CN206322386U - 一种微小型惯性稳定平台实验教学仪器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及自动化和仪器仪表技术领域，特别涉及一种微小型惯性稳定平台实验教学仪器。所述教学仪器包括三轴速率转台装置、固定在三轴速率转台装置上的惯组装置、给三轴速率转台装置提供扰动信号的二维扰动基座装置、及上位机交互装置、可伸缩展翼。本教学仪器是一款多功能融合仪器，及可实现稳定平台到三轴转台的自由切换，其中三轴转台外框配有可伸缩展翼，为加速度计标定提供向心力。可开设控制实验和测试实验，涵盖软件实验和硬件实验。相比于昂贵的科研用转台，本教学仪器体积小、成本低、功能多、智能化，更适合于实验教学。

Description

一种微小型惯性稳定平台实验教学仪器

技术领域

本实用新型涉及自动化和仪器仪表技术领域，特别涉及一种微小型惯性稳定平台实验教学仪器。

背景技术

我国正在大力推行“创新驱动发展”的战略，而创新的主体是人才，所以人才培养是实现这一战略的关键保障。目前科技普及和创新教育在全国广泛开展，各大中专院校及中小学十分重视学生的创新能力培养，但总体上表现出缺乏先进的教学设备，大学往往以科研仪器代替，学生受益面较小，中小学更是匮乏，设备层次低，功能单一，集成度低，难以满足当前创新教育的需求，严重制约了国家的创新驱动发展战略的实施，因此开发用于创新教育的教学仪器十分必要。

以惯性技术专业教育为例，三轴转台、摇摆台、离心机是常用仪器，每个功能单一，但合起来其造价达百万元以上，过于昂贵，并不利于实践教学，与之相对的是，创新教育并不需要特别高的精确度，只重视科学原理的展示，其需求是低廉的价格，多功能一体化集成，让每个学生都能够动手使用，达到人手一台，独立操作。

实用新型内容

为了有效解决上述问题，本实用新型提供一种微小型惯性稳定平台实验教学仪器，将稳定平台、三轴转台、摇摆台、离心机的功能集成到一起，形成了功能完善、“一机多用”的惯性技术实验教学仪器，功能完善、操作简单。

本实用新型的具体技术方案如下：一种微小型惯性稳定平台实验教学仪器，所述教学仪器包括三轴速率转台装置、固定在三轴速率转台装置上的惯组装置、给三轴速率转台装置提供扰动信号的二维扰动基座装置、及上位机交互装置、可伸缩展翼。

进一步地，所述三轴速率转台装置包括转台内转子、转台中框、转台外框、转台基座及分别控制转台内转子、转台中框、转台外框旋转的三个控制电机；

所述转台内转子、转台中框、转台外框依次连接。

进一步地，所述三轴速率转台装置还包括对装置供电的转台供电装置及转台通信模块，所述控制电机通过所述转台通信模块连接所述上位机交互装置。

进一步地，所述转台内转子的任意相对两端连接所述转台中框，并所述转台内转子可绕两个转台内转子连接端的轴向方向上转动；

所述转台中框非连接转台内转子的两侧连接所述转台外框，所述转台中框绕两个转台中框连接端的轴向方向转动；

所述转台外框整体为“U”型，底部连接基座，在基座上延伸出两个连接转台中框的转台外框固定端。

进一步地，所述惯组装置设置在转台内转子相反于置物平台的一侧面。

进一步地，所述MEMS惯性组件包括三个MEMS陀螺仪、三个MEMS加速度计、三个MEMS磁强计及主控芯片；三个所述MEMS陀螺仪的敏感轴相互正交，三个所述MEMS加速度计的敏感轴相互正交，三个所述MEMS磁强计的敏感轴相互正交，其中三个MEMS陀螺仪、三个MEMS加速度计、三个MEMS磁强计所构成的三围坐标系为同一坐标系；

