CN109752026B - 一种五轴惯性稳定平台系统外框架锁零方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种五轴惯性稳定平台系统外框架锁零方法，以正交安装于平台台体的3个陀螺仪输出角速率

内框架角速度和外框架角速度等5个变量作为解耦环节的输入信息，通过信息融合后输出5个分别作用到台体轴、内环轴、外环轴、内随动框架轴和外随动框架轴的轴端力矩电机。本发明首次给出了五轴平台在内随动框架角为90°时的外框架锁零方法，以及各框架角在稳定时的值，实现了平台台体相对于惯性空间的稳定。

Description

一种五轴惯性稳定平台系统外框架锁零方法

技术领域

本发明涉及惯性测量技术领域，特别涉及一种五轴惯性稳定平台系统外框架锁零方法，主要用于航空、航天领域的全姿态高精度导航。

背景技术

由于三轴惯性平台系统存在“框架锁定”现象，难以满足载体大机动运动的要求，引起“框架锁定”的主要原因是内框架角工作于非零状态，特别是内框架角为90°时引起三个电机的力矩处于一个平面，从而导致平台台体中垂直于该平面的矢量方向缺少克服载体运动的能力，会引起平台台体相对惯性空间不能稳定。因此，产生了四轴惯性稳定平台系统。

四轴惯性平台系统相对三轴惯性平台系统，在台体、内框架和外框架的基础上增加了随动框架，随动框架处于平台外框架和基座之间。随动回路信号来自于内框架角，采用正割分解器进行增益补偿，其核心是使内框架角工作于0°。但有一个特殊情况，不能保证内框架角β_yk＝0。当β_xk＝90°时，如图3所示，随动回路将不具备使内框架角β_yk＝0的功能，此时，如果基座带动随动框架和外框架一起绕内框架轴转动时，则内框架角将不为0。进一步，如果内框架上面有限位档钉，则会带动台体转动，从而引起台体相对惯性空间转动。

因此，考虑在四轴惯性平台的基础上再增加一个框架，使得外框架角也始终工作于0，构成五轴惯性平台。定义新增加的框架为外随动框架，而四轴平台的随动框架在五轴平台中被定义为内随动框架。下面举例介绍五轴惯性稳定平台随动回路工作的原理。

首先，五轴惯性稳定平台系统的六个本体坐标系定义如图1所示，从中可以看出各本体坐标系之间关系。在图1中，设β_zk为内框架相对台体的相对角度，β_yk为外框架相对内框架的相对角度，β_xk为内随动框架相对外框架的相对角度，β_yk′为外随动框架相对内随动框架的相对角度，β_xk′为基座(箭体)相对外随动框架的相对角度。

在β_zk＝0、β_yk＝0、β_xk＝0、β_yk′＝0、β_xk′＝0时，包含台体、内框架、外框架、内随动框架、外随动框架和基座的平台结构如图2所示。此时，平台框架可以隔离基座的角运动，台体相对惯性空间稳定，且可保证内框架角β_yk＝0、β_xk＝0。在内随动回路不工作时，如果基座OX₁轴上存在角速度ω_x1，基座会带动随动框架、外框架绕内框架轴转动，使得转动角度β_yk不为0。而在内随动回路工作时，以β_yk作为控制器的输入量，作用到随动轴电机以克服角速度ω_x1，实现了内框架角β_yk＝0。同理，外随动回路的作用是保证外框架角β_xk＝0。

但有一个特殊情况，不能保证外框架角β_xk＝0。当β_yk′＝90°时，如图3所示，外随动回路将不具备使外框架角β_xk＝0的功能，此时，如果基座带动外随动框架和内随动框架一起绕外框架轴转动时，则外框架角将不为0。

