CN112611379A - 一种惯导稳定平台及其标校、安装方法 - Google Patents

一种惯导稳定平台及其标校、安装方法 Download PDF

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CN112611379A CN202011353271.7A CN202011353271A CN112611379A CN 112611379 A CN112611379 A CN 112611379A CN 202011353271 A CN202011353271 A CN 202011353271A CN 112611379 A CN112611379 A CN 112611379A
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Abstract

本发明公开了一种惯导稳定平台及其标校、安装方法，涉及伺服控制系统领域，该稳定平台包括基座，所述基座上设置有安装面、内框和外框，所述安装面位于外框内，所述安装面能够随外框在水平方向转动，所述安装面能够随内框在竖直方向转动，且所述内框能够随外框转动，所述惯导的横滚轴与外框对齐，惯导的俯仰轴与内框对齐；所述安装面上设置有负载，所述惯导固定在基座上，当基座存在扰动时，惯导能够检测相应的角度变化并传输至电机控制器，电机控制器通过调节内框、外框的轴角进行补偿，即可保持安装面的稳定。本发明能够使负载在惯性空间保持稳定。

Description

一种惯导稳定平台及其标校、安装方法
技术领域
本发明涉及伺服控制系统领域，具体涉及一种惯导稳定平台及其标校、安装方法。
背景技术
惯导稳定平台的作用是以惯导为惯性测量元件，隔离动基座对负载的角扰动，当基座存在扰动时，通过调节内外框的轴角进行补偿，使负载在惯性空间保持稳定。
惯导通常与负载安装在同一平面，惯导的俯仰角和横滚角也就是负载的倾角，可直接用惯导数据作反馈，驱动内外框电机控制器运动来补偿负载惯导倾斜角。
但是，当负载安装面空间有限，安装负载后没有空间安装惯导，只能将惯导安装在基座上，这时惯导只能感知基座的姿态变化，不能直接反应负载的姿态，若直接使用惯导数据作为反馈驱动电机控制器进行补偿，会存在误差，导致负载难以在惯性空间保持稳定。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种惯导稳定平台及其标校、安装方法，能够使负载在惯性空间保持稳定。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种对惯导稳定平台进行标校的方法，
惯导稳定平台包括基座，所述基座上设置有安装面、内框和外框，所述安装面位于外框内，所述安装面能够随外框在水平方向转动，所述安装面能够随内框在竖直方向转动，且所述内框能够随外框转动，所述安装面上设置有负载，所述惯导固定在基座上；
该方法包括以下步骤：，
惯导的输出为东北天坐标系n，东北天坐标系n与载体坐标系b的欧拉角旋转关系为：将东北天坐标系n通过在Z轴方向偏航-ψ，偏航角的定义与Z轴的旋转方向相反，在X轴俯仰θ，在Y轴方向横滚γ至与载体坐标系b对齐；
负载坐标系w的X轴为外框的旋转轴，Y轴为内框的旋转轴，Z轴与X轴、Y轴满足右手法则；
将东北天坐标系n系旋转得到载体坐标系b的过程中，由旋转矩阵的链式法则得到公式：
Figure BDA0002801940890000021
如果在载体坐标系b系中有向量Ab，则它在东北天坐标系n中对应的坐标An为公式：
Figure BDA0002801940890000022
其中，
Figure BDA0002801940890000023
将公式变形可得到公式：
Figure BDA0002801940890000024
利用旋转矩阵的是正交矩阵的性质，公式可变换为公式：
Figure BDA0002801940890000025
进一步变形为导航中常用的公式：
Figure BDA0002801940890000026
其中，
Figure BDA0002801940890000027
Figure BDA0002801940890000028
是导航中常用的旋转矩阵形式，
