CN109895041A - 一种船载串并混联稳定平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船载串并混联稳定平台，其包括稳定板、底板、测姿装置、控制装置及位于稳定板和底板之间的3N组稳定机构；稳定板用于安装需要稳定布置的设备；测姿装置用于检测稳定板的倾斜角度，其与稳定板固定连接；稳定机构包括球面万向节、安装在底板上的轴座及通过转动副I枢接的杆I和杆II，杆I与稳定板通过球面万向节连接，轴座与杆II通过转动副II枢接，转动副II通过独立驱动件驱动；控制装置用于根据测姿装置获取的稳定板的倾斜角度控制独立驱动件使稳定板保持相对稳定。本发明采用串并混联结构，灵活、响应速度快且体积较小，控制方式简单，成本低廉，极具应用前景。

Description

一种船载串并混联稳定平台

技术领域

本发明属于平台稳定技术领域，涉及一种船载串并混联稳定平台，特别涉及一种灵活、响应速度快且体积较小的船载串并混联稳定平台。

背景技术

随着社会的不断进步，人们的活动范围不断延伸，由陆地逐渐走向了海洋，由地面走向了天空甚至太空。随着新的未知的领域不断到来，人们获取其相关信息以对其进行研究，对其进行测试是比不可少的环节。最为常规的测试平台就是在平稳静止的陆地上，其无需考虑晃动等问题给测试带来的影响。但随着交通工具及人类探索领域的不断扩展，在活动的平台上进行测试(特别是轮船需要进行海试)已经越来越成为了迫切的需求。然而在活动的平台如开动的轮船上进行测试，舰船受风浪的影响会不可避免地产生摇荡运动，导致一些舰载设备和仪器无法正常使用，晃动还会给测试结果带来极大的误差，这严重影响了测试的精度，因此开发一种能够在晃动载体上保持平台相对稳定的测试平台极具现实意义。

船舰航行时主要受横摇、纵摇、艏摇和垂荡这四种运动方式的影响，但是现有技术中，六自由度的稳定平台相对较多，而主要调节四个自由度即可保证调姿稳定，同时较少的自由度也相对容易控制。目前现有技术的绝大多数稳定平台主要应用于较大船舰，且其采用升沉电动推杆或液压推杆式并联机构，虽然具备并联机构响应速度以及刚度高的特性，但相比串联机构灵活性方面受到限制，以及较大的体积进一步限制了针对中小型船舰的应用范围。

因此，开发一种体积小、灵活性好且响应速度快的稳定平台极具现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术稳定平台灵活性差且体积较大的缺陷，提供一种体积小、灵活性好且响应速度快的稳定平台，本发明的稳定平台采用串并混联结构，其不仅具备并联机构的响应速度快、刚度大等优点，而且具备串联机构的灵活性强的特点，本发明的稳定平台通过控制与杆II连接的独立驱动件即可保证平台的相对稳定，其控制方式简单，成本低廉。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种船载串并混联稳定平台，包括稳定板、底板、测姿装置、控制装置及位于稳定板和底板之间的3N组稳定机构，N为正整数；

所述稳定板用于安装需要稳定布置的设备；

所述测姿装置用于检测稳定板的倾斜角度，其与稳定板固定连接；

所述稳定机构包括球面万向节、安装在底板上的轴座及通过转动副I枢接的杆I和杆II，杆I与稳定板通过球面万向节连接，轴座与杆II通过转动副II枢接，转动副II通过独立驱动件驱动；

所述控制装置用于根据测姿装置获取的稳定板的倾斜角度控制独立驱动件使稳定板保持相对稳定。

本发明的船载稳定平台的稳定机构简单，采用串并混联结构，不仅具备并联机构的响应速度快、刚度大等优点，而且具备串联机构的灵活性强的特点，与传统的推杆式结构完全不同，通过独立驱动件驱动转动副II即可控制稳定板，本发明的调整方式多变，灵活性好，尺寸较小，特别适用于中小型船舰。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种船载串并混联稳定平台，所述测姿装置为MEMS(微机电系统)陀螺组合三轴加速度计，其布置在稳定板靠近底板侧。本发明选用MEMS陀螺组合三轴加速度计作为测姿装置，其尺寸小，成本低廉，市场前景好，但本发明的测姿装置的保护范围并不仅限于此，其他如光纤陀螺也可适用于本发明。

如上所述的一种船载串并混联稳定平台，所述控制装置安装在底板靠近稳定板侧，其包括依次连接的ARM处理器、FPGA(即Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、A/D模数转换模块和驱动模块；测姿装置、A/D模数转换模块及FPGA依次连接，所述ARM处理器用于进行姿态计算得到调整指令并将该指令下发，所述FPGA用于ARM处理器与A/D模数转换模块间的信号传递，所述A/D模数转换模块用于转换FPGA与驱动模块、测姿装置间的信号，所述驱动模块用于驱动独立驱动件使稳定板保持相对稳定。本发明的控制装置的保护范围并不仅限于此，仅以此为例，只要能对平台姿态进行调整即可。本发明选用的FPGA相比于其他同类型装置，其处理信号传输速度快，同时可以容纳多种不同的传感器接入，且可外扩RAM具有很强的灵活性。