为此，需要研究一种使五轴惯性稳定平台系统外框架角度β_xk始终为0的解耦方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种五轴惯性稳定平台系统外框架角锁零方法，该方法实现了内随动框架角为90°时外框架角始终保持于零位的要求，可有效隔离载体的角运动，提高了平台台体相对惯性空间稳定的全姿态适应能力。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种五轴惯性稳定平台系统外框架锁零方法，基于五轴惯性稳定平台系统实现，所述稳定平台系统包括基座、外随动框架、内随动框架、外框架、内框架和台体，对应的本体坐标系分别为基座本体坐标系X₁Y₁Z₁、外随动框架坐标系X_p4Y_p4Z_p4、内随动框架坐标系X_p3Y_p3Z_p3、外框架本体坐标系X_p2Y_p2Z_p2、内框架本体坐标系X_p1Y_p1Z_p1和台体本体坐标系X_pY_pZ_p；所述六个坐标系的原点重合，并且：台体本体坐标系的Z_p轴与内框架本体坐标系的Z_p1轴重合，外框架的本体坐标系的Y_p2轴与内框架本体坐标系的Y_p1轴重合，内随动框架本体坐标系的X_p3轴与外框架本体坐标系的X_p2轴重合，外随动框架本体坐标系的Y_p4轴与内随动框架本体坐标系的Y_p4轴重合，基座本体坐标系的X₁轴与外随动框架本体坐标系的X_p4轴重合；其中，基座与载体固连，在所述稳定平台系统在载体带动下发生内部相对转动时，基座绕外随动框架本体坐标系的X_p4轴转动，外随动框架绕内随动框架本体坐标系的Y_p3轴转动，内随动框架绕外框架本体坐标系的X_p2轴转动，外框架绕内框架本体坐标系的Y_p1轴转动，内框架绕台体本体坐标系的Z_p轴转动；

所述五轴惯性稳定平台系统内框架锁零方法实现步骤如下：

(1)、根据台体上安装的陀螺仪输出的角速度，得到台体在X_p轴、Y_p轴和Z_p轴上的角速度分量

(2)、测量得到五轴惯性稳定平台系统内部相对转动的角度和角速度，包括：基座绕外随动框架本体坐标系的X_p4轴转动的角度β_xk′和角速度

外随动框架绕内随动框架本体坐标系的Y_p3轴转动的角度β_yk′和角速度

内随动框架绕外框架本体坐标系的X_p2轴转动的角度β_xk和角速度

外框架绕内框架本体坐标系的Y_p1轴转动的角度β_yk和角速度

内框架绕台体本体坐标系的Z_p轴转动的角度β_zk和角速度

(3)采用解耦计算公式计算台体、内框架、外框架、内随动框架和外随动框架的转动角速度；

(4)采用步骤(3)的解耦计算公式，得到平台五个框架角的角速度确定方程，如下：

其中，

式中，基座本体坐标系下平台基座的角速度为

(5)根据步骤(4)平台五个框架角的角速度确定方程、步骤(2)的五个框架转动的角度(具体是：基座绕外随动框架本体坐标系的X_p4轴转动的角度β_xk′，外随动框架绕内随动框架本体坐标系的Y_p3轴转动的角度β_yk′，内随动框架绕外框架本体坐标系的X_p2轴转动的角度β_xk，外框架绕内框架本体坐标系的Y_p1轴转动的角度β_yk，内框架绕台体本体坐标系的Z_p轴转动的角度β_zk)和台体上安装的陀螺仪测量的角速度，对外框架锁零条件进行判断，如下：

1)、在β_yk′≠90°且β_yk′≠-90°时，平台外框架角速度为0，不需要对外框架锁零使平台台体相对惯性空间稳定；

2)、在β_yk′＝90°或β_yk′＝-90°，以及基座角速度ω_y1＝ω_z1＝0时，不需要对外框架锁零使平台台体相对惯性空间稳定；

3)、在β_yk′＝90°或β_yk′＝-90°，当ω_y1、ω_z1中有一个为非零时，需要对外框架锁零才能使平台台体相对惯性空间稳定；

(6)在需要对外框架锁零才能使平台台体相对惯性空间稳定时，外随动框架带动内随动框架、外框架和内框架一起相对台体快速发生转动，转动前后外框架角β_xk恒为零，保证平台台体相对惯性空间仍然稳定。

步骤(3)采用解耦计算公式计算台体、内框架、外框架、内随动框架和外随动框架的转动角速度，具体解耦计算公式如下：

ω_z＝ω_zp；

ω_y＝ω_yp cosβ_zk-ω_xp sinβ_zk；

其中，ω_z为台体Z_p轴的合成转动角速度；ω_y为内框架Y_p1轴的合成转动角速度；ω_x为外框架X_p2轴的合成转动角速度；ω_yk′为内随动框架Y_p3轴的合成转动角速度；ω_xk′为外随动框架X_p4轴的合成转动角速度。