Figure BDA0002801940890000029
和
Figure BDA00028019408900000210
描述的是同一个旋转过程，不过
Figure BDA00028019408900000211
是b在n系中的投影，而
Figure BDA00028019408900000212
是n系在b系中的投影，他们互为转置；
由于载体坐标系b和负载坐标系w原点不重合，载体坐标系b需要先旋转到与负载坐标系w同向的负载系w’系，再平移才能与负载系w完全重合；
但是稳定平台的目的是使负载保持水平，而平移不影响负载的倾角，所以本实施例只需考虑大地坐标系n与负载系w’之间的关系。
根据旋转关系可得旋转矩阵，即公式：
Figure BDA0002801940890000031
其中
Figure BDA0002801940890000032
即载体坐标系b到稳定平台零位坐标系t的旋转矩阵，与惯导的安装和平台的零位有关系，为了得到简单的解算关系需要将惯导的轴系与平台的轴系标定一致；
以xb与外框对应，yb与内框对应，绕外框旋转p，即绕y轴旋转p；绕内框旋转q，即绕x轴旋转q，对应的旋转矩阵为公式：
Figure BDA0002801940890000033
由公式可知，当p＝-γ，q＝-θ时，后个矩阵相乘结果为单位阵，即：
Figure BDA0002801940890000034
同样在w'系中取向量A＝(1,0,0)T和向量B＝(0,1,0)T，在n系中取向量Zn＝(0,0,1)T，得到此时不管ψ为多少，都满足公式：
Figure BDA0002801940890000035
满足公式即满足稳定平台的要求，即当所述惯导的横滚轴与外框对齐，惯导的俯仰轴与内框对齐时，控制外框调节量为惯导的横滚的负值，内框调节量为惯导俯仰的负值时，可将负载调平。
一种惯导稳定平台，包括基座，所述基座上设置有安装面、内框和外框，所述安装面位于外框内，所述安装面能够随外框在水平方向转动，所述安装面能够随内框在竖直方向转动，且所述内框能够随外框转动，所述惯导的横滚轴与外框对齐，惯导的俯仰轴与内框对齐；
所述安装面上设置有负载，所述惯导固定在基座上，当基座存在扰动时，惯导能够检测相应的角度变化并传输至电机控制器，电机控制器通过调节内框、外框的轴角进行补偿，即可保持安装面的稳定。
一种惯导稳定平台的安装方法，包括以下步骤：
将惯导的横滚轴与外框对齐，惯导的俯仰轴与内框对齐，具体方法为：调节用于固定外框、内框的螺丝孔的框量，使惯导在旋转过程中俯仰角的变化量趋于零，将惯导固定，将外框调至水平，再将内框调至水平。
进一步的，将所述惯导固定后，还包括以下步骤：确定转台的基准零位：
A、完成安装后，记录当前惯导的角度；
B、控制外框运动使外框水平，此时外框的角度为横滚角的负值，可反推出外框的零位；
C、控制内框运动使内框水平，此时内框的角度为俯仰角的负值，再反推出内框的零位。
D、根据反推出的零位值进行校准。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明中的惯导稳定平台，安装面位于外框内，安装面能够随外框在水平方向转动，安装面能够随内框在竖直方向转动，且内框能够随外框转动，安装面上设置有负载，惯导固定在基座上惯导安装在基座上，不受负载面内的空间限制。
(2)本发明中的惯导惯导稳定平台，当横滚轴与外框对齐，惯导的俯仰轴与内框对齐，基座存在扰动时，惯导的横滚轴和俯仰轴随之运动，此时，通过控制外框调节量为惯导的横滚的负值，内框调节量为惯导俯仰的负值时，即可将负载调平，算法简单有效，计算量小，所提供的安装和标校方法可操作性强。
附图说明
图1为本发明实施例中惯导稳定平台的结构示意图；
图2为本发明实施例中东北天坐标系n到负载坐标系w总的旋转过程图；
图3为本发明实施例中负载系w’与负载系w之间的平移位置关系图；
图4为本发明实施例中xb对应外框、yb对应内框轴系坐标示意图；
图5为本发明实施例中yb对应外框、xb对应内框轴系坐标示意图；
图6为惯导方位安装偏差的示意图。
