CN108036801B - 视轴惯性稳定参考基准装置 - Google Patents

Abstract

视轴惯性稳定参考基准装置，包括：基座；活动连接件，一端与基座连接；稳定平台单元，与活动连接件的另一端连接，能够相对于基座活动，具有稳定平台和与该稳定平台固定安装的惯性传感组件；调节单元，安装在基座上，用于调节稳定平台相对于基座的实时位置；控制单元，输入端和惯性传感组件连接，输出端和调节单元连接，接收从惯性传感组件发送来的惯性传感信号并经过处理运算后输出控制信号至调节单元供该调节单元进行调节；参考光源，固定安装在稳定平台上，惯性传感组件能够测量稳定平台至少两个空间自由度的角速率以及该稳定平台的姿态变化量，对应的，惯性传感信号为包括稳定平台至少两个空间自由度的角速率以及该稳定平台的姿态变化量。

Description

视轴惯性稳定参考基准装置

技术领域

本发明涉及一种可提供在惯性空间稳定的视轴参考基准装置，属于运动平台捕获、跟踪与瞄准系统视轴稳定技术领域。

背景技术

在天文观测、靶场测量、航天器轨道确定以及激光光束定向器等领域中，为了能观测运动目标或者将激光束投送到运动目标上，需要通过捕获、跟踪与瞄准系统(简称跟瞄系统)驱动望远镜的视轴跟随目标视线一起运动，并将望远镜的视轴与目标视线之间的角偏差控制在允许的范围内，往往要求达到微弧度甚至亚微弧度级的跟瞄精度。随着跟瞄系统在诸多领域的广泛应用，固定于地面静基座的跟瞄系统已不能满足使用要求，一方面跟瞄系统的机动性要求，需要跟瞄系统能随时变更工作地点或在运动的状态下工作；另一方面为避开大气湍流对目标观测或光束传输的影响，或者在空间进行激光通信需要跟瞄系统在高空或外太空工作。

相对于固定于地面静基座跟瞄系统，安装于车辆、舰船、飞机或卫星等运动平台上面临的核心问题是平台的运动和振动会引起跟瞄系统视轴抖动，影响成像质量和光束质量，使跟瞄精度大大降低，严重时甚至使系统无法正常工作。无论是目标的运动还是运动平台基座的抖动，在视轴坐标系中均可等效为目标的运动。通过提高跟瞄系统粗、精跟踪复合轴伺服带宽可以从一定程度上提高扰动抑制能力，但实际工程中受探测器帧频、图像处理速度以及快反镜伺服带宽等硬件条件制约，难以实现足够高的伺服带宽以满足在较恶劣的振动环境下跟瞄精度的要求，这是因为与目标物体的平稳和低频率运动特性相比，运动平台的角振动幅度较小，但频带范围较宽。

发明内容

发明人经过创造性思考和理论演算以及模型仿真计算发现，使用惯性传感器实现惯性空间稳定的视轴参考基准，将跟瞄系统仪器视轴稳定在惯性空间，实现对运动载体振动干扰的隔离后，可大大降低对探测器等硬件条件的要求，该基准装置是实现跟瞄系统在运动平台上较高跟瞄精度的核心。为此本发明提供一种视轴惯性稳定参考基准装置。

本发明提供了一种视轴惯性稳定参考基准装置，用于安装在运动载体的光电跟踪瞄准系统的光学负载上，在对目标物体进行瞄准时提供在惯性空间稳定的参考光并隔离所述运动载体振动干扰的影响，作为所述光电跟踪瞄准系统仪器的视轴对准基准，通过所述光电跟踪瞄准系统内的光路自动准直校正回路使仪器视轴与所述参考光重合从而所述实现仪器视轴与所述运动载体振动的隔离从而使得所述视轴稳定，所述视轴惯性稳定参考基准装置能够接收所述光电跟踪瞄准系统的精跟踪相机探测到的目标脱靶量并实时驱动所述参考光与目标视线平行从而使所述视轴指向所述目标物体，实现对动态的所述目标物体的跟踪瞄准，其特征在于，所述视轴惯性稳定参考基准装置包括：

