CN111506119B - 一种非正交驱动三自由度内框的光电吊舱装置 - Google Patents
一种非正交驱动三自由度内框的光电吊舱装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111506119B CN111506119B CN202010341897.XA CN202010341897A CN111506119B CN 111506119 B CN111506119 B CN 111506119B CN 202010341897 A CN202010341897 A CN 202010341897A CN 111506119 B CN111506119 B CN 111506119B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- inner frame
- freedom
- driving
- orthogonal
- frame
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 4
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 abstract description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 235000017284 Pometia pinnata Nutrition 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D3/00—Control of position or direction
- G05D3/12—Control of position or direction using feedback
- G05D3/121—Control of position or direction using feedback using synchromachines (selsyns)
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16M—FRAMES, CASINGS OR BEDS OF ENGINES, MACHINES OR APPARATUS, NOT SPECIFIC TO ENGINES, MACHINES OR APPARATUS PROVIDED FOR ELSEWHERE; STANDS; SUPPORTS
- F16M11/00—Stands or trestles as supports for apparatus or articles placed thereon ; Stands for scientific apparatus such as gravitational force meters
- F16M11/02—Heads
- F16M11/04—Means for attachment of apparatus; Means allowing adjustment of the apparatus relatively to the stand
- F16M11/06—Means for attachment of apparatus; Means allowing adjustment of the apparatus relatively to the stand allowing pivoting
- F16M11/12—Means for attachment of apparatus; Means allowing adjustment of the apparatus relatively to the stand allowing pivoting in more than one direction
- F16M11/14—Means for attachment of apparatus; Means allowing adjustment of the apparatus relatively to the stand allowing pivoting in more than one direction with ball-joint
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Control Of Position Or Direction (AREA)
- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
Abstract
本发明公开了一种非正交驱动三自由度内框的光电吊舱装置，在传统多框架外框基础上，该吊舱内框包含球关节支撑，非正交驱动组，惯性姿态检测模块和驱动控制系统。球关节作为吊舱内框的支撑方式，约束着内框设备的三自由度位移自由度；三个方向的旋转自由度通过分布在俯仰外框与内框设备上的非正交驱动组进行驱动；基于惯性姿态测量单元对内框姿态与角速度进行测量，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非正交驱动组中，实现对目标的稳定跟踪功能。本发明转动隔离能力强，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，非正交驱动组不占用旋转赤道面，安装布置灵活。
Description
技术领域
本发明涉及光电跟踪领域，更具体地，涉及一种非正交驱动三自由度内框的光电吊舱装置，用于光电设备的稳定与目标跟踪领域。
背景技术
光电吊舱设备在遥感测绘，激光通信，监控安防等领域有着广泛的应用。以搭载高分遥感相机的吊舱为例，载体的振动将直接影响到成像质量的好坏。载体在空间运动的六自由度中，垂直于仪器视轴的转动自由度对图像的影响最大，因而对仪器视轴的垂面的扰动隔离为光电吊舱稳定控制的核心技术。
隔离载体振动对成像性能的影响，需要从被动振动隔离与主动稳定控制两方面入手。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，串联支撑几乎不存在被动隔离能力，来自载体的扰动将直接传递到相机视轴，而主动稳定使用的串联旋转电机的方式还存在着跟踪盲区，天顶效应与复杂的摩擦问题，限制着光电吊舱稳定精度的提高。
参考文献：1.Timothy P.Ricks,Megan M.Burton,etc.Stabilized electro-optical airborne instrumentation platform[J],Proc.SPIE 2004,5268.
2.孔德杰.机载光电平台扰动力矩抑制与改善研究[D]:[博士]，长春，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2013.
3.谢瑞宏.机载光电平台伺服系统稳定与跟踪控制技术的研究[D]:[博士]，长春，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2017.