在步骤(6)中，外随动框架带动内随动框架、外框架和内框架相对台体快速转动后的稳定位置的框架角度值，计算过程为：

(1)、测量得到β_xk、β_yk和β_zk的初始值分别为β_xk0、β_yk0和β_zk0；

(2)、设基座本体坐标系下平台基座的角速度为

当

中有一个为非零时，基座绕外随动框架本体坐标系的X_p4轴转动的角速度

外随动框架绕内随动框架本体坐标系的Y_p3轴转动的角速度

内随动框架绕外框架本体坐标系的X_p2轴转动的角速度

外框架绕内框架本体坐标系的Y_p1轴转动的角速度

内框架绕台体本体坐标系的Z_p轴转动的角速度

的表达式分别为

其中，

(3)、基座绕外随动框架本体坐标系的X_p4轴转动的角度β_xk′、外随动框架绕内随动框架本体坐标系的Y_p3轴转动的角度β_yk′、内随动框架绕外框架本体坐标系的X_p2轴转动的角度β_xk、外框架绕内框架本体坐标系的Y_p1轴转动的角度β_yk、内框架绕台体本体坐标系的Z_p轴转动的角度β_zk的稳态值分为以下四种情况，其中“→”是指趋于；

(a)β_yk′<90°且β_yk′→90°时，sinβ_yk′＝1，tanβ_yk′>0；β_xk′的初始值为β_xk′0，为保证系统稳定，则有cos(β_xk′+α)＝-1，即β_xk′＝180°-α，其中，β_xk′的变化量为Δβ_xk′＝180°-α-β_xk′0；此时，由于

与

符号相同，所以β_zk的稳态值为β_zk＝β_zk0+Δβ_xk′＝β_zk0-α-β_xk′0+180°；由于

所以β_yk′递减。

(b)β_yk′>90°且β_yk′→90°时，sinβ_yk′＝1，tanβ_yk′<0；β_xk′的初始值为β_xk′0，为保证系统稳定，则有cos(β_xk′+α)＝+1，即β_xk′＝-α，其中，β_xk′的变化量为Δβ_xk′＝-α-β_xk′0；此时，由于

与

符号相同，所以β_zk的稳态值为β_zk＝β_zk0+Δβ_xk′＝β_zk0-α-β_xk′0；由于

所以β_yk′递增。

(c)β_yk′<-90°且β_yk′→-90°时，sinβ_yk′＝-1，tanβ_yk′>0；β_xk′的初始值为β_xk′0，为保证系统稳定，则有cos(β_xk′+α)＝-1，即β_xk′＝180°-α，其中，β_xk′的变化量为Δβ_xk′＝180°-α-β_xk′0；此时，由于

与

符号相反，所以β_zk的稳态值为β_zk＝β_zk0-Δβ_xk′＝β_zk0+α+β_xk′0-180°；由于

所以β_yk′递减。

(d)β_yk′>-90°且β_yk′→-90°时，sinβ_yk′＝-1，tanβ_yk′<0；β_xk′的初始值为β_xk′0，为保证系统稳定，则有cos(β_xk′+α)＝+1，即β_xk′＝-α，其中，β_xk′的变化量为Δβ_xk′＝-α-β_xk′0；此时，由于

与

符号相反，所以β_zk的稳态值为β_zk＝β_zk0-Δβ_xk′＝β_zk0+α+β_xk′0；由于

所以β_yk′递增。

在步骤(2)中，通过如下方法测量得到五轴惯性稳定平台系统内部相对转动角度和角速度：

在外随动框架的X_p4轴上安装角度传感器，测量得到基座绕外随动框架本体坐标系的X_p4轴转动的角度β_xk′；在内随动框架的Y_p3轴上安装角度传感器，测量得到外随动框架绕内随动框架本体坐标系的Y_p3轴转动的角度β_yk′；在外框架的X_p2轴上安装角度传感器，测量得到内随动框架绕外框架本体坐标系的X_p2轴转动的角度β_xk；在内框架的Y_p1轴上安装角度传感器，测量得到外框架绕内框架本体坐标系的Y_p1轴转动的角度β_yk和角速度