如上所述的一种船载串并混联稳定平台，所述独立驱动件包括伺服电机、电机支架、减速器、联轴器及与FPGA串口通讯连接的光电编码器；所述伺服电机通过电机支架与底板固定连接，伺服电机的输出轴贯穿内嵌有轴承IV和轴承V的轴座且与减速器连接，输出轴上设有与杆II螺栓连接的联轴器，驱动模块、光电编码器与伺服电机依次连接。本发明的独立驱动件并仅限于此，本发明在伺服电机后置光电编码器通过串口通讯连接FPGA进行信号反馈，其行程闭环控制，能够实时保证稳定板的维平状态。

如上所述的一种船载串并混联稳定平台，还包括位于底板下方的基底板和安装在底板及基底板间的旋转装置，所述旋转装置用于驱动底板及基底板发生相对旋转。本发明通过安装旋转装置能够显著补偿艏摇运动误差，保证稳定平台的相对稳定。

如上所述的一种船载串并混联稳定平台，所述底板所在平面与基底板所在平面相互平行。本发明的保护范围并不仅限于此，底板与基底板也可不相互平行，只要两者夹角固定即可。

如上所述的一种船载串并混联稳定平台，所述旋转装置包括旋转电机、斜齿轮I、斜齿轮II、旋转轴I、旋转轴II、圆柱齿轮I、圆柱齿轮II、轴承I、轴承II及轴承III；

旋转轴I及旋转轴II的中心轴垂直于底板所在平面；

旋转电机与底板固定连接，其输出轴通过键槽与斜齿轮I连接；

旋转轴I的一端装配有与基底板固定的轴承III，靠近另一端端面位置固定有与斜齿轮I配合的斜齿轮II，其中部与圆柱齿轮I固定连接；

旋转轴II的一端装配有与底板固定的轴承I，另一端装配有与基底板固定的轴承II，其中部和与圆柱齿轮I配合的圆柱齿轮II固定连接。本发明的旋转装置并不仅限于此，本发明仅以此为例。其他能够实现旋转的结构也可适用于本发明。其中斜齿轮主要用于换向，圆柱齿轮主要起减速作用，提高力矩的作用，轴承主要用于承载旋转轴的旋转运动。

如上所述的一种船载串并混联稳定平台，所述旋转电机为步进电机，其与驱动模块连接。本发明的步进电机并未设置反馈，其属于被动式调节，也可在步进电机与驱动模块间设置光电编码器，即设置反馈，将其改为主动式调节。

如上所述的一种船载串并混联稳定平台，所述基底板固定安装在船体上。

如上所述的一种船载串并混联稳定平台，N为1。

发明机理：

本发明的船载串并混联稳定平台，采用3N组由杆I和杆II通过转动副连接而成的稳定机构作为升降部件，3N组结构的协同能保证在横摇、纵摇及艏摇这三个自由度上维持平衡，升降部件为串并混联结构，不仅具备并联机构的响应速度快、刚度大等优点，而且具备串联机构的灵活性强的特点，与传统的推杆式结构完全不同，通过独立驱动件驱动转动副II即可控制稳定板，本发明的调整方式多变，灵活性好，尺寸较小，特别适用于中小型船舰。

本发明同时设计了稳定平台的控制装置，选用FPGA作为信号传递模块，其处理信号传输速度快，同时可以容纳多种不同的传感器接入，且可外扩RAM具有很强的灵活性。

此外，本发明为补偿艏摇运动误差，进一步提高平台的稳定性，设计了底板的旋转装置，旋转装置采用多组斜齿轮、圆柱齿轮及轴承相互配合，实现了底板及基底板的相对旋转，能够显著降低艏摇运动误差，进而提高平台的稳定性。

有益效果：

本发明的一种船载串并混联稳定平台，采用串并混联结构，其不仅具备并联机构的响应速度快、刚度大等优点，而且具备串联机构的灵活性强的特点，本发明的稳定平台通过控制与杆II连接的独立驱动件即可保证平台的相对稳定，其控制方式简单，成本低廉，极具应用前景。

