CN109099833A - 一种用于轻小型稳定平台的轴系角度零位确定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于轻小型稳定平台的轴系角度零位确定的方法，该方法通过采用单霍尔感应装置与单磁铁相配合，伺服控制器驱动轴系转动后，在磁铁与单霍尔感应装置于同位置相对运动时，采集角度信号值和轴系角度值，重新确定稳定平台的零位，该方法有效地减小轴系直径和稳定平台的重量，在相同力矩驱动条件下避免了减速齿轮参与而造成增量式编码器无法确定轴系零位的问题。进一步地，本发明还提供一种与该方法相应的用于轻小型稳定平台的轴系角度零位确定的系统。

Description

一种用于轻小型稳定平台的轴系角度零位确定方法及系统

技术领域

本发明涉及伺服控制系统的技术领域，具体涉及一种用于轻小型稳定平台的轴系角度零位确定方法及系统。

背景技术

近年来，随着轻小型飞行器的应用领域地不断扩展，轻小型稳定平台的市场需求越来越多。轻小型稳定平台的主要应用领域包括：安防领域、消防领域、监控领域等。相对一般的稳定平台而言，轻小型稳定平台具有体积小、重量轻等优点。轻小型稳定平台的内部结构设计紧凑，电路单元具有集成化和小型化的特点。

普通稳定平台由于其自身体积较大且重量要求不苛刻，对稳定平台的控制单元以及执行单元只有功能性方面的要求，而没有体积重量方面的要求。目前，普通稳定平台一般采用力矩电机配合绝对式编码器的设计方案。如图1所示，普通稳定平台轴系绝对式角度零位结构俯视示意图。稳定平台10包括固定上支撑板11，转动轴系12，绝对式编码器13，右机械限位14和左机械限位15。绝对式编码器13安装于稳定平台转动轴系12，并因其自身具有绝对零位，只需在安装时确保编码器13绝对零位与平台轴系12零位安装一致(即平台轴系零位与飞行器运动坐标系一致)即可。如果使用无绝对零位的增量式编码器时，在轴系运动范围两端上安装限位信号，稳定平台上电初始化时，轴系转动分别接受两端信号求和平均得到零。上述方案有效的解决了稳定平台轴系零位确定的问题，是现在稳定平台多采用的方式。

由于轻小型稳定平台结构空间的限制，轻小型稳定平台无法采用力矩电机与绝对式编码器的设计方案。为了在保证有效执行力矩的前提下缩小电机体积，轻小型稳定平台采用具有高减速比的伺服电机。具有高减速比的伺服电机的电机尾端具有编码器，在电机转动时带动编码器码盘转动输出数值。具有高减速比的伺服电机的电机内部具有减速齿轮，造成电机轴系转动一圈，尾端编码器转动相应放大圈数，这样造成绝对式编码器也无法确定其角度零位。进一步地，由于采用普通稳定平台两端电限位的方式又受到体积和重量的限制，因此，普通稳定平台轴系角度零位的确定方法无法适用于轻小型稳定平台。

因此，由于普通稳定平台轴系角度零位确定方法不适用于结构紧凑的轻小型稳定平台的轴系角度零位确定，需提供了一种适用于结构紧凑的轻小型稳定平台的轴系角度零位确定的方法及系统。

发明内容

针对轻小型稳定平台的轴系零位确定无法直接采用现有的普通稳定平台的轴系零位确定方法的问题，本发明实施例提出一种适用于结构紧凑的轻小型稳定平台的轴系角度零位确定的方法及系统。本发明实施例通过在轻小型稳定平台轴系的机械限位前安装单霍尔感应装置，在转动轴系上安装磁铁，磁铁随轴系转动并在接近机械限位时，划过霍尔感应装置，在此运动过程中，伺服控制器采集信号，重新确定稳定平台的轴系零位。本发明实施例的方法减小了稳定平台轴系直径和平台重量，在减速齿轮增大驱动力矩的前提下，避免了零位无法确定的问题，且提高了轻小型稳定平台轴系角度零位确定的准确性。