在台体Z_p轴上安装传感器测量内框架绕台体本体坐标系的Zp轴转动的角度β_zk。

在步骤(2)中，转动角度β_xk′、β_yk′、β_xk、β_yk、β_zk的取值范围为-180°～+180°。

角度传感器采用光电编码器或正余弦旋转编码器。

步骤(3)中计算台体、内框架、外框架、内随动框架和外随动框架的合成转动角速度采用数字计算机实现。

五轴惯性稳定平台系统的基座与载体固连。

外随动框架和内随动框架上安装有力矩电机，力矩电机输出力矩大于1N·m。

台体上安装的陀螺仪为双自由度陀螺时，数量需要至少两个，两个正交安装；台体上安装的陀螺仪为单自由度陀螺时，数量需要至少三个，两两正交安装。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)、本发明给出的一种五轴惯性稳定平台系统外框架锁零方法，完全覆盖了5个姿态角在任意象限的情况，克服了原有技术在内随动框架角β_yk′＝±90°时的外框架非零的问题；

(2)、本发明给出了一种五轴惯性稳定平台系统外框架锁零方法，虽然在计算环节中存在secβ_yk′，但给出了在该奇异点处的框架角稳态值，确保了系统仍然稳定而不发散。

(3)、本发明实现了内随动框架角为90°时外框架角始终保持于零位的要求，可有效隔离载体的角运动，提高了平台台体相对惯性空间稳定的全姿态适应能力。

附图说明

图1为五轴惯性稳定平台系统中六个本体坐标系之间的关系示意图；

图2为五个框架角度为零时的五轴平台结构示意图；

图3为本发明实现外框架锁零的五个框架角仿真结果；

图4为本发明实现外框架锁零的台体OY_p和OX_p轴的角速度仿真结果；

图5为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明提供的一种五轴惯性稳定平台系统外框架锁零方法，基于五轴惯性稳定平台系统实现，所述稳定平台系统包括基座、外随动框架、内随动框架、外框架、内框架和台体，对应的本体坐标系分别为基座本体坐标系X₁Y₁Z₁、外随动框架坐标系X_p4Y_p4Z_p4、内随动框架坐标系X_p3Y_p3Z_p3、外框架本体坐标系X_p2Y_p2Z_p2、内框架本体坐标系X_p1Y_p1Z_p1和台体本体坐标系X_pY_pZ_p；所述六个坐标系的原点重合，并且：台体本体坐标系的Z_p轴与内框架本体坐标系的Z_p1轴重合，外框架的本体坐标系的Y_p2轴与内框架本体坐标系的Y_p1轴重合，内随动框架本体坐标系的X_p3轴与外框架本体坐标系的X_p2轴重合，外随动框架本体坐标系的Y_p4轴与内随动框架本体坐标系的Y_p4轴重合，基座本体坐标系的X₁轴与外随动框架本体坐标系的X_p4轴重合；其中，基座与载体固连，在所述稳定平台系统在载体带动下发生内部相对转动时，基座绕外随动框架本体坐标系的X_p4轴转动，外随动框架绕内随动框架本体坐标系的Y_p3轴转动，内随动框架绕外框架本体坐标系的X_p2轴转动，外框架绕内框架本体坐标系的Y_p1轴转动，内框架绕台体本体坐标系的Z_p轴转动；

如图1所示的六个坐标系的关系示意图，以上所述的六个坐标系的原点重合，并且存在如下相对约束关系：台体本体坐标系的Z_p轴与内框架本体坐标系的Z_p1轴重合，外框架的本体坐标系的Y_p2轴与内框架本体坐标系的Y_p1轴重合，内随动框架本体坐标系的X_p3轴与外框架本体坐标系的X_p2轴重合，外随动框架本体坐标系的Y_p4轴与内随动框架本体坐标系的Y_p3轴重合，基座本体坐标系的X₁轴与外随动框架本体坐标系的X_p4轴重合。其中，基座与载体固连，在所述稳定平台系统在载体带动下发生内部相对转动时：基座绕外随动框架本体坐标系的X_p4轴转动且转动角度为β_xk′；外随动框架绕内随动框架本体坐标系的Y_p3轴转动且转动角度为β_yk′；内随动框架绕外框架本体坐标系的X_p2轴转动且转动角度为β_xk；外框架绕内框架本体坐标系的Y_p1轴转动且转动角度为β_yk，内框架绕台体本体坐标系的Z_p轴转动且转动角度为β_zk。