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被动隔离能力差，摩擦耦合的问题，设计出一种基于球关节支撑的三自由度内框，并采用非正交驱动方式实现三自由度驱动的光电吊舱装置，提高了系统被动隔振能力，降低转动摩擦，增强光电吊舱的稳定跟踪能力。
本发明采用的技术方案为：一种非正交驱动三自由度内框的光电吊舱装置，在传统多框架外框基础上，该吊舱内框包含球关节支撑，非正交驱动组，惯性姿态检测模块和驱动控制系统，使用球关节作为吊舱内框的支撑方式，球关节约束限制了内框设备的三自由度位移自由度，三个方向的旋转自由度通过分布在俯仰外框与内框设备上的非正交驱动组进行驱动，基于惯性姿态测量单元对内框姿态与角速度进行测量，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非正交驱动组中，实现对目标的稳定跟踪功能。
进一步地，球关节通过与外框连接的横梁固定于内框的旋转中心，而内框在球关节支撑的转轴上展开，球关节约束作用下，内框与外框间仅存在三方向平移约束，外框的旋转扰动很难通过球关节传递到内框上，又由于外框的加速度到到内框的传递率与内框质心到球关节中心密切关联，因而内框设计需要对称于球关节中心，保证稳定平台与球关节中心尽量接近。
进一步地，基于特殊设计的非正交驱动组，实现球关节支撑内框的精确运动，其中包括至少四对驱动解耦的旋转音圈电机，巧妙布置于系统的上下球面，通过音圈电机间的驱动组合，实现内框在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对内框相对外框的姿态进行测量，同时陀螺仪的角速度测量能够直接应用于内框角速度稳定控制中，因而可以通过主动稳定的控制方法进一步提高内框对来着外框传递扰动的隔离能力。
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非正交驱动组中，实现对目标的稳定跟踪功能。
本发明与现有技术的比较优势：
(1)外框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。
(2)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，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。
(3)非正交驱动组不占用旋转赤道面，具有安装布置灵活，对内框质心分布影响较小，适合现有光电吊舱系统的改装设计。
附图说明
图1为本发明的三自由度内框光电吊舱装置示意图；
图2为本发明的旋转音圈电机单元示意图；
图3为非正交驱动组布置示意图；
图中：1为内框设备，2为中心支撑轴，3为俯仰外框，4为非正交驱动组件，5为方位外框。
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，其中内框设备1与中心支撑轴2通过球关节铰接，保留内框设备1相对中心支撑轴2的小范围三轴偏转自由度，实现良好的被动隔转特性。中心支撑轴2固定在俯仰外框的旋转中心线上，保证方位外框旋转轴线穿过内框设计的球关节中心处。为减轻重力对驱动的影响，内框质心需要控制在球关节中心。通过安装于俯仰外框3与内框设备1间的非正交驱动组件4，实现内框设备的三自由度主动驱动。同时俯仰外框3与方位外框5遵循传统外框连接方式，实现方位俯仰的大范围调转控制和抗风扰。
图2为本发明实施方案中的一种旋转音圈电机单元示意图，包括径向充磁工艺的永磁体，线圈与轭铁。其中轭铁固定于俯仰外框3，其上下支为窄球壳型，而中间的永磁体固定在轭铁的下支；框型线圈套入轭铁的上支，单面线圈将与永磁体形成间隙磁场。当线圈通电，单边线圈将产生驱动方向的驱动力，使得与线圈固定的内框设备产生位移。由于框型线圈的宽度要大于轭铁上支，因而当线圈因其他驱动运动发生耦合方向的位移或旋转，并不影响其产生沿着线框驱动方向的驱动力。多组旋转音圈电机单元的组合与互相驱动解耦即可实现三自由度驱动。
图3为非正交驱动组布置示意图。由于俯仰框架的旋转中心上需要安装外框驱动俯仰电机，编码器，也需要安装联通内外设计的导电环，往往很难存在空间去布置音圈电机单元，因而只能将驱动组件布置于俯仰外框的上下球面上，通过巧妙的布置驱动单元的位置方向，实现三自由度的内框驱动。如图3所示为下球面的4个驱动单元布置方式，其中以音圈电机的垂直中心轴与长轴作为布置参考轴线，四个音圈电机的垂直中心轴均指向球关节中心，且互相与xz平面yz平面镜像对称；用基于球关节中心的极坐标可以描述其中一个的中心轴的方位角(xy平面投影与x轴正方向夹角)和俯仰角(xy平面投影与中心轴的夹角)。需要指出的是方位角推荐设计为45度，同时音圈的长轴与xy的投影也为45度，此时的驱动力矩方向为音圈电机的短轴方向，由于中心轴方位为45度，驱动力矩与水平面的投影也为45度，便于非正交驱动间的力矩互相抵消。
图3给出了绕不同坐标轴旋转对应的V1-4各音圈电机的驱动方向。其中粗实线为绕Z轴驱动，此时的驱动力实际方式最为直观，驱动力方向绕着z轴方向旋转施加即可，而绕y和x轴的驱动实现方式需要对驱动矢量进行解耦分析。以粗实线方向驱动为正方向，此时图中V1-4对应的驱动力矩方向分别为空间坐标上部的4,3,2,1象限，驱动力矩与水平面投影与xy轴成45度角。当绕y旋转时，1,2象限驱动保持正向，而3，4象限驱动反向，此时z轴与x轴的驱动互相抵消，仅存在y轴方向驱动力矩，对应于图3中V1-4的驱动方向虚线方向。同理绕x轴驱动需要1,4象限保持正向，2，3象限反向，对应细实线驱动方向。
电流驱动力矩分析：
M＝M1+M2+M3+M4
M1＝[-aI1,aI1,bI1]T
M2＝[-aI2,-aI2,bI2]T
M3＝[aI3,-aI3,bI3]T