基座，用于安装在所述运动物体上；

活动连接件，一端与所述基座连接；

稳定平台单元，与所述活动连接件的另一端连接，能够相对于所述基座绕两正交轴向偏转，具有稳定平台和与该稳定平台固定安装的惯性传感组件；

调节单元，安装在所述基座上，用于调节所述稳定平台相对于所述基座的姿态角；

控制单元，输入端和所述惯性传感组件连接，输出端和所述调节单元连接，用于接收从所述惯性传感组件发送来的惯性传感信号，并经过处理运算后输出控制信号至所述调节单元供该调节单元进行调节；以及

所述参考光源，固定安装在所述稳定平台上，用于随着所述稳定平台的活动而改变参考光束的指向，其中，所述惯性传感组件能够能够测量所述稳定平台至少两个正交轴向自由度的角速率以及该稳定平台的姿态变化量，对应的，所述惯性传感信号为包括所述稳定平台至少两个正交轴向自由度的角速率以及该稳定平台的姿态变化量。

本发明提供的视轴惯性稳定参考基准装置中，还可以具有这样的特征：其中，活动连接件为柔性铰链、万向节或球面副机构，其一端和基座固定连接，另一端和稳定平台固定连接。

本发明提供的视轴惯性稳定参考基准装置中，还可以具有这样的特征：其中，所述惯性传感组件为两个单轴陀螺仪，这两个单轴陀螺仪的敏感轴是相互正交的；或所述惯性传感组件为一个双轴陀螺仪，该双轴陀螺仪的两个敏感轴是相互正交的。

本发明提供的视轴惯性稳定参考基准装置中，还可以具有这样的特征：其中，单轴陀螺仪、双轴陀螺仪均为光纤陀螺仪。

本发明提供的视轴惯性稳定参考基准装置中，还可以具有这样的特征：稳定平台为转动惯量尽可能小并具有足够刚度和强度的立方体，其中正交的X、Y面用于安装所述惯性传感组件的两个敏感轴部分，另外一个Z面用于安装所述参考光源。

本发明提供的视轴惯性稳定参考基准装置中，还可以具有这样的特征：其中，调节单元包括a个设置在基座上的致动器，该致动器用于驱动稳定平台进行偏摆；以及a个设置在所述基座上的致动器，该致动器用于驱动所述稳定平台进行偏摆；以及b个设置在所述基座上用于测量对应的所述致动器的位移变化量的位移传感器，a和b为大于或等于3的整数，优选的为a和b为4。

本发明提供的视轴惯性稳定参考基准装置中，还可以具有这样的特征：其中，致动器为音圈电机或压电陶瓷，分布在基座的四个方向上，a个致动器接收到控制单元发出的控制信号后相互配合产生相应的伸缩位移来驱动稳定平台1在两正交自由度上进行偏转运动。

本发明提供的视轴惯性稳定参考基准装置中，还可以具有这样的特征：其中，活动连接件的一端固定连接在基座的几何中心处，另一端牢固定连接在稳定平台的底面的几何中心处，惯性传感组件、参考光源以及稳定平台的整体的质心位于稳定平台1绕活动连接件的旋转中心。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的视轴惯性稳定参考基准装置，因为活动连接件能够将基座和稳定平台单元活动的连接起来；稳定平台单元具有稳定平台和与该稳定平台固定安装的惯性传感组件，能够测量稳定平台至少两个正交自由度的角速率以及该稳定平台的姿态变化量并能够相对于基座活动；调节单元安装在基座上，能够调节稳定平台相对于基座的实时位置；控制单元能够接收从惯性传感组件发送来的惯性传感信号，并经过处理运算后输出控制信号至调节单元供该调节单元进行调节，所以本发明的技术方案可以通过惯性传感组件测量出运动平台振动引起的参考光源和稳定平台在惯性空间两自由度的角速率和姿态变化，通过控制单元中的伺服控制电路的速度环闭环回路，以相应的控制策略产生调节单元的执行命令，驱动稳定平台绕活动连接件产生精确的偏摆转角，补偿运动平台振动引起稳定平台的抖动，使参考光源始终指向惯性轴，从而实现参考光源与运动平台振动的隔离。

进一步，本发明提出的跟踪瞄准设备具有内光路自动准直校正回路，通过实时校正使仪器视轴与参考光重合，最终实现目标跟踪不受运动平台振动环境的影响。从而实现仪器视轴与运动载体振动的隔离，达到很高的视轴稳定精度。

更进一步，本发明提出的跟踪瞄准设备根据精跟踪相机发来的目标脱靶量信息，通过伺服控制电路的闭环回路，控制平台偏摆抵消脱靶量误差，使参考光指向与目标视线相互重合，最终实现目标跟踪不受运动平台振动环境的影响。

更进一步，由此可实现跟瞄系统从地基静基座应用扩展到车载、舰载、机载和星载等动基座应用，可有效抑制车辆、舰船、飞行器或卫星等运动平台的振动环境引起的跟瞄系统视轴抖动，提高了影响成像质量和光束质量，实现高精度稳定跟瞄，极大拓展了跟瞄系统的应用领域。

附图说明

图1是本发明的实施例中的视轴惯性稳定参考基准装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的视轴惯性稳定参考基准装置的结构、组成以及工作原理、使用方法作具体阐述。

图1是本发明的实施例中的视轴惯性稳定参考基准装置的结构示意图。

视轴惯性稳定参考基准装置100，用于安装在运动载体的跟瞄系统上，在对目标物体进行瞄准时进行参考光源的校正而使得参考光源与目标视线相吻合，具有基座10、活动连接件20、稳定平台单元30、调节单元40、控制单元50、参考光源60。

基座10，为金属方形板，四角具有四个安装孔，用于安装在运动物体上，其上安装有活动连接件20、调节单元40，并提供整个装置和外部其他仪器连接的电气通讯接口。

活动连接件20，用于将稳定平台单元30活动的连接在基座10上，可以为柔性铰链、万向节或球面副机构。本实施例采用柔性铰链，该柔性铰链连接稳定平台单元30和基座10的几何中心，为稳定平台单元30提供可X、Y轴两个自由度小范围偏转的弹性支承，其一端和基座10的几何中心固定连接，另一端和稳定平台单元30的底面固定连接。

稳定平台单元30，与活动连接件的另一端连接，能够相对于基座活动，具有稳定平台31和与该稳定平台固定安装的惯性传感组件32。

稳定平台31为参考光源60和惯性传感组件32的安装载体，通过结构设计应尽可能使参考光源60和惯性传感组件32布局紧凑，转动惯量尽可能小，尽量使得惯性传感组件32、参考光源60以及稳定平台31的整体的质心位于稳定平台31的几何中心以利于转动力矩平衡。

本实施例中稳定平台31为转动惯量尽可能小并具有足够刚度和强度的立方体，其中正交的X、Y面用于安装惯性传感组件32的两个轴(X、Y轴)部分，另外一个Z面用于安装参考光源60。

惯性传感组件32能够测量稳定平台31至少两个空间自由度的角速率以及该稳定平台的姿态变化量，本实施例的惯性传感组件32能够测量稳定平台31的两个空间自由度(X轴和Y轴)的角速率以及该稳定平台的姿态变化量，为一个双轴的光纤陀螺仪，该双轴陀螺仪的两个测量轴(X轴和Y轴)是相互正交的，如图1所示，该双轴陀螺仪的两个测量环体部分就安装在稳定平台31的正交的X、Y面。