所述五轴惯性稳定平台系统内框架锁零方法实现步骤如下：

(1)、根据台体上安装的陀螺仪输出的角速度，得到台体在X_p轴、Y_p轴和Z_p轴上的角速度分量

(2)、测量得到五轴惯性稳定平台系统内部相对转动的角度和角速度，包括：外随动框架绕内随动框架本体坐标系的Y_p3轴转动的角度β_yk′，内随动框架绕外框架本体坐标系的X_p2轴转动的角度β_xk和角速度

外框架绕内框架本体坐标系的Y_p1轴转动的角度β_yk和角速度

内框架绕台体本体坐标系的Z_p轴转动的角度β_zk；

(3)、计算台体、内框架、外框架和随动框架的转动角速度，具体计算公式如下：

其中，ω_z为台体Z_p轴的合成转动角速度；ω_y为内框架Y_p1轴的合成转动角速度；ω_x为外框架X_p2轴的合成转动角速度；ω_yk′为内随动框架Y_p3轴的合成转动角速度；ω_xk′为外随动框架X_p4轴的合成转动角速度。

(4)、在β_yk′≠90°且β_yk′≠-90°时，平台内框架角速度为0，使平台台体相对惯性空间稳定；

(5)、在β_yk′＝90°或β_yk′＝-90°，以及基座角速度

时，平台台体相对惯性空间稳定；

(6)、在β_yk′＝90°或β_yk′＝-90°，当

中有一个为非零时，随动框架带动外框架和内框架一起相对台体快速发生转动，外框架角β_xk＝0°，保证了平台台体相对惯性空间仍然稳定。

所述的一种五轴惯性稳定平台系统外框架锁零方法，其特征在于：在步骤(6)中，外随动框架带动内随动框架、外框架和内框架相对台体快速转动后的稳定位置的框架角度值计算过程为：

(1)、测量得到β_xk、β_yk和β_zk的初始值分别为β_xk0、β_yk0和β_zk0；

(2)、设平台基座的角速度为

当

中有一个为非零时，基座绕随动框架本体坐标系的Y_p3轴转动的角速度

随动框架绕外框架本体坐标系的X_p2轴转动的角速度

外框架绕内框架本体坐标系的Y_p1轴转动的角速度

内框架绕台体本体坐标系的Z_p轴转动的角速度

的表达式分别为

其中，

(3)、基座绕外随动框架本体坐标系的X_p4轴转动的角度β_xk′、外随动框架绕内随动框架本体坐标系的Y_p3轴转动的角度β_yk′、内随动框架绕外框架本体坐标系的X_p2轴转动的角度β_xk、外框架绕内框架本体坐标系的Y_p1轴转动的角度β_yk、内框架绕台体本体坐标系的Z_p轴转动的角度β_zk的稳态值分为以下四种情况，其中“→”是指趋于；

(a)β_yk′<90°且β_yk′→90°时，sinβ_yk′＝1，tanβ_yk′>0；β_xk′的初始值为β_xk′0，为保证系统稳定，则有cos(β_xk′+α)＝-1，即β_xk′＝180°-α，其中，β_xk′的变化量为Δβ_xk′＝180°-α-β_xk′0；此时，由于

与

符号相同，所以β_zk的稳态值为β_zk＝β_zk0+Δβ_xk′＝β_zk0-α-β_xk′0+180°；由于

所以β_yk′递减。

(b)β_yk′>90°且β_yk′→90°时，sinβ_yk′＝1，tanβ_yk′<0；β_xk′的初始值为β_xk′0，为保证系统稳定，则有cos(β_xk′+α)＝+1，即β_xk′＝-α，其中，β_xk′的变化量为Δβ_xk′＝-α-β_xk′0；此时，由于