图中：1-基座，2-安装面，3-内框，4-外框，5-负载，6-惯导，7-螺丝。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明实施例提供一种惯导稳定平台及其标校、安装方法，该惯导稳定平台包括基座1，基座1上设置有安装面2、内框3和外框4，内框3能够随外框4转动，而内框3转动时外框4不随之运动，内框3的面积小于外框4的面积，安装面2位于外框4内，安装面2能够随外框4在水平方向转动，安装面2能够随内框3在竖直方向转动，且内框3能够随外框4转动，安装面2上设置有负载5，惯导6固定在基座1上，惯导6的横滚轴与外框4对齐，惯导6的俯仰轴与内框3对齐，在使用中，当基座存在扰动时，惯导6将本身横滚轴和俯仰轴的变化传输至电机控制器，电机控制器控制内框3、外框4进行相应的动作，由于惯导6的横滚轴与外框4对齐，惯导6的俯仰轴与内框3对齐，外框4调节量为惯导6的横滚的负值，内框3调节量为惯导6俯仰的负值时，调整方式较简单，且效率较高。
本实施例中惯导6的输出采用东北天坐标系n，建立坐标系，东北天坐标系n以下简称n系，X轴指东，Y轴指北，Z轴指天，东北天坐标系n与载体坐标系b(载体坐标系建立在基座上，东北天坐标系只与经纬度相关，载体坐标系可以理解成当地的水平面对应的坐标系)以下简称b系的欧拉角旋转关系为：将东北天坐标系n通过偏航Z轴——俯仰X轴——横滚Y轴旋转到与载体坐标系b对齐，姿态角依次为偏航-ψ，俯仰θ，横滚γ，偏航角的定义与Z轴的旋转方向相反。
负载坐标系w以下简称w系，X轴为外框4的旋转轴，Y轴为内框3的旋转轴，Z轴与X轴、Y轴满足右手法则，由于内框3的旋转轴随外框4在变化，根据欧拉角的旋转规则，要求先旋转外框4，再旋转内框3。
因此，东北天坐标系n到负载坐标系w总的旋转过程参见图2所示：
东北天坐标系n先绕Z轴旋转ψ得到1系，再绕X轴旋转θ得到2系，然后绕Y轴旋转γ得到载体坐标系b，载体坐标系b通过若干次旋转至与平台静止坐标相同的t系，然后绕外框4旋转角度p，绕内框3旋转角度q，得到负载系w’，将负载系w’平移即可得到负载系w。
参见图3，将东北天坐标系n旋转得到载体坐标系b的过程中，以东北天系n与载体坐标系b之间的旋转为例规定本实施例中旋转矩阵的含义：
由旋转矩阵的链式法则得到公式
Figure BDA0002801940890000071
如果在b系中有向量Ab，则它在n系中对应的坐标An为公式2：
Figure BDA0002801940890000072
其中
Figure BDA0002801940890000073
将公式2变形可得到公式3：
Figure BDA0002801940890000074
利用旋转矩阵的是正交矩阵的性质，公式3可变换为公式4：
Figure BDA0002801940890000075
进一步变形为导航中常用的公式5：
Figure BDA0002801940890000076
其中，
Figure BDA0002801940890000077
Figure BDA0002801940890000078
是导航中常用的旋转矩阵形式，
Figure BDA0002801940890000079
和
Figure BDA00028019408900000710
描述的是同一个旋转过程，不过
Figure BDA00028019408900000711
是b在n系中的投影，而
Figure BDA00028019408900000712
是n系在b系中的投影，他们互为转置。
参见图3，由于载体坐标系b和负载系w原点不重合，载体坐标系b需要先旋转到与负载系w同向的w’系，再平移才能与负载系w完全重合。
但是稳定平台的目的是使负载5保持水平，而平移不影响负载5的倾角，所以本实施例只需考虑大地坐标系n与负载系w’之间的关系。
根据旋转关系可得旋转矩阵，即公式6：
Figure BDA0002801940890000081
其中
Figure BDA0002801940890000082
即载体坐标系b到稳定平台零位坐标系t的旋转矩阵，与惯导6的安装和平台的零位有关系。
为了得到简单的解算关系需要将惯导的轴系与平台的轴系标定一致，这样有以下两种对应关系。
关系一、参见图3所示：xb与外框4对应，yb与内框3对应，绕外框4旋转p，即绕x轴旋转p；绕内框3旋转q，即绕y轴旋转q。
则旋转矩阵为公式7：
Figure BDA0002801940890000083
