專利名稱：一種輕量型航空遙感三軸慣性穩定平臺系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于航空遙感技術領域，涉及一種輕量型航空遙感三軸慣性穩定平臺系統，適用于以輕小型飛機為飛行平臺的航空遙感系統，可用于航空遙感、基礎測繪、軍事偵察等領域。
背景技術：
高分辨率對地觀測系統的高精度實時運動成像要求平臺理想運動，但平臺運動受到各種擾動的影響，形成復雜多模高階隨機運動，導致運動成像質量退化。高精度慣性穩定平臺負責支承并穩定載荷，可有效地隔離空中各種干擾力矩對遙感載荷視軸穩定的影響， 使高分辨率成像載荷的視軸在慣性空間保持穩定，顯著減小了載機擾動對成像精度的影響，提高了成像分辨率。在高分辨率遙感載荷發展的牽引下，輕量化三軸慣性穩定平臺系統技術也得到了快速發展，很多發達國家已經形成了產品，并廣泛應用于高性能航空遙感領域。Aerc^tab-2 為德國研制的輕量型三軸慣性穩定平臺，其角度穩定范圍為方位士 15°，俯仰士23°，橫滾士23° ；俯仰、橫滾最大角速度15° /s、方位最大角速度5° /s，穩定精度為0.03°，平臺自重13. ^g，體積參數為351mmX330mmX 180mm。德國Somag公司研制的輕小型雙軸慣性穩定平臺SSM150，其體積參數為460mmX425mmX 154mm，可承載的最大載荷為25kg。以上兩種產品是國外輕量化慣性穩定平臺的代表。然而，現有的輕量化慣性穩定平臺目前仍存在著許多不足。比如SSM150雖然具有較高的穩定精度和較大的承載/自重比，但重量和體積偏大；Aerc^tab-2雖然重量和體積較小，但穩定精度和承載/自重比卻較低；此外，還存在穩定范圍小，沒有POS提供姿態基準不能工作的問題。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提出一種輕量型航空遙感三軸慣性穩定平臺系統，穩定精度高、承載/自重比大、穩定范圍寬、體積小、重量輕并可以自主提供姿態基準，適用于輕小型飛機敏捷遙感作業。本發明的技術解決方案是一種輕量型航空遙感三軸慣性穩定平臺系統，包括結構部分、平臺框架驅動部分及控制部分；結構部分包括基座、四個線振動減振器、三個框架鎖緊裝置、橫滾框架、俯仰框架和方位框架；平臺框架驅動系統包括三部直流無刷力矩電機和三套減速裝置，三部直流無刷力矩電機和三套減速裝置分別用于橫滾框架、俯仰框架和方位框架的驅動；控制部分包括測量組件和控制電路，測量組件包括三支光電編碼器、三支 MEMS陀螺儀、兩支MEMS加速度計以及位置姿態測量系統P0S，控制電路的主電路板集中安裝在電路箱內，電路箱通過螺釘緊固安裝在基座上；遙感載荷通過過渡架安裝在方位框架上，POS通過POS托架安裝在基座上，基座通過四個線振動減振器與飛機相連；三個框架鎖緊裝置用于橫滾框架、俯仰框架和方位框架的鎖緊。橫滾框架、俯仰框架和方位框架由外到內分布，三框架回轉軸線正交于一點；橫滾框架沿X軸方向安裝在基座上，繞X軸旋轉；俯仰框架沿Y軸安裝在橫滾框架上，繞Y軸旋轉；方位框架沿Z軸安裝在俯仰框架上，繞Z軸旋轉；橫滾框架和俯仰框架跟蹤當地地理水平，方位框架跟蹤飛行航向；控制部分根據三支MEMS陀螺儀提供的框架角速率信息、POS或兩支MEMS加速度計提供的姿態信息產生控制信號，驅動三部直流無刷電機輸出力矩，通過三套減速裝置反向驅動三個框架轉動，實現抵消干擾力矩，實時跟蹤和穩定遙感載荷視軸的目的。三支光電編碼器分別安裝在橫滾框架回轉軸、俯仰框架回轉軸和方位框架的電機軸上；三支光電編碼器采集三個框架的相對轉角信息，POS提供基座對當地水平的姿態信息，控制部分將上述信息與水平姿態零位值及航向角度設定值進行比較，并根據比較結果實時反向補償框架轉角。三套減速裝置均采用一級同步帶-帶輪減速系統，每套減速裝置包括一個小帶輪、一個同步齒輪帶、一個大帶輪；小帶輪與電機軸通過銷釘緊固，大帶輪通過螺釘緊固在框架上；小帶輪與大帶輪外徑設有弧形齒，由同步齒輪帶通過嚙合方式進行連接和傳動。基座、橫滾框架、俯仰框架和方位框架采用硬鋁合金材料。三個框架鎖緊裝置包括橫滾框架鎖緊裝置、俯仰框架鎖緊裝置和方位框架鎖緊裝置；三個框架鎖緊裝置均為彈簧回程助推式插軸機構，分別對橫滾框架、俯仰框架和方位框架進行零位鎖緊；橫滾框架鎖緊裝置通過螺釘緊固安裝在橫滾框架側壁上，俯仰框架鎖緊裝置與方位框架鎖緊裝置均通過螺釘緊固安裝在俯仰框架正面上。兩支MEMS加速度計通過加速度計支架正交安裝在俯仰框架底部，用于測量俯仰框架相對當地地理坐標系的姿態角，為穩定平臺提供姿態基準。