与

符号相同，所以β_zk的稳态值为β_zk＝β_zk0+Δβ_xk′＝β_zk0-α-β_xk′0；由于

所以β_yk′递增。

(c)β_yk′<-90°且β_yk′→-90°时，sinβ_yk′＝-1，tanβ_yk′>0；β_xk′的初始值为β_xk′0，为保证系统稳定，则有cos(β_xk′+α)＝-1，即β_xk′＝180°-α，其中，β_xk′的变化量为Δβ_xk′＝180°-α-β_xk′0；此时，由于

与

符号相反，所以β_zk的稳态值为β_zk＝β_zk0-Δβ_xk′＝β_zk0+α+β_xk′0-180°；由于

所以β_yk′递减。

(d)β_yk′>-90°且β_yk′→-90°时，sinβ_yk′＝-1，tanβ_yk′<0；β_xk′的初始值为β_xk′0，为保证系统稳定，则有cos(β_xk′+α)＝+1，即β_xk′＝-α，其中，β_xk′的变化量为Δβ_xk′＝-α-β_xk′0；此时，由于

与

符号相反，所以β_zk的稳态值为β_zk＝β_zk0-Δβ_xk′＝β_zk0+α+β_xk′0；由于

所以β_yk′递增。

为形象说明本发明提供的五轴惯性平台系统外框架锁零方法，举例说明，当β_yk′趋于90°、且ω_x1≠0的瞬时，外随动框架带动内随动框架、外框架、内框架一起绕基座OZ₁和台体OZ_p快速转动，到达内随动框架轴Y_p4轴与基座OX₁轴平行的位置。此时，基座带动外随动框架一起绕Y_p4轴转动，在转动过程中平台台体相对惯性空间保持稳定。

优选实施例如下：

在本实施例中，利用本发明的计算公式进行仿真计算，其中设定条件如下：基座绕外随动框架坐标系X_p4轴转动的角度β_xk′＝0；外随动框架绕内随动框架坐标系Y_p3轴转动的角度β_yk′以1°/s的速度趋近90°；内随动框架绕外框架坐标系X_p2轴转动的角度β_xk＝0；外框架绕内框架坐标系Y_p1轴转动的角度β_yk＝0；内框架绕台体坐标系Z_p轴转动的角度β_zk＝0。

当基座角速度

时，sinα＝1，cosα＝0，因此，α＝90°；由cos(β_xk′+α)＝-1，求得β_xk′＝180°-α＝90°，如图3所示，β_xk′快速稳定在+90°，β_zk也快速跟随到β_zk＝180°-α＝90°，β_yk′以-1°/s的速度逐渐减小；在此过程中，外框架角β_xk和框架角β_yk近似为0。平台台体OY_p和OX_p轴的角速度仿真结果如图4所示，可以看出，在外框架锁零过程中台体角速度的值为零。

图3左上图纵坐标为Bzk表示β_zk，右上图纵坐标为Byk表示β_yk，左中图纵坐标为Bxk表示β_xk，左下图纵坐标为Bxkp表示β_xk′；右中图中Bykp表示β_yk′，.Time表示时间。图4中，wxp表示

wyp表示

Time表示时间。

上述实施例可以验证本发明的五轴惯性平台系统外框架锁零方法正确，图5为实现本发明的方法流程图。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种五轴惯性稳定平台系统外框架锁零方法，其特征在于：基于五轴惯性稳定平台系统实现，所述稳定平台系统包括基座、外随动框架、内随动框架、外框架、内框架和台体，对应的本体坐标系分别为基座本体坐标系X₁Y₁Z₁、外随动框架坐标系X_p4Y_p4Z_p4、内随动框架坐标系X_p3Y_p3Z_p3、外框架本体坐标系X_p2Y_p2Z_p2、内框架本体坐标系X_p1Y_p1Z_p1和台体本体坐标系X_pY_pZ_p；上述六个坐标系的原点重合，并且：台体本体坐标系的Z_p轴与内框架本体坐标系的Z_p1轴重合，外框架本体坐标系的Y_p2轴与内框架本体坐标系的Y_p1轴重合，内随动框架本体坐标系的X_p3轴与外框架本体坐标系的X_p2轴重合，外随动框架本体坐标系的Y_p4轴与内随动框架本体坐标系的Y_p4轴重合，基座本体坐标系的X₁轴与外随动框架本体坐标系的X_p4轴重合；其中，基座与载体固连，在所述稳定平台系统在载体带动下发生内部相对转动时，基座绕外随动框架本体坐标系的X_p4轴转动，外随动框架绕内随动框架本体坐标系的Y_p3轴转动，内随动框架绕外框架本体坐标系的X_p2轴转动，外框架绕内框架本体坐标系的Y_p1轴转动，内框架绕台体本体坐标系的Z_p轴转动；

