CN113031429A - 一种船载载体稳定平台及控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种船载载体稳定平台及控制方法，属于动感仿真试验、测试设备等技术领域。下平台连接在过渡基座上，下平台与过渡基座之间加装减震器，下平台与减震器通过螺栓连接，过渡基座与减震器通过螺栓连接；下铰支座、电动缸连接件、电动缸、上铰支座、上平台按照自下而上的顺序，采用螺栓的连接方式依次组装；下平台的上方连接下铰支座，下铰支座上连接电动缸连接件，电动缸的缸底端连接在电动缸连接件上，活塞杆端与上铰支座连接。本发明当船体晃动时，通过稳定平台实现船载载体(如雷达天线、激光武器、飞机吊舱、激光照射器、定向能武器、栈桥等)的实时稳定。

Description

一种船载载体稳定平台及控制方法
技术领域
本发明涉及一种船载载体稳定平台及控制方法，船载载体(如雷达天线、激光武器、飞机吊舱、激光照射器、定向能武器、栈桥等)稳定平台，属于动感仿真试验、测试设备等技术领域。
背景技术
稳定平台可广泛应用于军事、民用等方面，具有良好的市场前景。
纵观国内外，目前主要研究成果是利用三轴转台实现三自由度运动，且技术相对成熟；与三自由度转台模拟的三自由度运动相比，六自由度运动平台实现的六自由度运动，即模拟的船舶、车辆、飞机运动姿态比三自由度稳定平台模拟的运动姿态更贴近实际工况；一种船载载体(如雷达天线、激光武器、飞机吊舱、激光照射器、定向能武器、栈桥等)稳定平台能够有效的隔离船舶的横摇、纵摇、艏摇、纵荡、横荡及垂荡的扰动。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供一种船载载体稳定平台及控制方法。
一种船载载体(如雷达天线、激光武器、飞机吊舱、激光照射器、定向能武器、栈桥等)稳定平台，下平台连接在过渡基座上，下平台与过渡基座之间加装减震器，下平台与减震器通过螺栓连接，过渡基座与减震器通过螺栓连接；下铰支座、电动缸连接件、电动缸、上铰支座、上平台按照自下而上的顺序，采用螺栓的连接方式依次组装；下平台的上方连接下铰支座，下铰支座上连接电动缸连接件，电动缸的缸底端连接在电动缸连接件上，活塞杆端与上铰支座连接；每台下铰支座或上铰支座分别能够连接2台电动缸连接件与电动缸，总共能够连接6台电动缸连接件与电动缸；上铰支座与上平台连接；上铰支座和下铰支座采用的结构形式均为十字铰轴，十字铰轴包括大轴及小轴；铰支座由底板、轴承座、大轴、小轴以及上连接件组成；底板支撑并连接轴承座，轴承座支撑并连接着两个大轴，形成双联十字轴，大轴内孔连接有小轴，上连接件连接在小轴上，轴承座与大轴的铰接处、大轴与小轴的铰接处连接有圆锥滚子轴承，形成销轴运动副；下铰支座由底座、轴承座、大轴、小轴以及下连接件组成，上铰支座的底板由一块钢板加工而成，下铰支座的底座由第一钢板、三块相同的筋板、第二钢板焊接而成；上平台为型材焊接的等边三角结构，上平台的六根主梁为变截面工字钢，六根主梁连接在环筋板上，构成了上平台的主体结构；在环筋板上、下分别焊接上环形法兰、下环形法兰，在六根主梁之间增加了多根副梁、加强梁，三根副梁、三根副梁与六根主梁构成了上平台的主体框架，主体框架间增加了六根加强梁、三根加强梁；上平台设置有可拆卸横梁，载体附属件安装板及传感器安装板；上平台下表面设置有上铰支座安装板，上铰支座安装板连接上铰支座；电动缸连接件由上连接板、方管及下连接板焊接而成；电动缸组件的同步传动单元连接伺服电机与滚珠丝杠；缸筒的内腔放置活塞杆，活塞杆内腔放置滚珠丝杠，活塞杆安装在滚珠丝杠的丝杠螺母上，活塞杆与上铰支座上的上连接件固连，缸筒下端与电动缸连接件上连接板固连。
一种船载载体稳定平台控制方法，含有以下步骤；船载载体稳定平台通过安装在上平台上的传感器实时监测上平台，当上平台出现运动时，实时稳定控制系统计算当前电动缸位置与目标位置的偏差，由PID算法计算出下一控制周期电动缸的位置增量，根据控制周期得到这一周期电动缸的速度，通过主控计算机向伺服驱动器发出控制指令，伺服驱动器驱动伺服电机旋转，实现电动缸的伸缩运动；当电动缸按软件设定的方式运动时，实现稳定平台六个自由度的运动。