先在w'系中取向量Aw'＝(1,0,0)T，则该向量在n中的表达为公式8：
Figure BDA0002801940890000084
然后在w'系中取向量Bw'＝(0,1,0)T，则该向量在n中的表达为公式9：
Figure BDA0002801940890000085
在n系中取向量Zn＝(0,0,1)T，要使稳定平台保持水平，需满足公式10：
Figure BDA0002801940890000091
将公式7、8、9代入公式10中，可求得p，q，即对应内框3、外框4的调节量，解算过程较复杂。
关系二、参见图4所示：xb与外框4对应，yb与内框3对应，绕外框4旋转p，即绕y轴旋转p；绕内框3旋转q，即绕x轴旋转q。
对应的旋转矩阵为公式11：
Figure BDA0002801940890000092
由公式11可知，当p＝-γ，q＝-θ时，后5个矩阵相乘结果为单位阵，即：
Figure BDA0002801940890000093
同样在w'系中取向量A＝(1,0,0)T和向量B＝(0,1,0)T，在n系中取向量Zn＝(0,0,1)T，得到此时不管ψ为多少，都满足公式12：
Figure BDA0002801940890000094
即满足稳定平台要求，由此可知，当惯导6的横滚轴与外框4对齐，惯导6的俯仰轴与内框3对齐时，控制外框4调节量为惯导6的横滚的负值，内框3调节量为惯导6俯仰的负值时，可将负载调平。
本实施例在安装时，当惯导6的横滚轴与外框4对齐，惯导6的俯仰轴与内框3对齐时，参见图1所示，由于方位方向由4个固定螺丝孔位控制，而螺丝固定通常有框量，导致方位精度难以保证，容易存在图5中的方位安装偏差，此时旋转矩阵为公式13：
Figure BDA0002801940890000101
不再是单位矩阵，不能满足公式12，因此，需要对安装方位进行调整：
将外框4的框架固定并使之不可变化，惯导6可以随基座1绕外框轴旋转，如果轴系完全对齐，惯导6输出理论上只有横滚角在变化，但是如果存在方位偏差，俯仰角也会随着变化，这时通过调节螺丝孔的框量，使旋转过程中俯仰角的变化量趋于零，然后固定，即可认为惯导6安装实现与外框4和内框3的对齐。
惯导6安装后，需要确定转台的基准零位，目前通常先安装惯导6，使惯导6的俯仰角和横滚角均为零，将外框4调至水平，再将内框3调至水平，此时即为内框3、外框4的零位，但是由于基座1较重，惯导6调零的过程比较麻烦，难度较大且效率较低。
由上文分析可知：当p＝-γ，q＝-θ时负载保持水平，得到如下零位标校步骤：
A、完成安装后，记录当前惯导6的角度。
B、控制外框4运动使外框4水平，此时外框4的角度为横滚角的负值，可反推出外框4的零位。
C、控制内框3运动使内框3水平，此时内框3的角度为俯仰角的负值，再反推出内框3的零位。
D、根据反推出的零位值进行校准。
本发明不仅局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本发明相同或相近似的技术方案，均在其保护范围之内。

Claims (4)

1.一种对权利要求1所述惯导稳定平台进行标校的方法，其特征在于：所述基座(1)上设置有安装面(2)、内框(3)和外框(4)，所述安装面(2)位于外框(4)内，所述安装面(2)能够随外框(4)在水平方向转动，所述安装面(2)能够随内框(3)在竖直方向转动，且所述内框(3)能够随外框(4)转动，所述安装面(2)上设置有负载(5)，所述惯导(6)固定在基座(1)上；
所述方法包括以下步骤：
惯导(6)的输出为东北天坐标系n，东北天坐标系n与载体坐标系b的欧拉角旋转关系为：将东北天坐标系n通过在Z轴方向偏航-ψ，偏航角的定义与Z轴的旋转方向相反，在X轴俯仰θ，在Y轴方向横滚γ至与载体坐标系b对齐；
负载坐标系w的X轴为外框(4)的旋转轴，Y轴为内框(3)的旋转轴，Z轴与X轴、Y轴满足右手法则；
将东北天坐标系n系旋转得到载体坐标系b的过程中，由旋转矩阵的链式法则得到公式1：
Figure FDA0002801940880000011
如果在载体坐标系b系中有向量Ab，则它在东北天坐标系n中对应的坐标An为公式2：
Figure FDA0002801940880000012
其中，
Figure FDA0002801940880000013
将公式2变形可得到公式3：
Figure FDA0002801940880000014
利用旋转矩阵的是正交矩阵的性质，公式3可变换为公式4：
Figure FDA0002801940880000015
进一步变形为导航中常用的公式5：
Figure FDA0002801940880000016
其中，
Figure FDA0002801940880000021
Figure FDA0002801940880000022
是导航中常用的旋转矩阵形式，
Figure FDA0002801940880000023
和
Figure FDA0002801940880000024
描述的是同一个旋转过程，不过
Figure FDA0002801940880000025
是b在n系中的投影，而
Figure FDA0002801940880000026
是n系在b系中的投影，他们互为转置；
由于载体坐标系b和负载坐标系w原点不重合，载体坐标系b需要先旋转到与负载坐标系w同向的负载系w’系，再平移才能与负载系w完全重合；
但是稳定平台的目的是使负载(5)保持水平，而平移不影响负载(5)的倾角，所以本实施例只需考虑大地坐标系n与负载系w’之间的关系。
根据旋转关系可得旋转矩阵，即公式7：
Figure FDA0002801940880000027
其中
Figure FDA0002801940880000028
即载体坐标系b到稳定平台零位坐标系t的旋转矩阵，与惯导(6)的安装和平台的零位有关系，为了得到简单的解算关系需要将惯导(6)的轴系与平台的轴系标定一致；
以xb与外框(4)对应，yb与内框(3)对应，绕外框(4)旋转p，即绕y轴旋转p；绕内框(3)旋转q，即绕x轴旋转q，对应的旋转矩阵为公式11：
Figure FDA0002801940880000029
由公式11可知，当p＝-γ，q＝-θ时，后5个矩阵相乘结果为单位阵，即：
Figure FDA0002801940880000031
同样在w'系中取向量A＝(1,0,0)T和向量B＝(0,1,0)T，在n系中取向量Zn＝(0,0,1)T，得到此时不管ψ为多少，都满足公式12：
Figure FDA0002801940880000032
满足公式12即满足稳定平台的要求，即当所述惯导(6)的横滚轴与外框(4)对齐，惯导(6)的俯仰轴与内框(3)对齐时，控制外框(4)调节量为惯导(6)的横滚的负值，内框(3)调节量为惯导(6)俯仰的负值时，可将负载调平。
2.一种基于权利要求1的标校方法的惯导稳定平台，包括基座(1)，其特征在于：所述基座(1)上设置有安装面(2)、内框(3)和外框(4)，所述安装面(2)位于外框(4)内，所述安装面(2)能够随外框(4)在水平方向转动，所述安装面(2)能够随内框(3)在竖直方向转动，且所述内框(3)能够随外框(4)转动，所述惯导(6)的横滚轴与外框(4)对齐，惯导(6)的俯仰轴与内框(3)对齐；
所述安装面(2)上设置有负载(5)，所述惯导(6)固定在基座(1)上，当基座存在扰动时，惯导(6)能够检测相应的角度变化并传输至电机控制器，电机控制器通过调节内框(3)、外框(4)的轴角进行补偿，即可保持安装面(2)的稳定。
3.一种权利要求2所述惯导稳定平台的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：
将惯导(6)的横滚轴与外框(4)对齐，惯导(6)的俯仰轴与内框(3)对齐，具体方法为：调节用于固定外框(4)、内框(3)的螺丝孔的框量，使惯导(6)在旋转过程中俯仰角的变化量趋于零，将惯导(6)固定，将外框(4)调至水平，再将内框(3)调至水平。
4.如权利要求3所述的一种惯导稳定平台的安装方法，其特征在于：将所述惯导(6)固定后，还包括以下步骤：确定转台的基准零位：
A、完成安装后，记录当前惯导(6)的角度；
B、控制外框(4)运动使外框(4)水平，此时外框(4)的角度为横滚角的负值，可反推出外框(4)的零位；
C、控制内框(3)运动使内框(3)水平，此时内框(3)的角度为俯仰角的负值，再反推出内框(3)的零位。
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