本发明一种用于轻小型稳定平台的轴系角度零位确定系统的具体方案如下：一种用于轻小型稳定平台的轴系角度零位确定系统包括：固定上支撑板，用于固连在飞行器上；增量式编码器，所述增量式编码器的外环安装于所述固定上支撑板的第一面上，用于感测转动的角度数值；伺服控制器，用于接收角度数值并根据所述角度数值计算获得零位信息；信号传输线，用于连接所述增量式编码器和伺服控制器；机械限位，安装于所述固定上支撑板的第二面上，用于限制轴系的转动角度；转动轴承，安装于所述固定上支撑板的第二面上；转动轴系，与所述转动轴承连接，用于围绕所述转动轴承转动；霍尔感应装置，安装于所述固定上支撑板的第二面上且位于所述机械限位的前端；磁铁，安装于所述转动轴系上。

优选地，所述固定上支撑板的第一面和所述固定上支撑板的第二面位置相背。

优选地，所述增量式编码器的内环与所述转动轴系连接，所述内环随所述转动轴系围绕所述转动轴承进行相对转动。

优选地，所述磁铁的磁感应区域为扇形。

本发明实施例还提供一种用于轻小型稳定平台的轴系角度零位确定的系统相应的方法。该方法的具体方案为：一种用于轻小型稳定平台的轴系角度零位确定的方法包括步骤S1：根据轻小型稳定平台的设计要求，选取增量式编码器和设计固定上支撑板的机械限位的位置；步骤S2：按照霍尔感应装置的位置条件，将霍尔感应装置安装在固定上支撑板上；步骤S3：按照磁铁的位置条件，将磁铁安装于转动轴系上；步骤S4：将轻小型稳定平台上电，待内部程序初始化后，伺服控制器驱动轴系转动电机转动，进而带动磁铁向霍尔感应装置的方向转动；步骤S5：霍尔感应装置与磁铁发生相对运动，当霍尔感应装置划过扇形的磁感应区域时，所述霍尔感应装置的感应电平发生高低电平的信号变化；步骤S6：伺服控制器接收霍尔感应装置的感应信号，并在发生高低电平的信号变化时，记录增量式编码器的角度数值；步骤S7：伺服控制器根据所记录的角度数值来确定轴系角度零位。

优选地，所述步骤S7的确定轴系角度零位的过程包括：步骤S71：判断第一角度数值是否对应为第一次接收到磁场扇形边缘时的角度数值，若是，则进入步骤S72，若否，则停机报错；步骤S72：判断第二角度数值是否对应为第二次接收到磁场扇形边缘时的角度数值，若是，则进入步骤S73，若否，则停机报错；步骤S73：将第二角度数值减去第一角度数值，将中间值位置的角度数值清零，所述中间值位置即定义为轴系角度零位。

优选地，所述霍尔感应装置的位置条件的包括：所述霍尔感应装置的位置在轴系角度范围内且靠近所述机械限位。

优选地，所述磁铁的位置条件包括：当轴系转动时，所述磁铁正好划过所述霍尔感应装置的下端。

本发明的有益效果在于：

本发明实施例所提供的一种用于轻小型稳定平台的轴系角度零位确定的方法，通过采用单霍尔感应装置与单磁铁相配合，伺服控制器驱动轴系转动后，在磁铁与单霍尔感应装置于同位置相对运动时，采集角度信号值和轴系角度值，重新确定平台零位。该方法有效地减小轴系直径和平台重量，在相同力矩驱动条件下避免了减速齿轮参与而造成增量式编码器无法确定轴系零位的问题。进一步地，本发明实施例还提供一种与该方法相应的用于轻小型稳定平台的轴系角度零位确定的系统。