M4＝[aI4,aI4,bI4]T
系统控制中需要将计算得到的动系驱动力矩转换到驱动电流上，则有：
I＝(ATA)-1ATM
其中ATA可逆，系统存在逆解。上下面一起驱动则需要将A扩展为3X8矩阵，同样可以实现驱动反解。
通过惯性姿态测量单元对内框相对外框的姿态进行测量。基于系统的驱动模型和动系角速度测量，设计动系角速度闭环的主动稳定的控制方法提高内框对外框残余扰动的隔离能力。利用内框1中搭载的光电设备测量得到的目标绝对姿态偏差，馈入控制系统位置环，实现对目标的稳定跟踪功能。
Claims (1)
1.一种非正交驱动三自由度内框的光电吊舱装置，包括吊舱内框，其特征在于：吊舱内框包含球关节支撑，非正交驱动组，惯性姿态检测模块和驱动控制系统；使用球关节作为吊舱内框的支撑方式，球关节约束限制了内框设备的三自由度位移自由度；三个方向的旋转自由度通过分布在俯仰外框与内框设备上的非正交驱动组进行驱动；基于惯性姿态测量单元对内框姿态与角速度进行测量，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非正交驱动组中，实现对目标的稳定跟踪功能；其中，内框设备(1)与中心支撑轴(2)通过球关节铰接，保留内框设备(1)相对中心支撑轴(2)的小范围三轴偏转自由度；中心支撑轴(2)固定在俯仰外框的旋转中心线上，保证方位外框旋转轴线穿过内框设计的球关节中心处；内框质心需要控制在球关节中心；通过安装于俯仰外框(3)与内框设备(1)间的非正交驱动组件(4)，实现内框设备的三自由度主动驱动；旋转音圈电机包括径向充磁工艺的永磁体，线圈与轭铁，其中轭铁固定于俯仰外框(3)，其上下支为窄球壳型，而中间的永磁体固定在轭铁的下支；框型线圈套入轭铁的上支，单面线圈将与永磁体形成间隙磁场；当线圈通电，单边线圈将产生驱动方向的驱动力，使得与线圈固定的内框设备产生位移；由于框型线圈的宽度要大于轭铁上支，因而当线圈因其他驱动运动发生耦合方向的位移或旋转，并不影响其产生沿着线框驱动方向的驱动力；多组旋转音圈电机单元的组合与互相驱动解耦即可实现三自由度驱动。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010341897.XA CN111506119B (zh) | 2020-04-27 | 2020-04-27 | 一种非正交驱动三自由度内框的光电吊舱装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010341897.XA CN111506119B (zh) | 2020-04-27 | 2020-04-27 | 一种非正交驱动三自由度内框的光电吊舱装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111506119A CN111506119A (zh) | 2020-08-07 |
| CN111506119B true CN111506119B (zh) | 2023-02-14 |
Family
ID=71876460
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010341897.XA Active CN111506119B (zh) | 2020-04-27 | 2020-04-27 | 一种非正交驱动三自由度内框的光电吊舱装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111506119B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112629384B (zh) * | 2020-12-18 | 2022-08-02 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种虎克倾斜盘式球关节姿态检测装置 |
| CN115854192A (zh) * | 2022-11-30 | 2023-03-28 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种球关节驱动的三轴光电跟踪机架 |
| CN115585790A (zh) * | 2022-12-05 | 2023-01-10 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种测绘装置、测绘方法及计算机设备 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN204871625U (zh) * | 2015-06-25 | 2015-12-16 | 李永友 | 一种安装拍摄器材的云台 |
| CN107111322A (zh) * | 2016-12-12 | 2017-08-29 | 深圳市大疆创新科技有限公司 | 云台及其操作方法、控制方法，及使用其的可移动设备 |
| CN108216661A (zh) * | 2017-12-22 | 2018-06-29 | 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所 | 一种音圈电机驱动的两轴四框架机构的光电吊舱 |
| KR102093916B1 (ko) * | 2019-04-26 | 2020-03-26 | 한화시스템 주식회사 | 전자광학 표적추적장비 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102426420B (zh) * | 2011-11-27 | 2014-10-15 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种强鲁棒性的运动载体光电稳定平台控制系统 |