附图说明

图1为本发明的一种船载串并混联稳定平台的结构示意图；

图2为本发明的控制装置的结构示意图；

图3为本发明的电机装置的结构示意图；

图4为本发明的旋转装置的结构示意图；

其中，1-稳定板，2-杆I，3-杆II，4-底板，5-基底板，6-旋转装置，7-独立驱动件，8-控制装置，9-球面万向节，10-测姿装置，11-转动副I，12-转动副II，601-步进电机，602-步进电机输出轴，603-斜齿轮II，604-轴承I，605-旋转轴II，606-圆柱齿轮II，607-轴承II，608-轴承III，609-旋转轴I，610-圆柱齿轮I，611-斜齿轮I，701-光电编码器，702-伺服电机，703-减速器，704-螺栓，705-伺服电机输出轴，706-轴承IV，707-联轴器，708-轴座，709-轴承V，710-电机支架。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步阐述。

实施例1

一种船载串并混联稳定平台，如图1所示，包括稳定板1、底板4、位于底板4下方的基底板5、测姿装置10、控制装置8、位于稳定板1和底板4之间的三组稳定机构和安装在底板4及基底板5间的旋转装置6；

稳定板1用于安装需要稳定布置的设备；

基底板5固定安装在船体上，底板4所在平面与基底板5所在平面相互平行；

测姿装置10为MEMS陀螺组合三轴加速度计，用于检测稳定板的倾斜角度，其与稳定板1固定连接，布置在稳定板1靠近底板侧；

控制装置8安装在底板靠近稳定板侧，其结构示意图如图2所示，包括依次连接的ARM处理器、FPGA、A/D模数转换模块和驱动模块；测姿装置、A/D模数转换模块及FPGA依次连接，ARM处理器用于进行姿态计算得到调整指令并将该指令下发，FPGA用于ARM处理器与A/D模数转换模块间的信号传递，A/D模数转换模块用于转换FPGA与驱动模块、测姿装置间的信号，驱动模块用于驱动独立驱动件使稳定板保持相对稳定，图中A/D和D/A表示A/D模数转换模块信号的不同转换方向；

稳定机构包括球面万向节9、安装在底板4上的轴座708及通过转动副I 11枢接的杆I 2和杆II 3，杆I 2与稳定板1通过球面万向节9连接，轴座708与杆II 3通过转动副II12枢接，转动副II 12通过独立驱动件7驱动；

独立驱动件7如图3所示，包括伺服电机702、电机支架710、减速器703、联轴器707及与FPGA串口通讯连接的光电编码器701；伺服电机702通过电机支架710与底板4固定连接，伺服电机的输出轴705贯穿内嵌有轴承IV 706和轴承V 709的轴座708且与减速器703连接，输出轴705上设有与杆II 3螺栓连接的联轴器707，驱动模块、光电编码器701与伺服电机702依次连接；

旋转装置如图4所示，包括与驱动模块连接的步进电机601、斜齿轮I 611、斜齿轮II 603、旋转轴I 609、旋转轴II 605、圆柱齿轮I 610、圆柱齿轮II 606、轴承I 604、轴承II607及轴承III 608；

旋转轴I 609及旋转轴II 605的中心轴垂直于底板4所在平面；

步进电机601与底板4固定连接，其输出轴602通过键槽与斜齿轮I 611连接；

旋转轴I 609的一端装配有与基底板5固定的轴承III 608，靠近另一端端面位置固定有与斜齿轮I 611配合的斜齿轮II 603，其中部与圆柱齿轮I 610固定连接；

旋转轴II 605的一端装配有与底板4固定的轴承I 604，另一端装配有与基底板5固定的轴承II 607，其中部和与圆柱齿轮I 610配合的圆柱齿轮II 606固定连接。

本发明的船载串并混联稳定平台的操作流程具体如下：

将摄像装置、雷达等需处于相对稳定工作环境的载体放置安装在稳定板上，基底板固定安装在船体等易受颠簸的运动物体上。

假如此时船体受到风、浪等因素的影响，导致稳定板发生了横、纵摇方向的角度偏差，即稳定板不水平，MEMS陀螺组合三轴加速度计采集姿态信号后将其依次经A/D模数转换模块、FPGA传递至ARM处理器，在ARM处理器中进行姿态解算，并基于模糊PID控制算法对稳定平台的姿态进行调整，而后ARM处理器输出一定占空比的PWM信号，该信号依次经FPGA、A/D模数转换模块和驱动模块发送至伺服电机的光电编码器，三组伺服电机根据信号执行相应的指令，三者相互配合使得稳定板达到水平状态，同时光电编码器将实际旋转角度的信息经FPGA传递至ARM处理器，ARM处理器将对实际旋转角度进行反馈，其行程闭环控制，即可实时维持稳定板的水平状态。

假如此时船体受到风、浪等因素的影响，导致稳定板发生产生垂荡运动误差即在竖直方向上发生突然上升或下降，MEMS陀螺组合三轴加速度计采集姿态信号后将其依次经A/D模数转换模块、FPGA传递至ARM处理器，在ARM处理器中进行姿态解算，并基于模糊PID控制算法对稳定平台的姿态进行调整，而后ARM处理器输出信号，信号依次经FPGA、A/D模数转换模块和驱动模块发送至伺服电机的光电编码器，伺服电机根据信号执行相应的指令驱动杆II运动实现平台的下降(上升)，从而补偿在竖直方向上的垂荡运动。