调节单元40，安装在基座10上，用于调节稳定平台相对于基座的实时位置，包括a个致动器41、b个位移传感器42。

a个致动器41设置在基座10的四个方向上，用于驱动稳定平台进行偏摆，如图1所示，致动器41的数目为4个，分别设置在方形的基座10的四个边角上。考虑到三点定面的几何原理，3个或更多个都是可以的，实际上出于解耦的考虑，优选为4个。致动器41为音圈电机或压电陶瓷，分布在基座的四个方向上，a个致动器41接收到控制单元50发出的控制信号后相互配合产生相应的伸缩位移来驱动稳定平台31在两正交自由度上进行偏转运动。

b个一一对应设置在基座10上，用于测量对应的致动器的位移变化量的位移传感器42，用于测量致动器41的运动行程，作为控制单元50中的伺服控制电路的反馈信号实现对致动器41的闭环控制。

控制单元50，输入端和惯性传感组件32以及位移传感器42连接，输出端和调节单元40的致动器41连接，用于接收从惯性传感组件32发送来的惯性传感信号，并经过处理运算后输出控制信号至调节单元40供该调节单元进行调节，惯性传感信号包括稳定平台31至少两个空间自由度的角速率以及该稳定平台的姿态变化量。

本实施例中控制单元50是伺服控制电路，该伺服控制电路用于陀螺仪、位移传感器信号采集处理，以及精跟踪相机脱靶量信号的接收，通过相应的控制策略产生致动器41的执行命令，包括位置环闭环回路和速度环闭环回路。控制单元50既可以如本实施例的图1那样安装于装置上，也可以与装置分离安装，通过导线进行通讯和供电连接。

参考光源60，固定安装在稳定平台31的Z面，用于随着稳定平台31的活动而改变向目标物体发射的参考光束的指向，为激光光源，可发射参考激光束至望远镜，通过库德光路传递，作为跟瞄系统仪器视轴的参考基准。

整个装置的控制过程：

通过光纤陀螺仪测量出运动平台振动引起的参考光源60和稳定平台31在惯性空间两自由度的角速率和姿态变化，通过伺服控制电路的速度环闭环回路，以相应的控制策略产生致动器41的执行命令，驱动稳定平台31绕柔性铰链产生精确的偏摆转角，补偿运动平台振动引起稳定平台31的抖动，使参考光源60始终指向惯性轴，从而实现参考光源与运动平台振动的隔离。

的位移传感器42用于测量致动器41的运动行程，作为伺服控制电路的反馈信号实现对致动器41的闭环控制。

进一步，本实施例还提供一种跟踪瞄准设备，用于安装在运动载体跟瞄系统上对目标物体进行跟踪瞄准，包括用于观察目标物体并获取目标脱靶量信息的精跟踪相机以及在对目标物体进行瞄准时进行参考光源的校正而使得参考光源与目标视线相吻合的瞄准参考基准装置100，控制单元50根据接收到的由精跟踪相机发来的目标脱靶量信息产生相应的执行命令信号，调节单元40中的制动器41根据执行命令信号进行动作来驱动稳定平台31进行偏转，从而调节参考光源60向目标物体发射的参考光束的指向，该参考激光束被注入望远镜，通过库德光路传递，从而作为跟踪瞄准设备视轴的参考基准，使得目标视线与参考光束的指向相吻合。

更进一步，本实施例还提供一种车辆、舰船、飞行器或卫星，其特征在于安装有实施例中的的视轴惯性稳定参考基准装置或实施例中的跟踪瞄准设备用于进行跟踪瞄准。

根据精跟踪相机发来的目标脱靶量信息，通过控制单元50的位置环闭环回路，以相应的控制策略产生致动器41的执行命令，驱动稳定平台31绕柔性铰链产生精确的偏转，抵消目标运动引起的脱靶量偏差，使目标视线与已经在惯性空间稳定的参考光源指向相互重合，从而完成对目标的跟踪瞄准。