附图说明

图1为现有普通稳定平台轴系绝对式角度零位结构俯视示意图；

图2本发明实施例所提供的一种轻小型稳定平台轴系角度零位确定的系统示意图；

图3为轻小型稳定平台轴系角度零位改进式结构俯视示意图；

图4为本发明实施例所提供的一种轻小型稳定平台轴系角度零位确定的方法的流程示意图；

图5为本发明实施例中伺服控制器确定轴系角度零位的流程示意图。

附图中标记说明：

10、普通稳定平台 11、固定上支撑板 12、转动轴系

13、绝对式编码器 14、右机械限位 15、左机械限位

20、轻小型稳定平台 21、增量式编码器 22、固定上支撑板

23、伺服控制器 24、信号传输线 25、机械限位

26、转动轴系 27、转动轴承 28、霍尔感应装置

29、磁感应区域 210、磁铁

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图2所示，本发明实施例所提供的一种轻小型稳定平台轴系角度零位确定的系统20示意图。一种用于轻小型稳定平台的轴系角度零位确定系统20包括用于固连在飞行器上的固定上支撑板22，增量式编码器21，用于接收角度数值并根据所述角度数值计算获得零位信息的伺服控制器23，用于连接增量式编码器21和伺服控制器23的信号传输线24，用于限制轴系的转动角度的机械限位25，转动轴承27，与转动轴承27连接且围绕转动轴承27转动的转动轴系26，霍尔感应装置28和磁铁210。

在该实施例中，增量式编码器21的外环安装于固定上支撑板22的第一面上；增量式编码器21的内环与转动轴系26连接，内环随转动轴系26围绕转动轴承27进行相对转动，在转动过程中，增量式编码器21的角度数值会发送给伺服控制器23。

继续参照图2，机械限位25安装于固定上支撑板22的第二面上，转动轴承27也安装于固定上支撑板22的第二面上，霍尔感应装置28安装于固定上支撑板22的第二面上且位于机械限位25的前端。固定上支撑板22的第一面和固定上支撑板22的第二面的位置相背。机械限位25的个数可以为1个、2个、3个等。参照图3所示，在该实施例中，机械限位25包括2个，分别位于左边和右边。

机械限位25主要用于限制轴系转动的角度，具体的结构可以为挡块式结构。如本领域技术人员所知，其他限制轴系转动角度的限位结构也包括在机械限位内。

在该实施例中，伺服控制器23与增量式编码器21的连接方式通过数据传输线24进行数据传输。在其他实施例中，伺服控制器23与增量式编码器21的连接方式也可采用其他数据传输形式，如wifi模块、zigbee模块、蜂窝移动通讯模块等无线数据传输模块。

继续参照图2和图3，固定上支撑板22与转动轴系26通过转动轴承27间接地相连接。固定上支撑板22固连于飞行器上。增量式编码器21的外环安装于固定上支撑板22上，增量式编码器21内环随转动轴系26围绕转动轴承27进行相对转动。在转动过程中，增量式编码器21发送角度数值给伺服控制器23。固定上支撑板22上安装霍尔感应装置28和机械限位25。机械限位25限制轴系转动的角度。霍尔感应装置28安装于机械限位25前端。磁铁210安装于转动轴系26上，磁铁210的磁感应区域29为扇形。磁铁210与霍尔感应装置28随着轴系转动发生相对运动，即霍尔感应装置28划过磁感应区域29。在磁感应区域29的扇形边缘两端，伺服控制器23通过信号传输线24接收信号，并在两个边缘位置记录角度数值，取其中间位置作为稳定平台的准确零位。每次稳定平台上电后，程序自动重新寻找零位，从而保证准确地确定稳定平台轴系角度零位位置。