六自由度实时稳定控制系统的控制算法，由六自由度平台正解、反解算法与PID控制算法相结合，采用基于关节空间的速度控制模型，将平台稳定在任意平台控制范围内任意线运动幅值和运动角度，有效的对舰船产生的六自由度的扰动，即纵摇、横摇、艏摇、纵荡、横荡及垂荡等进行有效实时补偿。该发明的控制系统关键及难点在于系统的实时性及对运动补偿的预测。解决该难点的关键在于PID控制算法的优化，并采用基于关节空间的速度控制模型。传感器监测上平台的姿态，作为实时稳定控制系统的参考输入和反馈信号。上平台相对大地坐标系的位姿，与目标稳定位姿作差，偏差即为位置增量，位置增量与正解的位姿的和叫做目标位姿，机构反解得到电动缸目标位置，电动缸目标位置与当前电动缸的位置作差，由PID算法计算出下一控制周期电动缸的位置增量，根据控制周期得到这一周期电动缸的速度，主控计算机控制电动缸速度达到相对稳定的效果。由于采用PID控制，输出曲线与目标稳定曲线必然存在一定的相位差，只要相位差不超过一定值，控制精度就可满足系统要求。
本发明具有以下有益效果：当船体晃动时，通过稳定平台实现船载载体(如雷达天线、激光武器、飞机吊舱、激光照射器、定向能武器、栈桥等)的实时稳定。船载载体稳定平台不仅可用于舰载，也可用于机载、车载等多个领域。同时又能根据用户需求进行试件仿真试验。与以往传统的六自由度运动平台不同的是，该发明在实时稳定控制系统的控制下可以实现上平台及试件的稳定，并在结构上增加了过渡基座与减震器，配置了两种安装方案，稳定平台运行精度高，结构紧凑，整体占用空间小，运行安全、稳定。实时稳定控制技术在我国还不成熟，因此仍有较大的发展空间。该发明适用于航空、航天、兵器、船舶等国防工业的实时稳定需求及产品测试、试验。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的亮点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：
图1是本发明的主视结构示意图；
图2是本发明的右视结构示意图；
图3是本发明上铰支座的主视结构示意图；
图4是本发明上铰支座的俯视结构示意图；
图5是本发明下铰支座的主视结构示意图；
图6是本发明下铰支座的俯视结构示意图；
图7是本发明下铰支座底座主视结构示意图；
图8是本发明下铰支座底座右视结构示意图；
图9是本发明上平台等轴测结构示意图；
图10是本发明电动缸连接件等轴测结构示意图；
图11是本发明下平台等轴测结构示意图；
图12是本发明过渡基座等轴测结构示意图；
图13是本发明电动缸剖视结构示意图；
图14是本发明试验、调试示意图；
图15是本发明实时稳定控制系统控制算法逻辑图；
图16是本发明六自由度运动平台控制原理图；
图17是本发明固定坐标系与运动坐标系示意图。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
具体实施方式
显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。
显然，本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当称元件、组件被“连接”到另一元件、组件时，它可以直接连接到其他元件或者组件，或者也可以存在中间元件或者组件。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
为便于对实施例的理解，下面将结合做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对实施例的限定。
实施例1：如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16及图17所示，船载载体(如雷达天线、激光武器、飞机吊舱、激光照射器、定向能武器、栈桥等)。
一种船载载体稳定平台，过渡基座8以焊接的方式固定在船舶甲板上。
下平台6连接在过渡基座8上，下平台6的连接设置了两种连接方式。第一种方式：下平台6与过渡基座8之间加装减震器7，下平台6与减震器7通过螺栓连接，过渡基座8与减震器7通过螺栓连接，减震器7的主要作用是当船体晃动时减少船体运动对平台精度的影响。
第二种方式是：下平台6直接用螺栓连接在过渡基座8上，确保平台与基座的刚度。
下铰支座5、电动缸连接件4、电动缸3、上铰支座2、上平台1按照自下而上的顺序，采用螺栓的连接方式依次组装。