所述主控芯片通过驱动电路连接所述控制电机；

进一步地，所述二维扰动基座装置包括扰动基座上底板、扰动基座下底板、X轴扰动装置、Y轴扰动装置；

所述扰动基座上底板中心处通过鱼眼轴承连接所述扰动基座下底板，并在X轴方向上设置X轴扰动装置，在Y轴方向上设置Y轴扰动装置，所述X轴扰动装置Y轴扰动装置均为上端铰接在扰动基座上底板上，下端固定在扰动基座下底板上。

进一步地，所述二维扰动基座装置还包括对二维扰动基座装置供电的扰动供电装置及扰动通信装置，所述X轴扰动装置、Y轴扰动装置通过扰动通信装置连接所述上位机交互装置。

进一步地，所述教学仪器还包括可伸缩展翼装置；

所述可伸缩展翼装置包括连接在转台外框上的基础展翼、旋转展翼组件及一个可固定加速度计的合页端；所述合页端通过旋转展翼组件连接基础展翼；

所述旋转展翼数量为2-6或8个，依次连接，并尺寸自连接基础展翼的一端至连接合页端的另一端依次减小；将加速度计安装在展翼上，通过上位机给转台外框输入已知转速，提供向心力标定加速度计。

任意两个相连的所述旋转展翼通过卡槽式结构固定连接；

任意两个相连的所述旋转展翼中的大尺寸旋转展翼包括一个基础翼板、及在翼板两侧延伸出的与翼板构成凹槽结构的限定板；

小尺寸的所述旋转展翼的置于所述翼板及凹槽结构构成的空间内。

进一步地，所述上位机交互装置可以实现姿态显示与存储又可以实现转台控制和扰动基座控制。

进一步地，当速率转台切换到稳定平台模式下后，惯组解算出姿态实时传输给内转子电机、中框电机、外框电机进行姿态稳定控制，实现稳定平台功能。

附图说明

图1三轴稳定平台示意图；

图2扰动基座正视图；

图3扰动基座俯视图；

图4惯组原理框图；

图5平台稳定原理图；

图6上位机交互界面示意图；

图7实验教学仪器系统构成示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图及具体实施方式对本实用新型做进一步解释。

如图1所示，为本实用新型中提出的三轴速率转台装置1，所述三轴速率转台装置1包括基座11、转台外框12、转台中框13、转台内转子14、上位机及电源接口15、中框电机16、内转子电机17、内转子轴承18、可伸缩展翼19、MEMS惯性组件110，其中外框电机在基座内部。为了方便教学演示，三轴转台整体尺寸为400*500*500mm左右，但不局限于此。转台内转子14、转台中框13、转台外框12彼此正交，通过电机和轴承相连接。可通过上位机软件实现位置控制和速率控制，功能上能实现陀螺仪的动静态标定。

所述转台内转子14、转台中框13、转台外框12分别由内转子电机17、中框电机16及外框电机控制，所述转台内转子14、转台中框13、转台外框12依次连接。所述三轴速率转台装置1还包括对装置供电的转台供电装置及转台通信模块，上述的内、中、外框电机通过所述转台通信模块连接所述上位机交互装置。

具体为所述转台内转子14的任意相对两端连接所述转台中框13，并所述转台内转子14可绕两个转台内框连接端的轴向方向上转动；

所述转台中框13非连接转台内转子14的两侧连接所述转台外框12，所述转台中框13绕两个转台中框连接端的轴向方向转动；

所述转台外框12整体为“U”型，转台外框12的底部连接基座11，在所述转台外框12的底部上延伸出两个连接转台中框13的转台外框固定端。

此外转台内转子14与转台中框13的连接处装配有导电滑环，转台中框13与转台外框14的连接处装配有导电滑环，转台外框12与基座11的连接处装有导电滑环，方便电信号的传输。

如图2及图3所示，为本实用新型提供的二维扰动基座装置2，所述二维扰动基座装置2包括扰动基座上底板21、扰动基座下底板22、X轴推杆电机23、Y轴推杆电机25、鱼眼轴承24。所述二维扰动基座装置2可提供X轴、Y轴倾斜角度。倾斜角度可通过上位机软件给出。二维扰动基座装置2可作为稳定平台干扰信号源。X轴、Y轴相互正交且互不影响。基座上底板21用于承载三轴转台，面积大于三轴转台基座11。

