CN111506118A - 一种使用正交解耦力矩驱动的三自由度光电吊舱 - Google Patents

一种使用正交解耦力矩驱动的三自由度光电吊舱 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种使用正交解耦力矩驱动的三自由度光电吊舱，该吊舱至少包含以下结构：球关节支撑，正交解耦驱动组，相对姿态检测模块和驱动控制系统，在球关节约束下，稳定平台与载体间可以认为仅存在位移自由度约束；三个方向的旋转自由度通过分布在载体定子与稳定台动子上的正交解耦驱动组进行驱动。通过惯性姿态测量单元，接触或非接触测量方式对稳定平台相对载体的姿态进行测量，结合光电载荷测量得到的目标绝对姿态偏差，馈入驱动控制系统，解算出控制电流加载到球形驱动组中，实现对光轴的稳定跟踪功能。由于正交解耦驱动中，各方向的驱动力矩互相垂直，系统的电流驱动转换效率高，驱动力矩误差低，有利于稳定平台的控制精度提高。

Description

一种使用正交解耦力矩驱动的三自由度光电吊舱
技术领域
本发明涉及光电跟踪领域，更具体地，涉及一种使用正交解耦力矩驱动的三自由度光电吊舱，用于光电设备的稳定与目标跟踪领域。
背景技术
光电吊舱设备广泛应用于遥感测绘，激光通信，安防监控等领域，通过隔离载体振动对光电载荷的光轴进行高精密稳定控制，实现对目标的跟踪测量等工作需求。由于目标距离一般超过千米，空间六自由度运动中对光轴影响最大的自由度为垂直光轴平面的转动自由度，理论上该平面的两自由度转动控制即可实现光轴的精密稳定。
现有的吊舱结构一般为串联支撑驱动的两轴两框架或两轴四框架结构，驱动方向相对载体往往无法变化，但是实际工作中光轴跟踪目标的需求会使得光轴指向发生变化，因而必须依赖驱动正切补偿来实现对光轴的稳定，当正切补偿过大，超出系统跟踪能力时便会出现跟踪盲区。同时串联旋转电机的方式使得系统结构耦合复杂，有效载荷空间缩小，且多转动部件的摩擦力矩直接影响着跟踪精度的提高。
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发明内容
本发明解决的技术难题为现有光电吊舱设计中存在载荷空间小，跟踪盲区，摩擦耦合严重的问题，设计出一种基于球关节支撑，正交解耦驱动的光电吊舱装置，扩大有效载荷空间，克服正切补偿跟踪盲区问题，降低转动摩擦，增强系统的被动隔转特性，提高光电吊舱的稳定跟踪能力。
本发明采用的技术方案为：一种使用正交解耦力矩驱动的三自由度光电吊舱，该吊舱使用球关节作为载体与稳定平台的支撑，该吊舱至少包含以下结构：球关节支撑，正交解耦驱动组，相对姿态检测模块和驱动控制系统，在球关节约束下，稳定平台与载体间可以认为仅存在位移自由度约束，三个方向的旋转自由度通过分布在载体定子与稳定台动子上的正交解耦驱动组进行驱动，通过惯性姿态测量单元，接触或非接触测量方式对稳定平台相对载体的姿态进行测量，结合光电载荷测量得到的目标绝对姿态偏差，馈入驱动控制系统，解算出控制电流加载到球形驱动组中，实现对光轴的稳定跟踪功能。
进一步地，球关节固定于载体上，稳定平台通过球关节与载体相联，球关节约束作用下，载体与平台间仅存在三方向平移约束，而载体的旋转扰动很难通过球关节传递到稳定平台上，又由于载体的加速度到到稳定平台的传递率与稳定平台质心到球关节中心密切关联，因而稳定平台外形设计会围绕旋转中心，保证稳定平台与球关节中心尽量接近。
进一步地，基于特殊设计的正交驱动组，实现球关节支撑吊舱的精确运动，其中包括至少三对驱动解耦的面型电机，巧妙布置于系统的赤道面上，实现XYZ三轴方向的小范围旋转驱动。
进一步地，通过惯性姿态测量单元，接触或非接触测量方式对稳定平台相对载体的姿态进行测量，不限制姿态测量方法，核心是通过以上手段得到的相对姿态能用于稳定平台的姿态控制算法。
进一步地，结合光电载荷测量得到的目标绝对姿态偏差，馈入驱动控制系统，解算出控制电流加载到正交驱动组中，实现对光轴的稳定跟踪功能。
本发明与现有技术的比较优势：
(1)串联旋转部件的吊舱结构有效载荷仅为框架的中心部分，很难扩容，而球关节支撑的载荷可以外覆于驱动中心，载荷体积扩充方便。