下平台6的上方连接下铰支座5，下铰支座5上连接电动缸连接件4，电动缸3的缸底端连接在电动缸连接件4上，活塞杆端与上铰支座2连接。
每台下铰支座5或上铰支座2分别能够连接2台电动缸连接件4与电动缸3，总共能够连接六台电动缸连接件4与电动缸3。
上铰支座2与上平台1连接。
上平台1上连接两个或多个载体附属件45(如小天线等)、传感器46及44载体(如雷达天线、激光武器、飞机吊舱、激光照射器、定向能武器、栈桥等)。
电动缸连接件4的作用是保证六自由度运动平台的整体高度，防上平台1上的载体附属件45(如小天线等)连接架触地。
如图4、图6所示，上铰支座2和下铰支座5采用的结构形式均为十字铰轴，十字铰轴包括大轴12及小轴13。
如图3、图4所示，上铰支座2由底板9、轴承座11、大轴12、小轴13以及上连接件14组成。底板9支撑并连接轴承座11，轴承座11支撑并连接着两个大轴12，形成双联十字轴，大轴12内孔连接有小轴13，上连接件14连接在小轴13上，轴承座11与大轴12的铰接处、大轴12与小轴13的铰接处连接有圆锥滚子轴承，形成销轴运动副，实现上连接件14各个方位的转动。
如图5、图6、图7、图8所示，下铰支座5由底座10、轴承座11、大轴12、小轴13以及下连接件15组成。下铰支座5与上铰支座2的基本结构相同，不同之处为底座结构，上铰支座2的底板9由一块钢板加工而成，下铰支座5的底座10由第一钢板17、三块相同的筋板18、第二钢板16焊接而成，焊接成形后，第一钢板17和第二钢板16成20度的夹角，该夹角值对六自由度运动平台的整体结构、关键元器件选型有较大影响。
如图9所示，上平台1为型材焊接的等边三角结构，上平台1的六根主梁24为变截面工字钢，六根主梁24连接在环筋板26上，构成了上平台的主体结构。在环筋板26上、下分别焊接上环形法兰25、下环形法兰27，上环形法兰25用于安装载体(如雷达天线、激光武器、飞机吊舱、激光照射器、定向能武器、栈桥等)，六根主梁24为上环形法兰25的主要承重支架。在六根主梁24之间增加了多根副梁、加强梁，三根副梁20、三根副梁21与六根主梁24构成了上平台1的主体框架，主体框架间增加了六根加强梁22、三根加强梁23。上平台1设置有可拆卸横梁29，载体附属件安装板30及传感器安装板28，用于安装载体附属件(如小天线45等)、传感器。其中传感器安装板28采用铝型材，降低电磁干扰，保证传感器的精度与稳定性。上平台1下表面设置有上铰支座安装板19，用于连接上铰支座。
如图10所示，电动缸连接件4为简单的焊接结构，由上连接板33、方管32及下连接板31焊接而成。
如图11所示，下平台6为型材焊接结构，由三块底板34、十八块筋板35、三块下铰支座安装板36及三根定位支撑37焊接组成。底板34上设置有两种机械接口，一种为减震器的机械接口，另一种为与过渡基座刚性连接机械接口。
如图12所示，过渡基座8为型材焊接结构，由三块连接板38、三根主梁一39、三根主梁二40、三根副梁42及九根加强梁41焊接组成。连接板38上设置有两种机械接口，一种为减震器的机械接口，另一种为与下平台刚性连接机械接口。
如图13所示，电动缸组件3主要由活塞杆47、缸筒48、同步传动单元49、滚珠丝杠50以及伺服电机51等组成。同步传动单元49连接伺服电机51与滚珠丝杠41。缸筒48的内腔放置活塞杆47，活塞杆内腔放置滚珠丝杠50，活塞杆47安装在滚珠丝杠50的丝杠螺母上。电动缸3的工作原理是伺服电机51通过同步传动单元49传递运动到滚珠丝杠50，通过滚珠丝杠50中的锁母与活塞杆47固连实现活塞杆47的伸缩运动，活塞杆47与上铰支座3上的上连接件14固连，缸筒48下端与电动缸连接件4上连接板33固连。
如图15所示，六自由度实时稳定控制系统的控制算法由六自由度平台正解、反解算法与PID控制算法相结合，采用基于关节空间的速度控制模型，将平台稳定在任意平台控制范围内任意线运动幅值和运动角度。传感器监测上平台的姿态，作为实时稳定控制系统的参考输入和反馈信号。上平台相对大地坐标系的位姿，与目标稳定位姿作差，偏差即为位置增量，位置增量与正解的位姿的和叫做目标位姿，机构反解得到电动缸目标位置，电动缸目标位置与当前电动缸的位置作差，由PID算法计算出下一控制周期电动缸的位置增量，根据控制周期得到这一周期电动缸的速度，主控计算机控制电动缸速度达到相对稳定的效果。由于采用PID控制，输出曲线与目标稳定曲线必然存在一定的相位差，只要相位差不超过一定值，控制精度就可满足系统要求。
如图16所示，运动平台的六台电动缸为相互独立的伺服回路，每一回路由电动缸、交流伺服电机、旋转编码器、伺服驱动器、霍尔元件、24位脉冲计数器、16位D/A、DO和主控计算机的构成，在主控计算机的控制下，实时稳定控制系统实现对六缸运动的同步与协调，使平台产生不同频率、不同幅度的单自由度或多自由度复合运动。
主控计算机分别与24位脉冲计数器、DO(数字输出信号)、DI(数字输入信号)及16位D/A连接，DO(数字输出信号)与伺服驱动器连接，DI(数字输入信号)与霍尔元件连接，24位脉冲计数器与旋转编码器连接，伺服驱动器分别与16位D/A、旋转编码器及交流伺服电机连接，交流伺服电机分别与电动缸及旋转编码器连接，电动缸分别与六自由度运动平台及霍尔元件连接。
一种船载载体稳定平台控制方法，含有以下步骤；
电动缸的计算机伺服控制是一种离散化的采样控制技术，连续的缸位移指令信号按一定的采样周期离散化，在每一个指令周期内，将缸的位置指令信号视作常量(阶跃信号)。由控制算法、电动缸、交流伺服电机、旋转编码器、伺服驱动器、霍尔元件、24位脉冲计数器、16位D/A、DO所构成的伺服控制回路在一个指令周期内：
根据位置反馈信号与指令信号比较，计算出差值；
控制算法根据该差值计算出对于伺服电机的控制信号；
该信号经D/A和功率放大后，形成对电机的驱动电流，该电流驱动电机旋转；
电机旋转的速度和方向通过同步带传递到电动缸，其运动副将旋转运动转变为直线运动，就控制了缸运动的方向和速度。
在一个指令周期内这种采样、比较、运算、功放、驱动、缸运动，再采样，再比较……就形成了闭环反馈控制，这种闭环控制的周期要比指令周期小得多。因此，在一个指令周期中，通过高速反复的闭环迭代，使电动缸最终到达指令位置，然后再进入下一个指令周期，对下一个阶跃信号进行闭环控制。如此周而复始，就控制着电动缸实现预定规律的运动。
在上述闭环控制过程中，控制算法和迭代周期决定了控制系统性能的优劣，特别是控制算法，直接决定了系统的动态特性。
主控计算机通过电动缸上的霍尔元件检测缸杆的极限位置，通过DO向伺服驱动器发使能信号，实现对电动缸的启、停控制。
如图14所示，一种船载载体稳定平台控制方法，在研究船载载体稳定平台时，利用两个六自由度运动平台上下叠加，下面的六自由度平台模拟舰船的各种运动，上面的六自由度平台进行实时稳定，确保船载载体(如雷达天线、激光武器、飞机吊舱、激光照射器、定向能武器、栈桥等)指向稳定，精度不超过±0.05°。
实施例2：如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16及图17所示，一种船载载体稳定平台，针对传统的六自由度平台还未能实现实时稳定的性能，提供一种结构紧凑、整体占用空间小，运动准确稳定、安全可靠，可以实现沿X、Y、Z三轴直线运动、还可以实现绕X、Y、Z三轴的转动，同时又能进行任意复合运动的仿真试验实时稳定平台。
一种船载载体稳定平台，包括上平台、下平台以及连接于上平台和下平台之间的六套铰支座、六个电动缸连接件及六支电动缸；其中，电动缸的一端与上铰支座连接后，通过上铰支座底板连接至上平台，电动缸的另一端与电动缸连接件连接后安装在下铰支座上，通过下铰支座底座连接至下平台；下平台与减震器相连后安装在过渡基座上，或下平台直接连接在过渡基座上。计算机发出的指令驱动六支电动缸，通过控制六支电动缸的行程来实现X、Y、Z三轴直线运动、绕X、Y、Z三轴转动，或直线运动与所述转动的复合运动。
上述稳定平台，优选所述下铰支座底座10由上连接板17、下连接板16及三块筋板18焊接而成。其中上连接板17和下连接板16有20度夹角。
上述稳定平台，优选上铰支座3和所述下铰支座5均为十字铰轴结构形式。
上述稳定平台，优选电动缸3包括活塞杆47、缸筒48、同步传动单元49、滚珠丝杠50以及伺服电机51，伺服电机51通过同步传动单元49传递运动到滚珠丝杠50，通过滚珠丝杠50与活塞杆47固连实现活塞杆47的直线运动，活塞杆47与上铰支座3固定连接，缸筒48与下铰支座5固定连接。
上述稳定平台，优选下平台6为正三角形轮廓结构，下平台由三块上安装板36、三块下安装板36、三根定位支撑型钢37及18块筋板焊接而成。
上述稳定平台，优选过渡基座8为正三角形轮廓结构，过渡基座8由三块上安装板38、三根主梁39、三根主梁40、三根副梁42及九根加强梁焊接而成。
上述稳定平台，优选上平台1为正三角形轮廓结构，上平台由多根型材焊接而成，焊接连接法兰25，连接法兰25连接雷达天线44，两侧设置有可拆卸横梁29，用于放置载体附属件45。
如图17所示，一种船载载体稳定平台控制方法，在六缸支撑的运动系统中，可定义运动坐标系和固定坐标系。
运动坐标系固联在运动平台上，其X-Y平面位于六台电动缸上连接件中心所在平面内，Z轴垂直向下，(右手系)坐标系原点位于上三点所在圆的圆心。固定坐标系固联在固定平台上，其X-Y平面位于六台电动缸下连接件中心所在平面内，Z轴垂直向下(右手系)坐标原点位于下三点所在圆的圆心。动坐标系与定坐标系的原点位于同一铅垂线上，故两个坐标系是平行的。
六自由度运动是指稳定平台分别沿动坐标系的X、Y、Z轴的平动运动和分别绕X、Y、Z轴的转动运动。将绕X轴的转动定义为俯仰φ，将绕Y轴的转动定义为滚转θ，将绕Z轴的转动定义为航向ψ。
在如上所述的坐标系内，将运动过程中的六台缸视作六个空间矢量
Figure BDA0002954037290000121
定义平台运动过程中六个自由度上的线位移X(t)、Y(t)、Z(t)和角位移ψ(t)、θ(t)、φ(t)为向量。
Figure BDA0002954037290000122
则根据电动缸的初始几何参数利用欧拉变换可得平台六自由度位移与六台缸空间位置之间的矢量函数关系：
Figure BDA0002954037290000131
Figure BDA0002954037290000132
Figure BDA0002954037290000133
Figure BDA0002954037290000134
Figure BDA0002954037290000135
Figure BDA0002954037290000136
其中，
Figure BDA0002954037290000137
为i号缸中立位置时的长度。
在每一特定时刻(当前采样周期)t0，
Figure BDA0002954037290000138
为定值。于是，求解上述矢量函数可得每台缸的长度
Figure BDA0002954037290000139
因此，电动缸的伸长量就为
Figure BDA00029540372900001310
在平台实时仿真运动过程中，通过上述算法，可算得每一采样周期△T中，各缸的位置信号。该信号作为指令信号送至闭环伺服控制，伺服系统硬、软件高速迭代，驱动电动缸在△T时间内快速稳定的到达指令位置，随着采样周期数的增加，平台即可实现运动过程的仿真。
(2)由六缸伸长量计算平台六自由度位移量的反变换算法
在运动平台运动仿真过程中，对平台运动的实时监测，可采用传感器实测和电动缸伸长量反变换两种方法来实现。前者，是利用安装于平台上的线加速度计和速率陀螺，通过A/D数据采集卡，数采计算机和采集、换算、显示软件来实现的。
后者，是根据实时采集六缸传感器所获得的六缸伸长量，应用Newton-Raphson数值迭代法，求解6个联立的非线性方程，以求得六个未知量
Figure BDA00029540372900001311
对于如前所述的矢量方程：
Figure BDA0002954037290000141
迭代公式如下：
Figure BDA0002954037290000142
即：
Figure BDA0002954037290000143
利用一组适当的初始条件对上式反复迭代，直到满足预定的收敛准则(所要求的精度)。
实时控制计算机上的实时控制软件包含了多种滤波算法。数字滤波保证了六自由度运动平台能光滑、连续的运行。数字缓冲功能保证了电动缸出现行程超限趋势时实施平缓、光滑的缓冲保护。
对于二阶低通滤波器
Figure BDA0002954037290000144
其中a为谐振频率，s为阻尼系数，k、a、b、c均为常数。
经过双线性变换，并整理后，得到递推算法为：
u(k)＝0.208385e(k)+0.416e(k-1)+0.208385e(k-2)+7.7824u(k-1)-3.418u(k-2)式中u(k)、u(k-1)、u(k-2)和e(k)、e(k-1)、e(k-2)分别为输出和输入时间序列。
a)数字信号分析、信号处理算法
差分方程为：
Figure BDA0002954037290000151
式中M和N分别为输入和输出时间序列，ak和bk为滤波系数，由此计算平台高、低频运动指令生成，伺服油缸伸长量计算；
平台位姿的计算公式为：
XK＝XA*sin(2*3.14159*XF*K*dt)
YK＝YA*sin(2*3.14159*YF*K*dt)
ZK＝ZA*sin(2*3.14159*ZF*K*dt)
THK＝THA*sin(2*3.14159*THF*K*dt)
PHK＝PHA*sin(2*3.14159*PHF*K*dt)
PSK＝PSA*sin(2*3.14159*PSF*K*dt)
K＝0,1,2,3...6
其中，
XK、YK、ZK、THK、PHK、PSK为平台第K周期的位姿；
XA、YA、ZA、THA、PHA、PSA为六个自由度的运动幅值；
XF、YF、ZF、THF、PHF、PSF为六个自由度的运动频率；
b)对平台运动的位移、速度、加速度实时检测与限幅保护
软件实时判断：
|XK|≤Xmax、|YK|≤Ymax、|ZK|≤Zmax、
|THK|≤THmax、|PHK|≤PHmax、|PSK|≤PSmax
Figure BDA0002954037290000152
Figure BDA0002954037290000161
Figure BDA0002954037290000162
Figure BDA0002954037290000163
K＝0,1,2,3...6。
其中，
XK、YK、ZK、THK、PHK、PSK为平台第K周期的位姿。
Figure BDA0002954037290000164
为平台第K周期的速度。
Figure BDA0002954037290000165
为平台第K周期的加速度。
c)对电动缸行程极限的安全保护。
|LiK|≤Lmax
K＝0,1,2,3...6
其中，LiK为第K周期i号缸的伸长量,Lmax为极限位移。
一种船载载体稳定平台控制方法，船载载体稳定平台通过安装在上平台上的传感器实时监测上平台，当上平台出现运动时，实时稳定控制系统计算当前电动缸位置与目标位置的偏差，由PID算法计算出下一控制周期电动缸的位置增量，根据控制周期得到这一周期电动缸的速度，通过主控计算机向伺服驱动器发出控制指令，伺服驱动器驱动伺服电机旋转，实现电动缸的伸缩运动。当电动缸按软件设定的方式运动时，即可实现稳定平台六个自由度的运动。
具体而言，主控计算机向伺服驱动器发出控制指令，伺服驱动器驱动伺服电机51旋转，通过同步传动单元49将运动传递给滚珠丝杠50，通过滚珠丝杠与滚珠螺母配合，实现活塞杆47的伸缩运动。当六台电动缸按软件设定的方式运动时，即可实现平台六个自由度的运动。同时，伺服电机的运动信息通过旋转编码器反馈至主控计算机，主控计算机将反馈信息转换为电动缸位移量，形成位置闭环控制，这样就达到整个运动过程的程序控制。
本发明的所有结构件通过理论分析计算和实际使用，控制系统通过试验和实际使用，证明了该发明能够达到预期使用功能，安全可靠，其性能达到了预期设计。
实施例3：如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16及图17所示，一种船载载体稳定平台，利用稳定平台模拟的纵摇、横摇、艏摇、纵荡、横荡及垂荡运动实时补偿载体(如雷达天线、激光武器、飞机吊舱、激光照射器、定向能武器、栈桥等)由于船体运动而产生的角位移旋转、线位移偏移，有效的隔离船舶的多维扰动，保证载体相对于地球惯性空间的稳定，为载体提供一个相对稳定的工作平台。该发明也可用于舰载、车载、机载武器装备的实时稳定需求，或应用于海洋工程中工具船相对于海上油气平台、海上风电等平台的人员、物资的高效安全输送、吊装等作业。属于动感仿真试验、测试设备等技术领域。船载载体稳定平台主要由六自由度运动平台和六自由度实时稳定控制系统组成。
一种船载载体稳定平台，六自由度运动平台由上平台、上铰支座、电动缸、电动缸连接件、下铰支座、下平台、减震器及过渡基座等组成。过渡基座以焊接的方式固定在船舶甲板上。下平台安装在过渡基座上，下平台的安装设置了两种安装方式。
第一种方式是下平台与过渡基座之间加装减震器用螺栓连接的方式安装。减震器的主要作用是当船体晃动时减少船体运动对平台精度的影响；
同时设计了备选安装方案，备选方案是下平台直接用螺栓安装在过渡基座上，确保平台与基座的刚度。下平台与过渡基座组装完毕后，下铰支座、电动缸连接件、电动缸、上铰支座、上平台按照自下而上的顺序，采用螺栓的连接方式依次组装。下平台的上方安装下铰支座，下铰支座上连接电动缸连接件，电动缸连接件的作用是保证六自由度运动平台的整体高度，防止上平台载体附属件安装架触地。电动缸的缸底端安装在电动缸连接件上，活塞杆端与上铰支座连接，上铰支座与上平台连接。上平台上安装有载体、传感器，与六自由度实时稳定控制系统实现实时通信，实时同步补偿载体由于船体运动产生的角位移旋转、线位移偏移。
一种船载载体稳定平台，六自由度实时稳定控制系统的控制算法由六自由度平台正解、反解算法与PID控制算法相结合，采用基于关节空间的速度控制模型，将平台稳定在任意平台控制范围内任意线运动幅值和运动角度，有效的对舰船产生的六自由度扰动，即纵摇、横摇、艏摇以及纵荡、横荡及垂荡等进行有效实时补偿。
一种船载载体稳定平台，控制系统关键及难点在于系统的实时性及对运动补偿的预测。解决该难点的关键在于PID控制算法的优化，并采用基于关节空间的速度控制模型。传感器监测上平台的姿态，作为实时稳定控制系统的参考输入和反馈信号。上平台相对大地坐标系的位姿，与目标稳定位姿作差，偏差即为位置增量，位置增量与正解的位姿的和叫做目标位姿，机构反解得到电动缸目标位置，电动缸目标位置与当前电动缸的位置作差，由PID算法计算出下一控制周期电动缸的位置增量，根据控制周期得到这一周期电动缸的速度，主控计算机控制电动缸速度达到相对稳定的效果。由于采用PID控制，输出曲线与目标稳定曲线必然存在一定的相位差，只要相位差不超过一定值，控制精度就可满足系统要求。
实施例4：如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16及图17所示，一种船载载体稳定平台，由六自由度运动平台和六自由度实时稳定控制系统组成；六自由度运动平台由上平台、上铰支座、电动缸、电动缸连接件、下铰支座、下平台、减震器及过渡基座等组成。过渡基座以焊接的方式固定在船舶甲板上。下平台安装在过渡基座上。下平台与过渡基座组装完毕后，下铰支座、电动缸连接件、电动缸、上铰支座、上平台按照自下而上的顺序，采用螺栓的连接方式依次组装。下平台的上方安装下铰支座，下铰支座上连接电动缸连接件。电动缸的缸底端安装在电动缸连接件上，活塞杆端与上铰支座连接，上铰支座与上平台连接。上平台上安装有载体、载体附属件、传感器。
六自由度实时稳定控制系统，接收传感器通过RS422实时发送的纵摇角、横摇角、艏摇角和纵荡、横荡及垂荡等线位移控制指令，波特率为115200，发送频率为50Hz。
下平台的安装设置了两种安装方式:
第一种方式是下平台与过渡基座之间加装减震器用螺栓连接的方式安装；减震器的主要作用是当船体晃动时减少船体运动对平台精度的影响；
同时设计了备选安装方案，备选方案是下平台直接用螺栓安装在过渡基座上，确保平台与基座的刚度。
电动缸连接件的作用是保证六自由度运动平台的整体高度，防止上平台载体附属件安装架触地。
上平台上安装有载体、传感器，与六自由度实时稳定控制系统实现实时通信，实时补偿载体由于船舶运动产生的角度旋转、位置偏移。
实时稳定控制系统具备数字滤波与数字缓冲算法，保证了电动缸出现行程超限趋势时实施平缓、光滑的缓冲保护。
建立了完善的六自由度运动坐标系与数学模型。
实时稳定控制系统具有对稳定平台位移、速度、加速度实时检测与限幅保护，以确保平台可以在稳定、安全的条件下运行。
具备一套完善的计算机控制技术，实现对每条电动缸的精准控制。
如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种船载载体稳定平台，其特征在于下平台连接在过渡基座上，下平台与过渡基座之间加装减震器，下平台与减震器通过螺栓连接，过渡基座与减震器通过螺栓连接；下铰支座、电动缸连接件、电动缸、上铰支座、上平台按照自下而上的顺序，采用螺栓的连接方式依次组装；下平台的上方连接下铰支座，下铰支座上连接电动缸连接件，电动缸的缸底端连接在电动缸连接件上，活塞杆端与上铰支座连接；每台下铰支座或上铰支座分别能够连接2台电动缸连接件与电动缸，总共能够连接6台电动缸连接件与电动缸；上铰支座与上平台连接；上铰支座和下铰支座采用的结构形式均为十字铰轴，十字铰轴包括大轴及小轴；铰支座由底板、轴承座、大轴、小轴以及上连接件组成；底板支撑并连接轴承座，轴承座支撑并连接着两个大轴，形成双联十字轴，大轴内孔连接有小轴，上连接件连接在小轴上，轴承座与大轴的铰接处、大轴与小轴的铰接处连接有圆锥滚子轴承，形成销轴运动副；下铰支座由底座、轴承座、大轴、小轴以及下连接件组成，上铰支座的底板由一块钢板加工而成，下铰支座的底座由第一钢板、三块相同的筋板、第二钢板焊接而成；上平台为型材焊接的等边三角结构，上平台的六根主梁为变截面工字钢，六根主梁连接在环筋板上，构成了上平台的主体结构；在环筋板上、下分别焊接上环形法兰、下环形法兰，在六根主梁之间增加了多根副梁、加强梁，三根副梁、三根副梁与六根主梁构成了上平台的主体框架，主体框架间增加了六根加强梁、三根加强梁；上平台设置有可拆卸横梁，载体附属件安装板及传感器安装板；上平台下表面设置有上铰支座安装板，上铰支座安装板连接上铰支座；电动缸连接件由上连接板、方管及下连接板焊接而成；电动缸组件的同步传动单元连接伺服电机与滚珠丝杠；缸筒的内腔放置活塞杆，活塞杆内腔放置滚珠丝杠，活塞杆安装在滚珠丝杠的丝杠螺母上，活塞杆与上铰支座上的上连接件固连，缸筒下端与电动缸连接件上连接板固连。
2.根据权利要求1所述的一种船载载体稳定平台，其特征在于过渡基座以焊接的方式固定在船舶甲板上。
3.根据权利要求1所述的一种船载载体稳定平台，其特征在于下平台直接用螺栓连接在过渡基座上。
4.根据权利要求1所述的一种船载载体稳定平台，其特征在于上平台上连接两个或多个载体附属件、传感器及载体。
5.根据权利要求1所述的一种船载载体稳定平台，其特征在于第一钢板和第二钢板成20度的夹角。
6.根据权利要求1所述的一种船载载体稳定平台，其特征在于下平台为型材焊接结构，由三块底板、十八块筋板、三块下铰支座安装板及三根定位支撑焊接组成；底板上设置有两种机械接口，一种为减震器的机械接口，另一种为与过渡基座刚性连接机械接口。
7.根据权利要求1所述的一种船载载体稳定平台，其特征在于过渡基座为型材焊接结构，由三块连接板、三根主梁一、三根主梁二、三根副梁及九根加强梁焊接组成；连接板上设置有两种机械接口，一种为减震器的机械接口，另一种为与下平台刚性连接机械接口。
8.一种船载载体稳定平台控制方法，其特征在于含有以下步骤；船载载体稳定平台通过安装在上平台上的传感器实时监测上平台，当上平台出现运动时，实时稳定控制系统计算当前电动缸位置与目标位置的偏差，由PID算法计算出下一控制周期电动缸的位置增量，根据控制周期得到这一周期电动缸的速度，通过主控计算机向伺服驱动器发出控制指令，伺服驱动器驱动伺服电机旋转，实现电动缸的伸缩运动；当电动缸按软件设定的方式运动时，实现稳定平台六个自由度的运动。
9.根据权利要求8所述的一种船载载体稳定平台控制方法，其特征在于主控计算机向伺服驱动器发出控制指令，伺服驱动器驱动伺服电机旋转，通过同步传动单元将运动传递给滚珠丝杠，通过滚珠丝杠与滚珠螺母配合，实现活塞杆的伸缩运动；当六台电动缸按软件设定的方式运动时，实现平台六个自由度的运动；伺服电机的运动信息通过旋转编码器反馈至主控计算机，主控计算机将反馈信息转换为电动缸位移量，形成位置闭环控制。
10.根据权利要求9所述的一种船载载体稳定平台控制方法，其特征在于六个自由度实时控制步骤，由六自由度平台正解、反解算法与PID控制算法相结合，采用基于关节空间的速度控制模型，将平台稳定在任意平台控制范围内任意线运动幅值和运动角度，有效的对舰船产生的六自由度的扰动，即纵摇、横摇、艏摇、纵荡、横荡及垂荡进行有效实时补偿；PID控制算法采用基于关节空间的速度控制模型；传感器监测上平台的姿态，作为实时稳定控制系统的参考输入和反馈信号；上平台相对大地坐标系的位姿，与目标稳定位姿作差，偏差即为位置增量，位置增量与正解的位姿的和叫做目标位姿，机构反解得到电动缸目标位置，电动缸目标位置与当前电动缸的位置作差，由PID算法计算出下一控制周期电动缸的位置增量，根据控制周期得到这一周期电动缸的速度，主控计算机控制电动缸速度达到相对稳定的效果。
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