假如此时船体受到风、浪等因素的影响，导致稳定板发生产生艏摇运动误差，MEMS陀螺组合三轴加速度计采集姿态信号后将其依次经A/D模数转换模块、FPGA传递至ARM处理器，在ARM处理器中进行姿态解算，并基于模糊PID控制算法对稳定平台的姿态进行调整，而后ARM处理器输出信号，信号依次经FPGA、A/D模数转换模块和驱动模块发送至步进电机，步进电机根据信号执行相应的指令旋转，从而补偿艏摇运动误差，步进电机不设反馈调节，其为被动式调节，不同于伺服电机的主动式控制。

经验证，本发明的船载串并混联稳定平台的平台稳定性高，灵活、响应速度快且体积较小，适用于中小型舰船，应用前景好。

实施例2

一种船载串并混联稳定平台，其结构与实施例1基本相同，不同在于其共有6组稳定机构，且6组稳定机构均匀分布在稳定板上。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，这些仅是举例说明，在不违背本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。

Claims (10)

1.一种船载串并混联稳定平台，其特征在于，包括稳定板、底板、测姿装置、控制装置及位于稳定板和底板之间的3N组稳定机构，其中N为正整数；

所述稳定板用于安装需要稳定布置的设备；

所述测姿装置用于检测稳定板的倾斜角度，其与稳定板固定连接；

所述稳定机构包括球面万向节、安装在底板上的轴座及通过转动副I枢接的杆I和杆II，杆I与稳定板通过球面万向节连接，轴座与杆II通过转动副II枢接，转动副II通过独立驱动件驱动；

所述控制装置用于根据测姿装置获取的稳定板的倾斜角度控制独立驱动件使稳定板保持相对稳定。

2.根据权利要求1所述的一种船载串并混联稳定平台，其特征在于，所述测姿装置为MEMS陀螺组合三轴加速度计，其布置在稳定板靠近底板侧。

3.根据权利要求1所述的一种船载串并混联稳定平台，其特征在于，所述控制装置安装在底板靠近稳定板侧，其包括依次连接的ARM处理器、FPGA、A/D模数转换模块和驱动模块；测姿装置、A/D模数转换模块及FPGA依次连接，所述ARM处理器用于进行姿态计算得到调整指令并将该指令下发，所述FPGA用于ARM处理器与A/D模数转换模块间的信号传递，所述A/D模数转换模块用于转换FPGA与驱动模块、测姿装置间的信号，所述驱动模块用于驱动独立驱动件使稳定板保持相对稳定。

4.根据权利要求3所述的一种船载串并混联稳定平台，其特征在于，所述独立驱动件包括伺服电机、电机支架、减速器、联轴器及与FPGA串口通讯连接的光电编码器；所述伺服电机通过电机支架与底板固定连接，伺服电机的输出轴贯穿内嵌有轴承IV和轴承V的轴座且与减速器连接，输出轴上设有与杆II螺栓连接的联轴器，驱动模块、光电编码器与伺服电机依次连接。

5.根据权利要求3所述的一种船载串并混联稳定平台，其特征在于，还包括位于底板下方的基底板和安装在底板及基底板间的旋转装置，所述旋转装置用于驱动底板及基底板发生相对旋转。

6.根据权利要求5所述的一种船载串并混联稳定平台，其特征在于，所述底板所在平面与基底板所在平面相互平行。

7.根据权利要求6所述的一种船载串并混联稳定平台，其特征在于，所述旋转装置包括旋转电机、斜齿轮I、斜齿轮II、旋转轴I、旋转轴II、圆柱齿轮I、圆柱齿轮II、轴承I、轴承II及轴承III；

旋转轴I及旋转轴II的中心轴垂直于底板所在平面；

旋转电机与底板固定连接，其输出轴通过键槽与斜齿轮I连接；

旋转轴I的一端装配有与基底板固定的轴承III，靠近另一端端面位置固定有与斜齿轮I配合的斜齿轮II，其中部与圆柱齿轮I固定连接；

旋转轴II的一端装配有与底板固定的轴承I，另一端装配有与基底板固定的轴承II，其中部和与圆柱齿轮I配合的圆柱齿轮II固定连接。

8.根据权利要求7所述的一种船载串并混联稳定平台，其特征在于，所述旋转电机为步进电机，其与驱动模块连接。

9.根据权利要求8所述的一种船载串并混联稳定平台，其特征在于，所述基底板固定安装在船体上。

10.根据权利要求9所述的一种船载串并混联稳定平台，其特征在于，N为1。