| WO2016187837A1 (zh) * | 2015-05-27 | 2016-12-01 | 北京合众思壮科技股份有限公司 | 一种双自由度旋转控制装置及设有该装置的应用系统 |
| CN107804471A (zh) * | 2017-10-20 | 2018-03-16 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种搭载光电吊舱的收、放装置 |
| CN108036801B (zh) * | 2017-12-30 | 2020-05-19 | 湖北航天技术研究院总体设计所 | 视轴惯性稳定参考基准装置 |
-
2020
- 2020-04-27 CN CN202010341897.XA patent/CN111506119B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN204871625U (zh) * | 2015-06-25 | 2015-12-16 | 李永友 | 一种安装拍摄器材的云台 |
| CN107111322A (zh) * | 2016-12-12 | 2017-08-29 | 深圳市大疆创新科技有限公司 | 云台及其操作方法、控制方法，及使用其的可移动设备 |
| CN108216661A (zh) * | 2017-12-22 | 2018-06-29 | 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所 | 一种音圈电机驱动的两轴四框架机构的光电吊舱 |
| KR102093916B1 (ko) * | 2019-04-26 | 2020-03-26 | 한화시스템 주식회사 | 전자광학 표적추적장비 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 沈颖凡等.航空吊舱稳定平台结构设计.《航空兵器》.2010,(第03期),第63-66页. * |
| 田素林等.机载多框架光电吊舱无转角隔振方式设计.《长春理工大学学报(自然科学版)》.2009,第32卷(第04期),第14-17页. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111506119A (zh) | 2020-08-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111506119B (zh) | 一种非正交驱动三自由度内框的光电吊舱装置 | |
| US20210302963A1 (en) | Method and system for stabilizing a payload | |
| CN111604935B (zh) | 一种电磁驱动两自由度球型机器人手腕及其控制方法 | |
| CN2413266Y (zh) | 多用途水平稳定平台 | |
| CN107219864B (zh) | 一种伺服/手控混合式三自由度轻小型无人机遥感云台系统 | |
| EP0526774A2 (en) | Electric motor having a spherical rotor and its application apparatus | |
| CN102778234B (zh) | 一种高精度大负载惯性稳定平台 | |
| CN111506118B (zh) | 一种使用正交解耦力矩驱动的三自由度光电吊舱 | |
| CN105204543B (zh) | 一种电磁驱动的Stewart主被动一体隔振平台 | |
| CN102818569B (zh) | 一种五自由度主动磁悬浮惯性稳定平台 | |
| JPH01502293A (ja) | ３軸安定プラットホーム | |
| EP1165371A1 (en) | System and method for controlling the attitude of a spacecraft | |
| CN111152931A (zh) | 一种小型三轴光电吊舱控制系统 | |
| CN109263870B (zh) | 基于矢量多旋翼系统的六自由度运动平台及其控制方法 | |
| CN213777044U (zh) | 一种三轴稳定型光电平台 | |
| CN108321983B (zh) | 一种轻小型云台框架力矩电机与光电码盘组合式连接装置 | |
| CN111442171B (zh) | 一种内动子洛伦兹惯性稳定平台 | |
| CN219914417U (zh) | 一种陀螺惯导双控制探头 | |
| Li et al. | Attitude control of staring-imaging satellite using Permanent Magnet momentum Exchange Sphere | |
| CN110441755A (zh) | 激光测风雷达指向自稳定双转镜扫描系统 | |
| CN111442172B (zh) | 一种洛伦兹惯性稳定平台 | |
| Jiang et al. | Research on Omni-directional Adaptive Stable Platform Technology | |
| CN106933254A (zh) | 一种无框架球型云台装置 | |
| CN116827237A (zh) | 一种球形电机驱动的t型光电跟踪转台 | |
| CN116972693A (zh) | 一种五轴三框稳瞄装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |