CN114114918B - 一种海上火箭发射的稳定控制平台、稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上火箭发射的稳定控制平台、稳定控制方法，包括：姿态监测单元实时监测承载单元的当前姿态数据；后短期姿态预报单元预测承载单元的后短期姿态并获得后短期姿态预报数据；稳定控制单元基于后短期姿态预报数据生成纠偏复位信号并发送至执行单元；执行单元基于稳定控制单元发送的纠偏复位信号及时响应，驱动承载单元纠偏复位，保持承载单元及其上的待发射火箭始终处于水平状态。本发明能够解决海上火箭发射影响最大的风浪流作用下平台纵摇、横摇问题，确保平台即使在风浪流作用下也能够始终保持在一个相对水平的姿态，提高海上平台火箭发射在海洋环境风浪流作用下的发射稳定性，满足海上平台火箭发射要求。

Description

一种海上火箭发射的稳定控制平台、稳定控制方法

技术领域

本发明涉及海上发射平台技术领域，具体而言，涉及一种海上火箭发射的稳定控制平台、稳定控制方法。

背景技术

海上发射独有的优势是地面发射无法比拟的，海上发射具有以下优点：发射平台可以移动，具备一定机动能力，具有灵活性好、任务适应好、发射经济性、发射安全性高。火箭在海上发射时应保证竖直发射状态，而海上平台由于风浪流的作用会产生六自由度的运动，其中对海上火箭发射影响最大的为纵摇、横摇，导致火箭会出现晃动并且会产生较大根部弯矩，影响火箭的安全性，同时会对火箭发射的初始姿态造成不利影响。

稳定平台典型结构是陀螺稳定平台。由于海上风浪的影响，舰船的摇动对武器命中目标带来极大困难，美国、俄罗斯、瑞士、意大利等诸多国家将稳定平台技术应用于军舰的火控系统，隔离导弹发射系统与船体之间的摇动，提高导弹命中目标的精准度。在舰载设备中，天线和雷达系统等也有稳定平台的应用。国外在稳定平台在民用领域也有一定的研究成果，美国内布拉斯加·林肯大学电子工程学院设计的摄像稳定平台，在原有结构的基础上进行改造，去掉陀螺，使用微型加速计，可以对摄像机进行加速度控制，极大的改善了设备的性能，隔离度可以达到26.579dB。在重力仪研究领域，美国LaCoste&Romberg公司生产的SⅡ海洋重力仪稳定平台使用光纤陀螺，与传统的重力仪相比，改善了工作环境，其精度、稳定度得到了很大的提高。加拿大生产的航空重力仪AIRGrav使用惯性稳定平台来保证重力仪在飞机任何飞行状态都能使误差在10rad/s之内，该平台使用三个相互垂直的加速度计和两个二自由度的陀螺；英国ARKeX公司生产的EGG超导勘探型重力梯度仪使用先进技术集成的稳定平台来克服飞机的干扰，保证重力梯度仪始终处于垂直位置。

国内稳定平台的应用情况：我国南极考察船“雪龙号”上的直升机起落平台和“气象卫星云图接收系统”都采用了先进的稳定平台技术来保证设备的正常工作，满足精度要求；北京贯中精仪科技有限公司生产的GP-16S稳定平台是一款两轴的陀螺稳定伺服控制平台，可搭载多种光学传感器，适用于船只在夜间、雾天等恶劣天气的近距观察及辅助停靠等；北京航天控制仪器研究所研制的TV02型遥感稳定平台负载质量比达到37:80，最大承载能力80Kg，指向精度＜0.2°。浙江大学研究出了并联4TPS-1PS型电动稳定跟踪平台，可以独立或耦合完成四个自由度的运动，具有平台精度高、工作空间范围大，运动速度和输出力变化小等优点，进行跟踪控制实验得到横滚运动平均跟踪误差为0.0141°，俯仰运动平均跟踪误差为0.0134°，跟踪精度可以达到很高的水平。

哈尔滨工程大学为了抵消船舶纵摇横摇两自由度运动，隔离船体运动对火箭的影响，提出了适海上火箭发射的双船并联稳定平台。

目前已有的海上平台稳定控制装置承载力较低，且不适用火箭的高柔结构特点。未见用于火箭发射用的海上平台稳定控制装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海上火箭发射的稳定控制平台、稳定控制方法，旨在解决现有技术中存在的一个或多个问题。

本发明是这样实现的：

本发明首先提供一种海上火箭发射的稳定控制平台，由承载单元、姿态监测单元、后短期姿态预报单元、稳定控制单元和执行单元组成，其中：

承载单元设置在海洋平台上，用于承载待发射火箭；

姿态监测单元设置于承载单元上，用于实时监测承载单元的当前姿态数据，并将当前姿态数据信号反馈至后短期姿态预报单元；

后短期姿态预报单元用于根据承载单元的当前姿态数据预测承载单元的后短期姿态，获得后短期姿态预报数据，并将后短期姿态预报数据反馈至稳定控制单元；

稳定控制单元用于接收后短期姿态预报单元反馈的后短期姿态预报数据，基于该后短期姿态预报数据生成纠偏复位信号并发送至执行单元；

执行单元与承载单元连接，基于稳定控制单元发送的纠偏复位信号及时响应，驱动承载单元纠偏复位，保持承载单元及其上的待发射火箭始终处于水平状态。

在一些实施例中，承载单元包括球面固定座和球冠活动座，球面固定座固定在海洋平台上，球冠活动座内嵌在球面固定座中，并在球冠活动座与球面固定座之间放置有滚珠。

在一些实施例中，球面固定座和球冠活动座的中心开设有贯通的通孔，并且所述海洋平台对应开设有通孔，所述通孔作为火箭发射的喷火通道；

优选的，所述球面固定座的通孔边缘向上延伸一定高度形成止挡部，止挡部用于阻止所述滚珠落入所述通孔内。

在一些实施例中，后短期姿态预报单元为人工智能3～5s后短期姿态预报单元，采用神经网络预测所述承载单元的3～5s后短期姿态。

在一些实施例中，执行单元包括八个液压油缸，每两个油缸一组，一端铰接连接在海洋平台上，另一端铰接连接在所述球冠活动座的边缘；

优选的，油缸上集成位移传感器和压力传感器，位移传感器对油缸的位移进行实时监控，压力传感器对油缸的压力进行实时监控。

本发明还提供一种海上火箭发射的稳定控制方法，包括如下步骤：

姿态监测单元实时监测承载单元的当前姿态数据，并将监测结果反馈至后短期姿态预报单元，其中所述承载单元设置在海洋平台上，承载待发射火箭；

后短期姿态预报单元根据承载单元的当前姿态数据预测承载单元的后短期姿态并获得后短期姿态预报数据，将后短期姿态预报数据反馈至稳定控制单元；

稳定控制单元接收后短期姿态预报单元反馈的后短期姿态预报数据，基于该后短期姿态预报数据生成纠偏复位信号并发送至执行单元，其中所述执行单元与承载单元连接；

执行单元基于稳定控制单元发送的纠偏复位信号及时响应，驱动承载单元纠偏复位，保持承载单元及其上的待发射火箭始终处于水平状态。

在一些实施例中，承载单元的当前姿态数据包括承载单元在风浪流作用下的横摇、纵摇位移，以及横摇、纵摇加速度、速度等指标。

在一些实施例中，后短期姿态预报单元预先建立预报数据库，包括：

将承载单元安装在海洋平台上，不设置稳定控制措施；

采集承载单元在风浪流作用下的横摇、纵摇位移，以及横摇、纵摇加速度、速度等指标作为样本；

通过有限元分析样本数据，建立预报数据库。

在一些实施例中，后短期姿态预报单元根据当前风浪流情况，依据预报数据库预测当前后短期的承载单元的姿态。

在一些实施例中，生成纠偏复位信号时，稳定控制单元同时接收执行单元当前的位移行程数据，以所述承载单元上表面水平为基准，获取执行单元所需的位移行程量，由执行单元的液压伺服系统控制完成。

与现有技术相比，本发明提供的一种海上火箭发射的稳定控制平台、稳定控制方法具有以下优势：

本发明对发射平台运动姿态的预报有着重要的意义：本发明采用实测姿态信号结合预报数据进行系统控制，提前预测，及时响应，系统响应速度快，控制及时、准确，能够解决海上火箭发射影响最大的风浪流作用下平台纵摇、横摇问题，隔离海上平台在风浪流作用下的晃动，减少平台晃动引起的火箭的摆动，确保平台即使在风浪流作用下也能够始终保持在一个相对水平的姿态，提高海上平台火箭发射在海洋环境风浪流作用下的发射稳定性，满足海上平台火箭发射要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。

图1为本发明一种实施方式的稳定控制平台整体结构示意图；

图2为本发明一种实施方式的稳定控制平台系统组成示意图；

图3为图1的剖面示意图；

图4为图3的局部放大示意图；

图5为本发明一种实施方式的液压伺服系统原理结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。

在本发明中，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，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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。

还需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中心”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。

以下结合较佳的实施方式对本发明的实现进行详细的描述。

如图1、2，本发明示意性示出海上火箭发射的稳定控制平台的一种实现方式，主要由承载单元1、姿态监测单元2、后短期姿态预报单元3、稳定控制单元4、执行单元5组成，图1仅是示意性展示稳定控制平台的基本结构和稳定控制原理，并不是对结构的唯一性限制，也未示出待发射的火箭等特种高柔结构。

下面结合附图对各单元模块结构、功能进行详细阐述。

承载单元1设置在海洋平台6上，承载待发射火箭；海洋平台6放置在海面上，具体结构、大小以及放置方式属于现有技术，本发明不做详细阐述，满足火箭发射要求即可。

姿态监测单元2设置于承载单元1上，用于实时监测承载单元1的当前姿态数据，并将当前姿态数据信号反馈给后短期姿态预报单元3。图1示意性地示出了一个姿态监测单元2布置于承载单元1的一角，应当理解，姿态监测单元2在承载单元1上的布置位置和数量并不唯一，根据实际需要设定，满足对承载单元1的姿态监测即可。

在一些实施例中，姿态监测单元2采用陀螺仪姿态测量系统或者陀螺-加速度计姿态测量系统，并应当具有如下参数设计以满足海上火箭发射工况下的测量要求：

启动时间≤1s，频带宽度≮200Hz，工作温度-40°～65°，测量范围-1000°/s～+1000°/s，零偏稳定性≤1°/h，数据刷新100～2000Hz，波特率11500～921600bps，工电电压：低压5v或12v。

后短期姿态预报单元3用于根据承载单元1的当前姿态数据预测承载单元1的后短期姿态，获得后短期姿态预报数据，并将后短期姿态预报数据反馈至稳定控制单元4；

本发明中，如图1所示，图1中仅是示意性示出后短期姿态预报单元3，其具体可就近设置在海洋平台6，当然也可以设置在临近的控制室内。

稳定控制单元4用于接收后短期姿态预报单元3反馈的后短期姿态预报数据，基于该后短期姿态预报数据生成纠偏复位信号并发送至执行单元5；

本发明中，如图1所示，图1中仅是示意性示出稳定控制单元4，其与后短期姿态预报单元3一样，具体可就近设置在海洋平台6，当然也可以设置在临近的控制室内。

在一些实施例中，稳定控制单元4可采用PLC控制、PDI控制(线性控制)或者模糊PDI控制(非线性控制)，这属于现有技术，本发明不做详细阐述。

执行单元5与承载单元1连接，基于稳定控制单元4发送的纠偏复位信号及时响应，驱动承载单元1纠偏复位，保持承载单元1及其上的待发射火箭始终处于水平状态。

本发明中，如图1所示，执行单元5包括八个液压油缸，每两个油缸一组，四组液压油缸均匀分布在承载单元1的四周，液压油缸一端通过基座连接固定在海洋平台6上，另一端通过基座连接承载单元1。八个液压油缸上集成位移传感器和压力传感器，对油缸进行位移和压力实时监控。油缸位移行程±500mm，最大阻尼力1000KN，振动频率最大2.5HZ。阻尼复位精度达到±1mm。油缸上集成位移传感器，对油缸长度进行实施监控。液压油缸能够根据控制信号从某个方位对承载单元1进行推动或者拉动，以确保承载单元1及其上的特种高柔结构始终处于水平姿态。

继续参见图3、4，本发明的承载单元1包括球面固定座11和球冠活动座12，球面固定座11固定在海洋平台6上，球冠活动座12内嵌在球面固定座11中，并在球冠活动座12与球面固定座11之间放置有滚珠13。球面固定座11和球冠活动座12相互嵌合，为待发射火箭提供稳定的支撑平台，同时借助滚珠13，为球冠活动座12提供一定的摇摆空间，为整个承载单元1的纠偏复位提供了可能和便利。

较佳的，球面固定座11和球冠活动座12为钢桁架结构，其内部设置钢桁架支撑，钢桁架支撑能够提供支撑火箭等特种高柔结构足够的承载强度。

本发明中，球面固定座11和球冠活动座12的中心开设有贯通的通孔14，并且海洋平台6对应开设有通孔，通孔14作为火箭发射的喷火通道。

较佳的，球面固定座11的通孔14边缘向上延伸一定高度形成止挡部15，止挡部15用于阻止滚珠13落入通孔14内。

参见图2，稳定控制平台对海上火箭发射进行稳定控制的方法如下：

姿态监测单元2实时监测承载单元1的当前姿态数据，并将监测结果反馈至后短期姿态预报单元3；

后短期姿态预报单元3根据承载单元1的当前姿态数据预测承载单元1的后短期姿态并获得后短期姿态预报数据，将后短期姿态预报数据反馈至稳定控制单元4；

稳定控制单元4接收后短期姿态预报单元3反馈的后短期姿态预报数据，基于该后短期姿态预报数据生成纠偏复位信号并发送至执行单元5；

执行单元5基于稳定控制单元4发送的纠偏复位信号及时响应，驱动承载单元1纠偏复位，保持承载单元1及其上的待发射火箭始终处于水平姿态。

本发明中，承载单元1的当前姿态数据包括承载单元1在风浪流作用下的运动轨迹，运动轨迹即承载单元1的横摇、纵摇位移，以及横摇、纵摇加速度和速度等指标。如图2，具体可采用陀螺仪姿态测量系统或者陀螺-加速度计姿态测量系统测量承载单元1在风浪流作用下的运动速度、加速度。

本发明中，后短期姿态预报单元3预测承载单元1的后短期姿态预报数据具体可通过如下方式实现：

后短期姿态预报单元3预先建立预报数据库，即：

将承载单元1安装在海洋平台6上，不对承载单元1设置任何稳定控制措施，将其自然安装在海洋平台6上；

在风浪流作用下，采集承载单元1的运动轨迹，以及横摇、纵摇加速度和速度等指标作为样本；应当采集足够多的数据，以获得足够真实的样本数据库；

通过有限元分析所采集到的样本数据，建立预报数据库，预报数据库作为实际监测和预报时的比对参照标准。

实际在建立预报数据库时，可以在承载单元1上放置待发射火箭或模型以获得真实的样本数据，当然也可以采用数值分析形成数据库。

在实际需要对发射火箭进行稳定控制过程中，后短期姿态预报单元3根据当前风浪流情况，依据预报数据库即可预测当前后短期的承载单元1的姿态。

本发明中，后短期姿态预报单元3为人工智能3～5s后短期姿态预报单元，采用神经网络预测承载单元1的3～5s后短期姿态，通过提前预判承载单元1的3～5s后短期姿态，即提前预测承载单元1的运动轨迹，提供纠偏复位信号给执行单元5，告知执行单元5的液压伺服系统如何运动，控制液压油缸及时做出响应，将承载单元1及时、精确地维持在水平姿态，避免已经监测到平台倾斜再去纠偏的响应滞后。

具体的，如图2，在生成纠偏复位信号时，陀螺仪监测得到承载单元1位移、横摇、纵摇加速度和速度数据，并将该姿态信号传给后短期姿态预报单元3，稳定控制单元4基于后短期姿态预报单元3提供的后短期姿态预报数据，同时结合执行单元5提供的当前的位移行程数据，即八个液压油缸的位移行程数据，以承载单元1上表面水平为目的，获取执行单元5所需的位移行程量，即给出每个油缸所需的具体伸长或者缩短的长度、速度，对执行单元5的液压系统进行控制，由执行单元5的液压伺服系统控制完成，实现承载单元1的相对水平。液压伺服系统如图5所示，液压控制原理为现有技术，本发明不做详细阐述。

本发明对发射平台运动姿态的预报有着重要的意义：仅使用姿态测量系统得到的稳定平台倾角信号作为平台姿态控制系统的输入来控制平台姿态一般具有滞后性，因此，本发明采用实测姿态信号结合预报数据进行系统控制，提前预测，及时响应，系统响应速度快，控制及时、准确，能够解决海上火箭发射影响最大的风浪流作用下平台纵摇、横摇问题，隔离海上平台在风浪流作用下的晃动，减少平台晃动引起的火箭的摆动，确保平台即使在风浪流作用下也能够始终保持在一个相对水平的姿态，提高海上平台火箭发射在海洋环境风浪流作用下的发射稳定性，满足海上平台火箭发射要求。

本发明适应于海上平台尺寸不小于60x60m，最大承载重量250t，满足4～5级海况，平均风速不大于20m/s情况下火箭海上发射需求；允许最大横摇角度正负15度，允许最大纵摇角度正负15度。

结构布局紧凑合理，满足相应的强度、刚度要求；传动平稳，工作可靠。

本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种海上火箭发射的稳定控制平台，由承载单元、姿态监测单元、后短期姿态预报单元、稳定控制单元和执行单元组成，其中：

承载单元设置在海洋平台上，用于承载待发射火箭；

姿态监测单元设置于承载单元上，用于实时监测承载单元的当前姿态数据，并将当前姿态数据信号反馈至后短期姿态预报单元；

后短期姿态预报单元为人工智能3~5s后短期姿态预报单元，用于根据承载单元的当前姿态数据采用神经网络预测所述承载单元的3~5s后短期姿态，获得后短期姿态预报数据，并将后短期姿态预报数据反馈至稳定控制单元；

稳定控制单元用于接收后短期姿态预报单元反馈的后短期姿态预报数据，基于该后短期姿态预报数据生成纠偏复位信号并发送至执行单元；

执行单元与承载单元连接，基于稳定控制单元发送的纠偏复位信号及时响应，驱动承载单元纠偏复位，保持承载单元及其上的待发射火箭始终处于水平状态。

2.根据权利要求1所述的稳定控制平台，其特征在于：

承载单元包括球面固定座和球冠活动座，球面固定座固定在海洋平台上，球冠活动座内嵌在球面固定座中，并在球冠活动座与球面固定座之间放置有滚珠。

3.根据权利要求2所述的稳定控制平台，其特征在于：

球面固定座和球冠活动座的中心开设有贯通的通孔，并且所述海洋平台对应开设有通孔，所述通孔作为火箭发射的喷火通道。

4.根据权利要求3所述的稳定控制平台，其特征在于：

所述球面固定座的通孔边缘向上延伸一定高度形成止挡部，止挡部用于阻止所述滚珠落入所述通孔内。

5.根据权利要求2所述的稳定控制平台，其特征在于：

执行单元包括八个液压油缸，每两个油缸一组，一端铰接连接在海洋平台上，另一端铰接连接在所述球冠活动座的边缘。

6.根据权利要求5所述的稳定控制平台，其特征在于：

油缸上集成位移传感器和压力传感器，位移传感器对油缸的位移进行实时监控，压力传感器对油缸的压力进行实时监控。

7.一种海上火箭发射的稳定控制方法，包括如下步骤：

姿态监测单元实时监测承载单元的当前姿态数据，并将监测结果反馈至后短期姿态预报单元，其中所述承载单元设置在海洋平台上，承载待发射火箭；

后短期姿态预报单元为人工智能3~5s后短期姿态预报单元，根据承载单元的当前姿态数据采用神经网络预测所述承载单元的3~5s后短期姿态并获得后短期姿态预报数据，将后短期姿态预报数据反馈至稳定控制单元；

稳定控制单元接收后短期姿态预报单元反馈的后短期姿态预报数据，基于该后短期姿态预报数据生成纠偏复位信号并发送至执行单元，其中所述执行单元与承载单元连接；

执行单元基于稳定控制单元发送的纠偏复位信号及时响应，驱动承载单元纠偏复位，保持承载单元及其上的待发射火箭始终处于水平状态。

8.根据权利要求7所述的稳定控制方法，其特征在于：

承载单元的当前姿态数据包括承载单元在风浪流作用下的横摇、纵摇位移，以及横摇、纵摇加速度、速度指标。

9.根据权利要求7所述的稳定控制方法，其特征在于：

后短期姿态预报单元预先建立预报数据库，包括：

将承载单元安装在海洋平台上，不设置稳定控制措施；

采集承载单元在风浪流作用下的横摇、纵摇位移，以及横摇、纵摇加速度、速度指标作为样本；

通过有限元分析样本数据，建立预报数据库。

10.根据权利要求9所述的稳定控制方法，其特征在于：

后短期姿态预报单元根据当前风浪流情况，依据预报数据库预测当前后短期的承载单元的姿态。

11.根据权利要求7所述的稳定控制方法，其特征在于：

生成纠偏复位信号时，稳定控制单元同时接收执行单元当前的位移行程数据，以所述承载单元上表面水平为基准，获取执行单元所需的位移行程量，由执行单元的液压伺服系统控制完成。

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