(2)球关节驱动可以实现驱动范围内的任意方向旋转，基于相对位置检测的驱动解算，能控制球形驱动组输出始终垂直于光轴的驱动力矩，克服盲区问题。
(3)球关节支撑将多自由度旋转集合到单个关节，非承载方向转动摩擦甚至可以忽略，降低了系统所受摩擦干扰作用。同时载体的转动变化只能通过球关节传递，等效的传递特性刚度阻尼低，转动隔离能力强。转轴间不存在串联式的载荷叠加效应，大幅度降低了轴间耦合作用。
(4)正交解耦驱动中，各方向的驱动力矩互相垂直，系统的电流驱动转换效率高，驱动力矩误差低，有利于稳定平台的控制精度提高。
附图说明
图1为本发明的球关节支撑光电吊舱装置示意图；
图2为本发明的面型电机组单元示意图；
图3为正交解耦驱动组布置示意图；
图4为三维结构示意图。
图中：1为定子，2为半球型转子，3为球关节支撑，4为面型电机组单元，5为载荷。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
图1是本发明的一种实施方案的示意图，其中球关节支撑3的固定圈连接于载体上的定子1保留球关节转轴的三方向旋转，约束着球关节转轴的三方向位移；定子结构中有外延的半球形结构，包覆在半球形转子2外部；半球型转子与球关节支撑固连，转子连接载荷5作为系统的稳定平台；半球型转子2的外壁布置着球壳型永磁体组，定子1球壳内部布置着球壳型线圈。转子和定子的球心均为球关节支撑中心，转子与定子的球形间隙即为由球壳型永磁线圈组合的面型电机组4，为转子提供空间三自由度转动驱动。转子相对定子的姿态由安装于载荷中的惯性姿态测量系统等进行测量，系统控制器接受相对姿态用于计算驱动力矩与驱动组电流的关系，用于目标的跟踪稳定控制。
图2为本发明实施方案中的一种面型电机组单元示意图，其中包含球壳形的永磁体阵列和线圈。其中线圈与永磁体的长宽比一般较大，线圈长度大于永磁阵列，宽度小于永磁体阵列。当线圈通电后，上环与下环的电流方向相反，而对应的永磁体方向也相反，因而线圈将受到图示向下的作用力，当线圈的有效驱动长度越大，对应的驱动力也越大。当永磁体阵列发生小范围转动位移时，仍能够为线圈提供垂直于纸面的磁场，线圈在该运动范围内始终受到向下的作用力，因而为转子提供不受其他方向转动耦合的驱动力矩。
当两个单元对称于球心布置，产生相反作用力，则该组单元对转子产生的力矩大小为：
Ms＝4NBIlL
其中N为线圈匝数，B为磁感应强度，I为通电电流，l为线圈长度，L为驱动力臂。
图3为正交解耦驱动组各驱动单元的布置方案。VC1-6为图2中的电机组单元，布置于球面赤道中心，外部转子安装永磁阵列，内部定子安装面型线圈。其中VC1和VC4成对布置于X轴，线圈长轴平行纸面，产生垂直纸面的作用力，提供绕Y轴的驱动力矩；VC2和VC5成对布置于45度轴，线圈长轴垂直纸面，产生平行纸面的作用力，提供绕Z轴的驱动力矩；VC3和VC6成对布置于Y轴，提供绕X轴的驱动力矩。由于驱动单元在转子永磁体的小范围偏移内，提供方向不变的线性洛伦磁力，因而当Z轴转动使得XY驱动组永磁阵列发生沿线圈宽度方向的位移时，对XY驱动组的驱动力矩的影响很低；同理X轴转动对YZ轴驱动永磁阵列带来的旋转也不会对YZ轴驱动产生较大影响。三轴方向的驱动力矩互相正交，互相之间不存在耦合问题，通过适当的组合互补即可产生所需的空间任意方向转动力矩，克服盲区问题。
图4为本发明的一种实施方案的三维示意图，为图1的补充示意图。转子通过球关节与定子铰接，提供三维支撑约束；面型电机组线圈与定子固连，永磁体与转子固连，提供三自由度驱动力矩。
以ZYX欧拉角(γ,β,α)定义转子姿态，则转子姿态旋转矩阵(定坐标系到动坐标系)为：
Figure BDA0002468750090000041
惯性姿态测量单元融合地磁计加速度计与陀螺仪，对动子相对惯性空间的绝对姿态进行测量。由于驱动组需要相对姿态测量，因而还需结合载体的姿态测量，通过两者的姿态差计算得到转子相对定子的相对姿态。
载荷5上搭载着相机等光电设备，通过光电测量得到的目标绝对姿态偏差，馈入驱动控制系统，解算出控制电流加载到球形驱动组中，实现对目标的稳定跟踪功能。