在该实施例中，轻小型稳定平台为两轴两框架式平台，分别为俯仰轴系和方位轴系。根据稳定平台实际应用需要，通过机械结构限位的设计，使得俯仰轴系与方位轴系转动角度范围不同。霍尔感应装置安装于机械限位的前端且与轴系非转动部分固定，具体为方位轴系为轴系固定上支撑板，俯仰轴系为U型支撑架。磁铁安装于转动轴上。当稳定平台上电初始化时，增量式编码器在上电时刻即为零位，由于无法预知稳定平台初始位置，因此，此时零位为伪零位。伺服控制器驱动轴系电机，使轴系向安装有霍尔感应装置的方向进行转动，直至磁铁划过霍尔感应装置。当磁铁划过霍尔感应装置时，霍尔感应装置发送给伺服控制器的信号由高电平转换为低电平。在该轴系转动过程中，伺服控制器一直在接收增量式编码器所测量的角度值。伺服控制器在电平上升沿和下降沿的两个时刻分别记录角度值，再求取两者中间值，即为磁铁扇形区域的中心位置，并通过伺服控制器的程序将该中心位置处的角度值清零，以此位置作为稳定平台的准确零位。本发明实施例提供的系统可以保证磁铁磁感应区域不会随时间以及其他原因发生变化因素而影响轴系角度零位的位置。

如图4所示，本发明实施例还提供一种用于轻小型稳定平台的轴系角度零位确定的方法。该用于轻小型稳定平台的轴系角度零位确定的方法包括七个步骤，具体如下所述。

步骤S1：根据轻小型稳定平台的设计要求，选取增量式编码器和设计固定上支撑板的机械限位的位置。轻小型稳定平台的设计要求具体包括平台的体积大小、平台的重量、稳定平台的精度要求等。

步骤S2：按照霍尔感应装置的位置条件，将霍尔感应装置安装在固定上支撑板上。在该实施例中，霍尔感应装置的位置条件具体为：霍尔感应装置的位置在轴系角度范围内，且霍尔感应装置的位置靠近所述机械限位。

步骤S3：按照磁铁的位置条件，将磁铁安装于转动轴系上。磁铁的位置条件具体为：当轴系转动时，磁铁正好划过所述霍尔感应装置的下端。

步骤S4：将轻小型稳定平台上电，待内部程序初始化后，伺服控制器驱动轴系转动电机转动，进而带动磁铁向霍尔感应装置的方向转动。

步骤S5：霍尔感应装置与磁铁发生相对运动，当霍尔感应装置划过扇形的磁感应区域时，所述霍尔感应装置的感应电平发生高低电平的信号变化。

步骤S6：伺服控制器接收霍尔感应装置的感应信号，并在发生高低电平的信号变化时，记录增量式编码器的角度数值。即霍尔感应装置通过扇形磁感应区域两端的时刻，伺服控制器记录增量式编码器的角度数值。

步骤S7：伺服控制器根据所记录的角度数值来确定轴系角度零位。在该实施例中，步骤S7的确定轴系角度零位的过程包括三个步骤，具体为步骤S71：判断第一角度数值是否对应为第一次接收到磁场扇形边缘时的角度数值，若是，则进入步骤S72，若否，则停机报错；步骤S72：判断第二角度数值是否对应为第二次接收到磁场扇形边缘时的角度数值，若是，则进入步骤S73，若否，则停机报错；步骤S73：将第二角度数值减去第一角度数值，将中间值位置的角度数值清零，所述中间值位置即定义为轴系角度零位。

如图5所示，本发明实施例中伺服控制器确定轴系角度零位的流程示意图。图5为上述步骤S7的另一种详细步骤的具体阐述，伺服控制器确定轴系角度零位的过程包括下列步骤。

步骤S11：将稳定平台上电。

步骤S12：伺服控制器驱动轴系电机转动。

步骤S13：在轴系电机转动过程中，伺服控制器判断是否为第一次接收到磁场扇形边缘处的信号，若是第一次，则进入步骤S14；若不是第一次，则进入步骤S18。

步骤S14：记录此时增量式编码器的角度数值，并将该角度数值定义为角度值1。

步骤S15：在继续转动过程中，伺服控制器判断是否为第二次接收到磁场扇形边缘处的信号，若是第二次，则记录步骤S16；若不是第二次，则进入步骤S18。

步骤S16：记录此时增量式编码器的角度数值，并将该角度数值定义为角度值2；

步骤S17：伺服控制器将角度值2减去角度值1，并将中间值位置的角度数值清零，所述中间值位置即定义为轴系角度零位。此过程在每次稳定平台上电时，程序自动完成。

步骤S18：电机停转并报错。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种用于轻小型稳定平台的轴系角度零位确定的系统，其特征在于，包括：

