯仰电致伸缩元件安装在二轴转台上的安装面上。

所述回转基座上设置有凸台，俯仰基座上设置有与凸台相对的安装板，旋转电致伸缩元件安装在凸台与安装板之间。

所述回转基座上设置有两凸台，两凸台位于回转基座同一直径线的两端，所述安装板内侧面为弧形面，弧形面的中心轴线与回转基座的中心轴线重合。

两旋转电致伸缩元件反向安装在凸台上，所述滚动轴承为高精度滚动轴承。

所述俯仰基座和回转基座均采用圆盘型结构设计，且相互平行设置。

各伸缩元件的驱动电压由同一直流电源并联接出，并通过控制信号和电压调节器精准调节各自电压值。

提高二轴转台跟踪精度的电致伸缩微动结构的控制方法，包括如下步骤：

第一步：分别以各自基座圆心为原点，建立俯仰基座和回转基座的初始坐标系，得到各电致伸缩元件的坐标，且建立的坐标系与二轴转台的安装平面平行；

第二步：对于给定的角度位置，计算出俯仰角和回转角，先由二轴转台执行快速运动调节，然后，根据高精度角度编码器测量得到与目标俯仰角和回转角的差值，再由微动结构执行小范围内的高精度的运动，若目标俯仰角和回转角小于40″，则直接由微动结构完成全部运动；

第三步：建立俯仰角和回转角与电致伸缩元件伸缩量的关系，对于俯仰角与伸缩量的关系，首先得到视轴轴线在坐标系内的投影线，得到三个伸缩元件与投影线之间的角度关系，再结合第二步中得到的微动结构需要动作的俯仰角，根据三角关系得到各伸缩元件的伸缩量，回转角与电致伸缩元件伸缩量之间的关系与此类似；

第四步：根据计算得到的伸缩量，自动调节控制信号和电压调节信号，改变各伸缩元件的驱动电压，得到需要的伸长量，完成微动结构的运动控制。

当俯仰基座上均匀分布的3个电致伸缩元件P₁、P₂和P₃处于半径为R的圆周上，其提高俯仰角精度的步骤如下；

第一步：建立俯仰基座上电致伸缩元件位置的初始坐标系X₀OY₀，为使得角度关系计算简便，使某一伸缩元件P₂位于X₀轴上，三个伸缩元件是实现俯仰微调的最优组合，少于三个不能实现调节，多于三个会造成角度关系的变换复杂并导致计算繁琐；

第二步：当微动结构执行运动前，得到二轴转台视轴在X₀OY₀平面内的投影线Xe，分析得到投影线与X₀轴夹角α，从三个伸缩元件安装中心处分别做投影线Xe的垂直线P₁Q₁、P₂Q₂和P₃Q₃，若微动结构所需动作的俯仰角为β，偏转后基座平面内O、P₁、P₂和P₃对应点为O′、P₁′、P₂′和P₃′，P₁Q₁＝P₁′Q₁，P₂Q₂＝P₂′Q₂，P₃Q₃＝P₃′Q₃，其大小为：

电致伸缩元件的伸缩量P₁P₁′、P₂P₂′和P₃P₃′分别为：

第三步：现有二轴跟踪转台视轴精度为X，即通过二轴跟踪转台可使精度达到X，在精度达到X前提下，为使精度提高到现有的n倍，可得到β＝X/n，带入上述方程，即可得到俯仰基座上三个电致伸缩元件的最小伸缩量，方位基座上只需两个伸缩元件即可实现高精度回转，若伸缩元件在凸台上的安装点距回转基座中心距离为R，回转角为β，则两个伸缩元件的伸缩量为一个伸长、另一个收缩；

第四步：根据计算得到的伸缩量，自动调节控制信号和电压调节信号，改变各伸缩元件的驱动电压，得到需要的伸长量，完成微动结构的运动控制。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明通过在现有二轴跟踪转台上叠加一个电致伸缩微动结构，通过微动结构中的伸缩元件伸缩量与二轴跟踪转台的俯仰角和回转角的关系，根据需要的视轴精度分析得到各电致伸缩元件的伸缩量及其对应的调节电压，再由控制信号和电压调节器调节伸缩元件的输入电压，从而得到需要的视轴精度，该方法简单易行，避免了摩擦对精度调节的不利影响，可以精确地的对二轴跟踪转台的回转角和俯仰角进行调节，不但可使视轴精度达到角秒范围，且该精度调节是可控的。