所述一种五轴惯性稳定平台系统外框架锁零方法实现步骤如下：

(1)、根据台体上安装的陀螺仪输出的角速度，得到台体在X_p轴、Y_p轴和Z_p轴上的角速度分量

(2)、测量得到五轴惯性稳定平台系统内部相对转动的角度和角速度，包括：基座绕外随动框架本体坐标系的X_p4轴转动的角度β_xk′和角速度

外随动框架绕内随动框架本体坐标系的Y_p3轴转动的角度β_yk′和角速度

内随动框架绕外框架本体坐标系的X_p2轴转动的角度β_xk和角速度

外框架绕内框架本体坐标系的Y_p1轴转动的角度β_yk和角速度

内框架绕台体本体坐标系的Z_p轴转动的角度β_zk和角速度

(3)采用解耦计算公式计算台体、内框架、外框架、内随动框架和外随动框架的转动角速度，具体解耦计算公式如下：

其中，ω_z为台体Z_p轴的合成转动角速度；ω_y为内框架Y_p1轴的合成转动角速度；ω_x为外框架X_p2轴的合成转动角速度；ω_yk′为内随动框架Y_p3轴的合成转动角速度；ω_xk′为外随动框架X_p4轴的合成转动角速度；

(4)采用步骤(3)的解耦计算公式，得到平台五个框架角的角速度确定方程，如下：

其中，

式中，基座本体坐标系下平台基座的角速度为

(5)根据步骤(4)平台五个框架角的角速度确定方程、步骤(2)的五个框架转动的角度和台体上安装的陀螺仪测量的角速度，对外框架锁零条件进行判断，如下：

1)、在β_yk′≠90°且β_yk′≠-90°时，平台外框架角速度为0，不需要对外框架锁零使平台台体相对惯性空间稳定；

2)、在β_yk′＝90°或β_yk′＝-90°，以及基座角速度

时，不需要对外框架锁零使平台台体相对惯性空间稳定；

3)、在β_yk′＝90°或β_yk′＝-90°，当

中有一个为非零时，需要对外框架锁零才能使平台台体相对惯性空间稳定；

(6)在需要对外框架锁零才能使平台台体相对惯性空间稳定时，外随动框架带动内随动框架、外框架和内框架一起相对台体快速发生转动，转动前后外框架角β_xk恒为零，保证平台台体相对惯性空间仍然稳定；

外随动框架带动内随动框架、外框架和内框架相对台体快速转动后的稳定位置的框架角度值，计算过程为：

1)、测量得到β_xk、β_yk和β_zk的初始值分别为β_xk0、β_yk0和β_zk0；

2)、设基座本体坐标系下平台基座的角速度为

当

中有一个为非零时，基座绕外随动框架本体坐标系的X_p4轴转动的角速度

外随动框架绕内随动框架本体坐标系的Y_p3轴转动的角速度

内随动框架绕外框架本体坐标系的X_p2轴转动的角速度

外框架绕内框架本体坐标系的Y_p1轴转动的角速度

内框架绕台体本体坐标系的Z_p轴转动的角速度

的表达式分别为

其中，

3)、基座绕外随动框架本体坐标系的X_p4轴转动的角度β_xk′、外随动框架绕内随动框架本体坐标系的Y_p3轴转动的角度β_yk′、内随动框架绕外框架本体坐标系的X_p2轴转动的角度β_xk、外框架绕内框架本体坐标系的Y_p1轴转动的角度β_yk、内框架绕台体本体坐标系的Z_p轴转动的角度β_zk的稳态值分为以下四种情况：

(a)β_yk′<90°且β_yk′→90°时，sinβ_yk′＝1，tanβ_yk′>0；β_xk′的初始值为β_xk′0，为保证系统稳定，则有cos(β_xk′+α)＝-1，即β_xk′＝180°-α，其中，β_xk′的变化量为Δβ_xk′＝180°-α-β_xk′0；此时，由于