固定上支撑板，用于固连在飞行器上；

增量式编码器，所述增量式编码器的外环安装于所述固定上支撑板的第一面上，用于感测转动的角度数值；

伺服控制器，用于接收角度数值并根据所述角度数值计算获得零位信息；

信号传输线，用于连接所述增量式编码器和伺服控制器；

机械限位，安装于所述固定上支撑板的第二面上，用于限制轴系的转动角度；

转动轴承，安装于所述固定上支撑板的第二面上；

转动轴系，与所述转动轴承连接，用于围绕所述转动轴承转动；

霍尔感应装置，安装于所述固定上支撑板的第二面上且位于所述机械限位的前端；

磁铁，安装于所述转动轴系上。

2.根据权利要求1所述的一种用于轻小型稳定平台的轴系角度零位确定的系统，其特征在于，所述固定上支撑板的第一面和所述固定上支撑板的第二面位置相背。

3.根据权利要求1所述的一种用于轻小型稳定平台的轴系角度零位确定的系统，其特征在于，所述增量式编码器的内环与所述转动轴系连接，所述内环随所述转动轴系围绕所述转动轴承进行相对转动。

4.根据权利要求1所述的一种用于轻小型稳定平台的轴系角度零位确定的系统，其特征在于，所述磁铁的磁感应区域为扇形。

5.一种用于轻小型稳定平台的轴系角度零位确定的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

步骤S1：根据轻小型稳定平台的设计要求，选取增量式编码器和设计固定上支撑板的机械限位的位置；

步骤S2：按照霍尔感应装置的位置条件，将霍尔感应装置安装在固定上支撑板上；

步骤S3：按照磁铁的位置条件，将磁铁安装于转动轴系上；

步骤S4：将轻小型稳定平台上电，待内部程序初始化后，伺服控制器驱动轴系转动电机转动，进而带动磁铁向霍尔感应装置的方向转动；

步骤S5：霍尔感应装置与磁铁发生相对运动，当霍尔感应装置划过扇形的磁感应区域时，所述霍尔感应装置的感应电平发生高低电平的信号变化；

步骤S6：伺服控制器接收霍尔感应装置的感应信号，并在发生高低电平的信号变化时，记录增量式编码器的角度数值；

步骤S7：伺服控制器根据所记录的角度数值来确定轴系角度零位。

6.根据权利要求5所述的一种用于轻小型稳定平台的轴系角度零位确定的方法，其特征在于，所述步骤S7的确定轴系角度零位的过程包括：

步骤S71：判断第一角度数值是否对应为第一次接收到磁场扇形边缘时的角度数值，若是，则进入步骤S72，若否，则停机报错；

步骤S72：判断第二角度数值是否对应为第二次接收到磁场扇形边缘时的角度数值，若是，则进入步骤S73，若否，则停机报错；

步骤S73：将第二角度数值减去第一角度数值，将中间值位置的角度数值清零，所述中间值位置即定义为轴系角度零位。

7.根据权利要求6所述的一种用于轻小型稳定平台的轴系角度零位确定的方法，其特征在于，所述霍尔感应装置的位置条件的包括所述霍尔感应装置的位置在轴系角度范围内且靠近所述机械限位。

8.根据权利要求6所述的一种用于轻小型稳定平台的轴系角度零位确定的方法，其特征在于，所述磁铁的位置条件包括当轴系转动时，所述磁铁正好划过所述霍尔感应装置的下端。