所述扰动基座上底板21中心处通过鱼眼轴承24连接所述扰动基座下底板22，并在X轴方向上设置X轴推杆电机23，在Y轴方向上设置Y轴推杆电机25，所述X轴推杆电机23及Y轴推杆电机25均为上端铰接在扰动基座上底板21上，下端固定在扰动基座下底板22上。

所述二维扰动基座装置2还包括对二维扰动基座装置2供电的扰动供电装置及扰动通信装置，所述X轴推杆电机23及Y轴推杆电机25通过扰动通信装置连接所述上位机交互装置。

如图4所示，为本实用新型提供的MEMS惯性组件110，所述MEMS惯性组件其中包括：X轴MEMS陀螺、Y轴MEMS陀螺、Z轴MEMS陀螺，三个陀螺相互正交；X轴MEMS加表、Y轴MEMS加表、Z轴MEMS加表，三个加表相互正交；X轴MEMS磁强计、Y轴MEMS磁强计、Z轴MEMS磁强计，三个磁强计相互正交。9通道ADC将传感器模拟信号转换成数字信号，然后输送到主控制器进行姿态解算得到航向角、俯仰角、横滚角。

三个所述MEMS陀螺、三个所述MEMS加表及三个所述MEMS磁强计同时集成在微小型敏感头上，所述敏感头尺寸在(10-50)*(10-50)mm，所述敏感头表面面积为内框面积的1/10-1/2，在该尺寸下，陀螺仪、加表及磁强计能够准确测量采集数据，并反馈，保证在微小型稳定平台实验教学仪器小尺寸下，同时实现高精度姿态测量。

MEMS惯性组件用于平台稳定中的姿态信息获取。如图5所示，获取姿态信息后传输给内框电机、中框电机、外框电机，输出俯仰、横滚、航向的调整，进行姿态校正，达到平台稳定目的。

本实用新型还可以实现离心机与速率转台的自由切换，切换的重要装置为可伸缩展翼，如图1中19所示，一套可伸缩展翼由三块长方形金属版和两个合叶组成，分别安装在速率转台外框左右两侧。当标定加速度计时，伸开展翼，将加速度计固定安装在展翼末端。并通过上位机控制外框电机以一定速度旋转，提供加速度计标定所需的向心力。当不需要标定加速度计时，将展翼收缩回速率转台外框壁上。

在另一实施例中，所述可伸缩展翼装置可替换为包括连接在转台外框上的基础展翼、旋转展翼组件及一个可固定加速度计的合页端；所述合页端通过旋转展翼组件连接基础展翼；

所述旋转展翼数量为2-6或8个，依次连接，并尺寸自连接基础展翼的一端至连接合页端的另一端依次减小；将加速度计安装在展翼上，通过上位机给转台外框输入已知转速，提供向心力标定加速度计。

任意两个相连的所述旋转展翼通过卡槽式结构固定连接；

任意两个相连的所述旋转展翼中的大尺寸旋转展翼包括一个基础翼板、及在翼板两侧延伸出的与翼板构成凹槽结构的限定板；

小尺寸的所述旋转展翼的置于所述翼板及凹槽结构构成的空间内。

如图6所示，为本实用新型提出的上位机交互界面，其中包括：姿态存储显示部分和转台控制部分。姿态显示部分包括3D显示、曲线显示和数字显示，显示与存储通过串口开关选通或关闭。转台控制部分包括陀螺仪标定、加表标定和扰动基座控制。其中陀螺仪标定，可通过上位机控制三轴转台内转子、中框、外框转到任意位置或以任意速度运行任意时间，还可工作在变速模式和摇摆模式下。加速度计标定及通过转台外框旋转，提供已知向心力。扰动基座控制部分可控制基座X轴、Y轴推杆电机，实现俯仰、横滚的扰动效果。

通过本实用新型，可实现实验教学仪器的小型化，实现人手一台的教学实验目标。

Claims (10)