进一步的，所述俯仰电致伸缩元件的个数为3个，3个伸缩元件是实现俯仰微调的最优组合，少于3个无法实现调节，多于3个则会造成角度关系的变换复杂并导致计算繁琐。

进一步的，回转基座上设置有两凸台，两凸台位于回转基座同一直径线的两端，安装板内侧面为弧形面，弧形面的中心轴线与回转基座的中心轴线重合，保证回转电致伸缩元件动作时不会产生附加力矩，避免影响到回转基座的调节精度。

进一步的，俯仰基座和回转基座均采用圆盘型结构设计，且相互平行设置，两基座的中心轴线重合设计使得两回转电致伸缩元件的伸缩量大小一样，控制系统设计会得到一定简化。

附图说明

图1为本发明提出的电致伸缩微动结构示意图；

图2为本发明提出的电致伸缩微动结构示意图；

图3为本发明提出的致伸缩微动结构与已有二轴转台的安装示意图；

图4为引入微动结构后二轴跟踪转台的运动控制原理图；

图5为三个伸缩元件调节俯仰角的原理图；

图中1、7、8、10和11为电致伸缩元件，2为俯仰基座，3为高刚度支撑柱，4为回转基座，5为弧形安装板，6为压电晶体安装凸台，9为高精度滚动轴承，12为执行部件(相机等)，13为电致伸缩微动结构，14为电致伸缩微动结构在已有二转转台上的安装面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。

如图1和2所示，为本发明所述的电致伸缩微动结构，电致伸缩微动结构包含两层圆形基座：第一层俯仰基座2和第二层回转基座4，三个电致伸缩元件1、10、11作为俯仰电致伸缩元件均匀安装在俯仰基座2的下方，伸缩元件另一端与已有二轴转台相联接，两个电致伸缩元件7和8作为旋转电致伸缩元件安装在回转基座4直径两端的凸台6上，并将伸缩元件一端固定在弧形安装板5上，弧形安装板5中心轴线与回转基座4的中心轴线重合；

高刚度支撑柱3焊接在第一层基座2的中心处或直接一次性整体加工得到基座2和支撑柱3，高刚度支撑柱3另一端安装高精度滚动轴承9，滚动轴承9的外圈安装在第二层圆形基座4中，保证第二层基座4可绕中心做微幅旋转运动；系统运行过程中，通过控制信号和电压调节器控制伸缩元件1、10、11的伸缩量可以实现俯仰角的精细调节，调节伸缩元件7和8可以实现回转角的精细调节，由于电致伸缩元件的位移精度可以精细调节，使得系统的角运动精度将得到大幅提升。

图3为本发明提出的电致伸缩微动结构与已有二轴转台的安装位置关系，已有二轴系统的回转运动和俯仰运动可以实现大范围内的快速响应，电致伸缩微动结构13(即本发明)可以实现小范围的高精度运动，两者协同控制下可以实现系统精度增长，电致伸缩微动结构13安装在已有二轴转台的摇篮结构的安装面14上，现有技术中安装面14与执行部件12直接相连，本发明引入电致伸缩微动结构13后，执行部件12安装在电致伸缩微动结构13的回转基座4上表面。

图4给出了引入电致伸缩微动结构后二轴跟踪转台的角度控制原理，当回转运动或俯仰运动的范围小于40″(已有二轴转台的精度指标)时，运动由微动结构执行，当回转运动或俯仰运动的范围大于40″时，先有已有二轴转台快速运动到其精度范围内，通过高精度角度编码器测得与目标值误差(＜40″)后再由微动结构继续执行运动到目标位置处，若目标俯仰角或回转角小于40″，则直接由微动结构完成全部运动。

图5为俯仰基座下方三个电致伸缩元件1、10、11实现俯仰角精细调节的原理，图中P₁、P₂和P₃即为电致伸缩元件1、10、11在俯仰基座上的位置，均匀分布的3个电致伸缩元件P₁、P₂和P₃处于半径为R的圆周上，其提高俯仰角精度的原理如下；

第一步：建立俯仰基座上电致伸缩元件位置的初始坐标系X₀OY₀，为使得角度关系计算简便，使某一伸缩元件P₂位于X₀轴上，三个伸缩元件是实现俯仰微调的最优组合，少于三个不能实现调节，多于三个会造成角度关系的变换复杂并导致计算繁琐，初始坐标系必须保证与二轴转台的安装平面平行，该安装平面一般在卫星等载体上；