与

符号相同，所以β_zk的稳态值为β_zk＝β_zk0+Δβ_xk′＝β_zk0-α-β_xk′0+180°；由于

所以β_yk′递减；

(b)β_yk′>90°且β_yk′→90°时，sinβ_yk′＝1，tanβ_yk′<0；β_xk′的初始值为β_xk′0，为保证系统稳定，则有cos(β_xk′+α)＝+1，即β_xk′＝-α，其中，β_xk′的变化量为Δβ_xk′＝-α-β_xk′0；此时，由于

与

符号相同，所以β_zk的稳态值为β_zk＝β_zk0+Δβ_xk′＝β_zk0-α-β_xk′0；由于

所以β_yk′递增；

(c)β_yk′<-90°且β_yk′→-90°时，sinβ_yk′＝-1，tanβ_yk′>0；β_xk′的初始值为β_xk′0，为保证系统稳定，则有cos(β_xk′+α)＝-1，即β_xk′＝180°-α，其中，β_xk′的变化量为Δβ_xk′＝180°-α-β_xk′0；此时，由于

与

符号相反，所以β_zk的稳态值为β_zk＝β_zk0-Δβ_xk′＝β_zk0+α+β_xk′0-180°；由于

所以β_yk′递减；

(d)β_yk′>-90°且β_yk′→-90°时，sinβ_yk′＝-1，tanβ_yk′<0；β_xk′的初始值为β_xk′0，为保证系统稳定，则有cos(β_xk′+α)＝+1，即β_xk′＝-α，其中，β_xk′的变化量为Δβ_xk′＝-α-β_xk′0；此时，由于

与

符号相反，所以β_zk的稳态值为β_zk＝β_zk0-Δβ_xk′＝β_zk0+α+β_xk′0；由于

所以β_yk′递增。

2.根据权利要求1所述的一种五轴惯性稳定平台系统外框架锁零方法，其特征在于：在步骤(2)中，通过如下方法测量得到五轴惯性稳定平台系统内部相对转动角度和角速度：

在外随动框架的X_p4轴上安装角度传感器，测量得到基座绕外随动框架本体坐标系的X_p4轴转动的角度β_xk′；在内随动框架的Y_p3轴上安装角度传感器，测量得到外随动框架绕内随动框架本体坐标系的Y_p3轴转动的角度β_yk′；在外框架的X_p2轴上安装角度传感器，测量得到内随动框架绕外框架本体坐标系的X_p2轴转动的角度β_xk；在内框架的Y_p1轴上安装角度传感器，测量得到外框架绕内框架本体坐标系的Y_p1轴转动的角度β_yk和角速度

在台体Z_p轴上安装传感器测量内框架绕台体本体坐标系的Zp轴转动的角度β_zk。

3.根据权利要求1所述的一种五轴惯性稳定平台系统外框架锁零方法，其特征在于：在步骤(2)中，转动角度β_xk′、β_yk′、β_xk、β_yk、β_zk的取值范围为-180°～+180°。

4.根据权利要求2所述的一种五轴惯性稳定平台系统外框架锁零方法，其特征在于：角度传感器采用光电编码器或正余弦旋转编码器。

5.根据权利要求1所述的一种五轴惯性稳定平台系统外框架锁零方法，其特征在于：步骤(3)中计算台体、内框架、外框架、内随动框架和外随动框架的合成转动角速度采用数字计算机实现。

6.根据权利要求1所述的一种五轴惯性稳定平台系统外框架锁零方法，其特征在于：五轴惯性稳定平台系统的基座与载体固连。

7.根据权利要求1所述的一种五轴惯性稳定平台系统外框架锁零方法，其特征在于：外随动框架和内随动框架上安装有力矩电机，力矩电机输出力矩大于1N·m。

8.根据权利要求1所述的一种五轴惯性稳定平台系统外框架锁零方法，其特征在于：台体上安装的陀螺仪为双自由度陀螺时，数量需要至少两个，两个正交安装；台体上安装的陀螺仪为单自由度陀螺时，数量需要至少三个，两两正交安装。

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