1.一种微小型惯性稳定平台实验教学仪器，其特征在于，所述教学仪器包括三轴速率转台装置、固定在三轴速率转台装置上的MEMS惯性组件、给三轴速率转台装置提供扰动信号的二维扰动基座装置、及上位机交互装置。

2.根据权利要求1所述的一种微小型惯性稳定平台实验教学仪器，其特征在于，所述三轴速率转台装置包括转台内转子、转台中框、转台外框、转台基座及分别控制转台内转子、转台中框、转台外框旋转的三个控制电机；

所述转台内转子、转台中框、转台外框依次连接。

3.根据权利要求2所述的一种微小型惯性稳定平台实验教学仪器，其特征在于，所述三轴速率转台装置还包括对装置供电的转台供电装置及转台通信模块，所述控制电机通过所述转台通信模块连接所述上位机交互装置。

4.根据权利要求2所述的一种微小型惯性稳定平台实验教学仪器，其特征在于，所述转台内转子的任意相对两端连接所述转台中框，并所述转台内转子可绕两个转台内转子连接端的轴向方向上转动；

所述转台中框非连接转台内转子的两侧连接所述转台外框，所述转台中框绕两个转台中框连接端的轴向方向转动；

所述转台外框整体为“U”型，底部连接基座，在基座上延伸出两个连接转台中框的转台外框固定端。

5.根据权利要求4所述的一种微小型惯性稳定平台实验教学仪器，其特征在于，所述转台内转子相反于置物平台的一侧面设有惯组装置。

6.根据权利要求5所述的一种微小型惯性稳定平台实验教学仪器，其特征在于，所述MEMS惯性组件包括三个MEMS陀螺仪、三个MEMS加速度计、三个MEMS磁强计及主控芯片；三个所述MEMS陀螺仪的敏感轴相互正交，三个所述MEMS加速度计的敏感轴相互正交，三个所述MEMS磁强计的敏感轴相互正交，其中三个MEMS陀螺仪、三个MEMS加速度计、三个MEMS磁强计所构成的三围坐标系为同一坐标系；

所述主控芯片通过驱动电路连接所述控制电机。

7.根据权利要求1所述的一种微小型惯性稳定平台实验教学仪器，其特征在于，所述二维扰动基座装置包括扰动基座上底板、扰动基座下底板、X轴扰动装置、Y轴扰动装置；

所述扰动基座上底板中心处通过鱼眼轴承连接所述扰动基座下底板，并在X轴方向上设置X轴扰动装置，在Y轴方向上设置Y轴扰动装置，所述X轴扰动装置Y轴扰动装置均为上端铰接在扰动基座上底板上，下端固定在扰动基座下底板上。

8.根据权利要求7所述的一种微小型惯性稳定平台实验教学仪器，其特征在于，所述二维扰动基座装置还包括对二维扰动基座装置供电的扰动供电装置及扰动通信装置，所述X轴扰动装置、Y轴扰动装置通过扰动通信装置连接所述上位机交互装置。

9.根据权利要求4所述的一种微小型惯性稳定平台实验教学仪器，其特征在于，所述教学仪器还包括可伸缩展翼装置；

所述可伸缩展翼装置包括连接在转台外框上的基础展翼、旋转展翼组件及一个可固定加速度计的合页端；所述合页端通过旋转展翼组件连接基础展翼；

所述旋转展翼数量为2-6或8个，依次连接，并尺寸自连接基础展翼的一端至连接合页端的另一端依次减小；任意两个相连的所述旋转展翼通过卡槽式结构固定连接；

任意两个相连的所述旋转展翼中的大尺寸旋转展翼包括一个基础翼板、及在翼板两侧延伸出的与翼板构成凹槽结构的限定板；

小尺寸的所述旋转展翼置于所述翼板及凹槽结构构成的空间内。

10.根据权利要求1所述的一种微小型惯性稳定平台实验教学仪器，其特征在于，所述上位机交互装置可以实现姿态显示与存储又可以实现转台控制和扰动基座控制。