第二步：当微动结构执行运动前，得到二轴转台视轴在X₀OY₀平面内的投影线Xe，分析得到投影线与X₀轴夹角α，从三个伸缩元件安装中心处分别做投影线Xe的垂直线P₁Q₁、P₂Q₂和P₃Q₃，若微动结构所需动作的俯仰角为β，偏转后基座平面内O、P₁、P₂和P₃对应点为O′、P₁′、P₂′和P₃′，P₁Q₁＝P₁′Q₁，P₂Q₂＝P₂′Q₂，P₃Q₃＝P₃′Q₃，其大小为：

电致伸缩元件的伸缩量P₁P₁′、P₂P₂′和P₃P₃′分别为：

第三步：现有二轴跟踪转台视轴精度为X，即通过二轴跟踪转台可使精度达到X，在精度达到X前提下，为使精度提高到现有的n倍，可得到β＝X/n，带入上述方程，即可得到俯仰基座上三个电致伸缩元件的最小伸缩量。方位基座上只需两个伸缩元件即可实现高精度回转，若伸缩元件在凸台上的安装点距回转基座中心距离为R，回转角为β，则两个伸缩元件的伸缩量为一个伸长、另一个收缩；

第四步：根据计算得到的伸缩量，自动调节控制信号和电压调节信号，改变各伸缩元件的驱动电压，得到需要的伸长量，完成微动结构的运动控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (2)

1.提高二轴转台跟踪精度的电致伸缩微动结构的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：分别以各自基座圆心为原点，建立俯仰基座和回转基座的初始坐标系，得到各电致伸缩元件的坐标，且建立的坐标系与二轴转台的安装平面平行；

第二步：对于给定的角度位置，计算出俯仰角和回转角，先由二轴转台执行快速运动调节，然后，根据高精度角度编码器测量得到与目标俯仰角和回转角的差值，再由微动结构执行小范围内的高精度的运动，若目标俯仰角和回转角小于40″，则直接由微动结构完成全部运动；

第三步：建立俯仰角和回转角与电致伸缩元件伸缩量的关系，对于俯仰角与伸缩量的关系，首先得到视轴轴线在坐标系内的投影线，得到三个伸缩元件与投影线之间的角度关系，再结合第二步中得到的微动结构需要动作的俯仰角，根据三角关系得到各伸缩元件的伸缩量，回转角与电致伸缩元件伸缩量之间的关系与此类似；

第四步：根据计算得到的伸缩量，自动调节控制信号和电压调节信号，改变各伸缩元件的驱动电压，得到需要的伸长量，完成微动结构的运动控制。

2.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于：当俯仰基座上均匀分布的3个电致伸缩元件P₁、P₂和P₃处于半径为R的圆周上，其提高俯仰角精度的步骤如下；

第一步：建立俯仰基座上电致伸缩元件位置的初始坐标系X₀OY₀，为使得角度关系计算简便，使某一伸缩元件P₂位于X₀轴上，三个伸缩元件是实现俯仰微调的最优组合，少于三个不能实现调节，多于三个会造成角度关系的变换复杂并导致计算繁琐；

第二步：当微动结构执行运动前，得到二轴转台视轴在X₀OY₀平面内的投影线Xe，分析得到投影线与X₀轴夹角α，从三个伸缩元件安装中心处分别做投影线Xe的垂直线P₁Q₁、P₂Q₂和P₃Q₃，若微动结构所需动作的俯仰角为β，偏转后基座平面内O、P₁、P₂和P₃对应点为O′、P₁′、P₂′和P₃′，P₁Q₁＝P₁′Q₁，P₂Q₂＝P₂′Q₂，P₃Q₃＝P₃′Q₃，其大小为：

电致伸缩元件的伸缩量P₁P₁′、P₂P₂′和P₃P₃′分别为：

第三步：现有二轴跟踪转台视轴精度为X，即通过二轴跟踪转台可使精度达到X，在精度达到X前提下，为使精度提高到现有的n倍，可得到β＝X/n，带入上述方程，即可得到俯仰基座上三个电致伸缩元件的最小伸缩量，方位基座上只需两个伸缩元件即可实现高精度回转，若伸缩元件在凸台上的安装点距回转基座中心距离为R，回转角为β，则两个伸缩元件的伸缩量为一个伸长、另一个收缩；

第四步：根据计算得到的伸缩量，自动调节控制信号和电压调节信号，改变各伸缩元件的驱动电压，得到需要的伸长量，完成微动结构的运动控制。