通过本发明，可使跟瞄系统从地基静基座应用扩展到车载、舰载、机载和星载等动基座应用，极大拓展了跟瞄系统的应用领域。

实施例的作用与效果

通过实验证明本实施例提供的视轴惯性稳定参考基准装置能够补偿运动平台振动引起稳定平台的抖动，使参考光源始终指向惯性轴，从而实现参考光源与运动平台振动的隔离。

根据本实施例所涉及的视轴惯性稳定参考基准装置，因为活动连接件能够将基座和稳定平台单元活动的连接起来；稳定平台单元具有稳定平台和与该稳定平台固定安装的惯性传感组件，能够测量稳定平台至少两个空间自由度的角速率以及该稳定平台的姿态变化量并能够相对于基座活动；调节单元安装在基座上，能够调节稳定平台相对于基座的实时位置；控制单元能够接收从惯性传感组件发送来的惯性传感信号，并经过处理运算后输出控制信号至调节单元供该调节单元进行调节，所以本发明的技术方案可以通过惯性传感组件测量出运动平台振动引起的参考光源和稳定平台在惯性空间两自由度的角速率和姿态变化，通过控制单元中的伺服控制电路的速度环闭环回路，以相应的控制策略产生调节单元的执行命令，驱动稳定平台绕活动连接件产生精确的偏摆转角，补偿运动平台振动引起稳定平台的抖动，使参考光源始终指向惯性轴，从而实现参考光源与运动平台振动的隔离。

因为活动连接件为柔性铰链，能够为稳定平台31提供可两自由度小范围偏转的弹性支承，能够绕轴作复杂运动的有限角位移，具有无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高的特定，所以能够适应天文观测、靶场测量、航天器轨道确定以及激光光束定向器等领域中中的目标平稳和低频率运动特性。

因为单轴陀螺仪、双轴陀螺仪均为光纤陀螺仪，其无活动部件--高速转子，零部件少，仪器牢固稳定，具有较强的抗冲击和抗加速运动的能力；绕制的光纤较长，使检测灵敏度和分辨率比常规的激光陀螺仪提高了好几个数量级，因此特别适合天文观测、靶场测量、航天器轨道的跟瞄系统，仅仅通过改变绕制的光纤的圈数，就可以实现灵敏度的调节。

另外，本实施例的稳定平台为立方体，其中正交的X、Y面的镂空用于安装惯性传感组件的两个轴部分，另外一个Z面的镂空用于安装参考光源，这样的设计结果使得作为惯性传感组件(包括陀螺仪和线性加速器)的光纤陀螺仪的结构安装稳固，而且由于具有调节单元的调节使得对振动和抖动特别敏感的光纤陀螺仪获得了稳定坚固的使用环境，进一步加强了陀螺仪的灵敏度。

优选的，稳定平台31为参考光源60和惯性传感组件32的安装载体，通过结构设计应尽可能使参考光源60和惯性传感组件32布局紧凑，转动惯量尽可能小，尽量使得惯性传感组件32、参考光源60以及稳定平台31的整体的质心位于稳定平台31的几何中心以利于转动力矩平衡，由于采用三面镂空的立方体设计不仅安装方便而且转动力矩也更平衡，更平稳。

因为致动器为音圈电机或压电陶瓷，通过电流来直接驱动产生微小的形变来改变稳定平台的偏摆，响应快，适合需要快速响应的车辆、舰船、飞行器或卫星等高速运动物体。

进一步，本实施例提出的跟踪瞄准设备根据精跟踪相机发来的目标脱靶量信息，通过伺服控制电路的位置环闭环回路，控制平台偏摆抵消脱靶量误差，使目标视线与惯性空间稳定的参考光源指向相互重合，最终实现目标跟踪不受运动平台振动环境的影响。