Claims (5)

1.一种使用正交解耦力矩驱动的三自由度光电吊舱，其特征在于：该吊舱使用球关节作为载体与稳定平台的支撑，该吊舱至少包含以下结构：球关节支撑，正交解耦驱动组，相对姿态检测模块和驱动控制系统；在球关节约束下，稳定平台与载体间可以认为仅存在位移自由度约束；三个方向的旋转自由度通过分布在载体定子与稳定台动子上的正交解耦驱动组进行驱动；通过惯性姿态测量单元，接触或非接触测量方式对稳定平台相对载体的姿态进行测量，结合光电载荷测量得到的目标绝对姿态偏差，馈入驱动控制系统，解算出控制电流加载到球形驱动组中，实现对光轴的稳定跟踪功能。
2.根据权利要求1所述的一种使用正交解耦力矩驱动的三自由度光电吊舱，其特征在于：球关节固定于载体上，稳定平台通过球关节与载体相联，球关节约束作用下，载体与平台间仅存在三方向平移约束，而载体的旋转扰动很难通过球关节传递到稳定平台上，又由于载体的加速度到到稳定平台的传递率与稳定平台质心到球关节中心密切关联，因而稳定平台外形设计会围绕旋转中心，保证稳定平台与球关节中心尽量接近。
3.根据权利要求1所述的一种使用正交解耦力矩驱动的三自由度光电吊舱，其特征在于：基于特殊设计的正交驱动组，实现球关节支撑吊舱的精确运动，其中包括至少三对驱动解耦的面型电机，巧妙布置于系统的赤道面上，实现XYZ三轴方向的小范围旋转驱动。
4.根据权利要求1所述的一种使用正交解耦力矩驱动的三自由度光电吊舱，其特征在于：通过惯性姿态测量单元，接触或非接触测量方式对稳定平台相对载体的姿态进行测量，不限制姿态测量方法，核心是通过以上手段得到的相对姿态能用于稳定平台的姿态控制算法。
5.根据权利要求1所述的一种使用正交解耦力矩驱动的三自由度光电吊舱，其特征在于：结合光电载荷测量得到的目标绝对姿态偏差，馈入驱动控制系统，解算出控制电流加载到正交驱动组中，实现对光轴的稳定跟踪功能。
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