更进一步，由此可实现跟瞄系统从地基静基座应用扩展到车载、舰载、机载和星载等动基座应用，使得安装有视轴惯性稳定参考基准装置或跟踪瞄准设备的车辆、舰船、飞行器或卫星等运动平台平台的运动和振动不会影响跟瞄系统视轴抖动，提高了影响成像质量和光束质量，使跟瞄精度得到提高，使得上述运动平台上的跟瞄系统能够正常工作，极大拓展了跟瞄系统的应用领域。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种视轴惯性稳定参考基准装置，用于安装在运动载体的光电跟踪瞄准系统的光学负载上，在对目标物体进行瞄准时提供在惯性空间稳定的参考光并隔离所述运动载体振动干扰的影响，作为所述光电跟踪瞄准系统仪器的视轴对准基准，通过所述光电跟踪瞄准系统内的光路自动准直校正回路使仪器视轴与所述参考光重合从而实现仪器视轴与所述运动载体振动的隔离从而使得所述视轴稳定，

所述视轴惯性稳定参考基准装置能够接收所述光电跟踪瞄准系统的精跟踪相机探测到的目标脱靶量并实时驱动所述参考光与目标视线平行从而使所述视轴指向所述目标物体，实现对动态的所述目标物体的跟踪瞄准，其特征在于，所述视轴惯性稳定参考基准装置包括：

基座，用于安装在所述运动载体上；

活动连接件，一端与所述基座连接；

稳定平台单元，与所述活动连接件的另一端连接，能够相对于所述基座绕两正交轴向偏转，具有稳定平台和与该稳定平台固定安装的惯性传感组件；

调节单元，安装在所述基座上，用于调节所述稳定平台相对于所述基座的姿态角；

所述调节单元包括

a个设置在所述基座上的致动器，该致动器用于驱动所述稳定平台进行偏摆；以及

b个设置在所述基座上用于测量对应的所述致动器的位移变化量的位移传感器，

a和b为大于或等于3的整数；

控制单元，输入端和所述惯性传感组件连接，输出端和所述调节单元连接，用于接收从所述惯性传感组件发送来的惯性传感信号，并经过处理运算后输出控制信号至所述调节单元供该调节单元进行调节；以及

参考光源，固定安装在所述稳定平台上，用于随着所述稳定平台的活动而改变所述参考光的指向，

其中，所述惯性传感组件能够测量所述稳定平台至少两个正交轴向自由度的角速率以及该稳定平台的姿态变化量，

对应的，所述惯性传感信号为包括所述稳定平台至少两个正交轴向自由度的角速率以及该稳定平台的姿态变化量。

2.根据权利要求1所述的视轴惯性稳定参考基准装置，其特征在于：

其中，所述活动连接件为柔性铰链、万向节或球面副机构，其一端和所述基座固定连接，另一端和所述稳定平台固定连接。

3.根据权利要求1所述的视轴惯性稳定参考基准装置，其特征在于：

其中，所述惯性传感组件为两个单轴陀螺仪，这两个单轴陀螺仪的敏感轴是相互正交的；或

所述惯性传感组件为一个双轴陀螺仪，该双轴陀螺仪的两个敏感轴是相互正交的。

4.根据权利要求3所述的视轴惯性稳定参考基准装置，其特征在于：

其中，所述单轴陀螺仪、所述双轴陀螺仪均为光纤陀螺仪。

5.根据权利要求3所述的视轴惯性稳定参考基准装置，其特征在于：

其中，所述稳定平台为转动惯量尽可能小并具有足够刚度和强度的立方体，其中正交的X、Y面用于安装所述惯性传感组件的两个敏感轴部分，另外一个Z面用于安装所述参考光源。

6.根据权利要求1所述的视轴惯性稳定参考基准装置，其特征在于：

其中，所述致动器为音圈电机或压电陶瓷，分布在所述基座的四个方向上，

a个所述致动器接收到所述控制单元发出的所述控制信号后相互配合产生相应的伸缩位移来驱动稳定平台在两正交自由度上进行偏转运动。

7.根据权利要求1所述的视轴惯性稳定参考基准装置，其特征在于：

其中，所述活动连接件的一端固定连接在所述基座的几何中心处，另一端牢固定连接在所述稳定平台的底面的几何中心处，

所述惯性传感组件、所述参考光源以及所述稳定平台的整体的质心位于所述稳定平台绕活动连接件的旋转中心。

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