橫滾框架驅動電機通過電機位置調整板安裝在基座上，俯仰框架驅動電機通過電機位置調整板安裝在橫滾框架上， 方位框架驅動電機通過電機位置調整螺釘安裝在俯仰框架上。三支MEMS陀螺儀采用正交方式安裝，三支MEMS陀螺儀的敏感軸分別平行于橫滾框架、俯仰框架和方位框架的回轉軸線X、Y和Z軸。用于測量橫滾框架和俯仰框架轉動角速率的MEMS陀螺儀通過陀螺支架安裝在俯仰框架底部，測量方位框架轉動角速率的MEMS陀螺儀通過陀螺支架安裝在方位框架的減速裝置大帶輪上。本發明的原理是三軸慣性穩定平臺系統由三個框架構成，由外至內分別是橫滾框架、俯仰框架和方位框架。橫滾框架的回轉軸沿著飛機的飛行方向，用以隔離飛機的橫滾角運動；俯仰框架的回轉軸沿飛機機翼方向，用以隔離飛機的俯仰角運動；方位框架的回轉軸垂直向下，用以隔離飛機的方位角運動；各回轉軸均以順時針旋轉為正。由于相機的視軸需要垂直向下，所以方位框架設計成中空的環型結構。將相機通過過渡架固定到方位框
1 ο如圖6所示，Mr、Mp、Ma為三部直流無刷力矩電機，其中Mr驅動橫滾框架轉動，Mp驅動俯仰框架轉動，Ma驅動方位框架轉動；(ix、Gy、Gz為安裝在各框架上的MEMS陀螺儀，其中， Gx敏感橫滾框架沿橫滾軸X相對于慣性空間的轉動角速度，Gy敏感俯仰框架沿俯仰軸Y相對于慣性空間的轉動角速度，GZ敏感方位框架沿橫方位軸Z相對于慣性空間的轉動角速度； Ax、Ay為安裝在俯仰框架上的加速度計，其中Ax的敏感軸與橫滾框架的旋轉軸重合，Ay的敏感軸與俯仰框架的旋轉軸重合況、Ry、Rz為測量框架間相對轉角三支光電編碼器，其中，Rx 用于測量橫滾框架相對于機座的轉動角度，Ry用于測量俯仰相對于橫滾框架的轉動角度，RZ用于測量方位框架相對于俯仰框架的轉動角度。&、Kp、Ka分別為橫滾框架、俯仰框架和方位框架的功率驅動模塊。伺服控制器根據速率陀螺敏感到的框架角速率信息和加速度計或 POS測量出的姿態信息產生控制信號，控制信號經過功率驅動模塊轉換為電壓信號給力矩電機，力矩電機輸出驅動力矩，通過三套減速裝置反向驅動三個框架轉動，實現抵消干擾力矩，實時跟蹤和穩定遙感載荷視軸的目的。本發明與現有技術相比的優點在于(1)結構部分整體采用開放式設計，相比于SSM150為代表的封閉式結構體積更
小、重量更輕；(2)基座、橫滾框架、俯仰框架和方位框架采用圓周封閉的整體式矩形或環形硬鋁合金框架結構，相比于Aerc^tab-2為代表的拼接式框架結構剛度更高、強度更大、慣量更小，因此具有更高的穩定精度和更大的承載/自重比；(3)主電路板集中安裝在電路箱內，電路箱安裝在基座上，同時POS也安裝在基座上，這些設計使得整體結構更加緊湊，偏心干擾力矩和電機功耗顯著減小；(4)平臺內部安裝陀螺儀和加速度計提供姿態基準，相比Aerc^tab-2和SSM150本發明可在沒有POS情況下實現水平自主穩定；同時，選用MEMS慣性器件顯著減小了所需要的空間尺寸和重量，并可獲得更大的穩定范圍；(5)框架驅動系統采用直流無刷力矩電機和一級同步帶-帶輪減速系統的組合方式，力矩大、傳動精度高，易于實現高精度控制；(6)框架的相對轉角采集使用絕對式光電編碼器，相比于一般常用的旋轉變壓器精度更高、體積更小、重量更輕。
圖1為本發明的組成框圖及其連接關系；圖2為本發明的三維裝配圖以及坐標系方向的規定；圖3為本發明與POS和遙感載荷總體三維裝配圖以及坐標系方向的規定；圖4為本發明總體裝配圖的F方向仰視圖；圖5為本發明總體裝配圖的E方向俯視圖；圖6為本發明工作原理示意圖；圖7為本發明的陀螺安裝結構局部放大圖I (對應圖4中局部I)；圖8為本發明中加速度計安裝結構局部放大圖II (對應圖4中局部II)。
具體實施例方式如圖1所示，本發明包括結構部分、平臺框架驅動部分及控制部分；結構部分包括基座3、四個線振動減振器4、三個框架鎖緊裝置17、橫滾框架10、俯仰框架9和方位框架8， 其中基座3、橫滾框架10、俯仰框架9和方位框架8采用硬鋁合金材料；平臺框架驅動系統包括三部直流無刷力矩電機13和三套減速裝置14 ；三部直流無刷力矩電機13和三套減速裝置14分別用于橫滾框架10、俯仰框架9和方位框架8的驅動；控制部分包括測量組件和控制電路，測量組件包括三支光電編碼器6、三支MEMS陀螺儀12、兩支MEMS加速度計18以及位置姿態測量系統POS 5。
如圖2和圖3所示，本發明控制電路的主電路板集中安裝在電路箱1內，電路箱1 通過螺釘緊固安裝在基座3上；遙感載荷2通過過渡架15安裝在方位框架8上，POS 5通過POS托架7安裝在基座3上，基座3通過四個線振動減振器4與飛機相連；三個框架鎖緊裝置17用于橫滾框架10、俯仰框架9和方位框架8的零位鎖緊。如圖3所示，本發明采用開放式三框架方案，橫滾框架10和俯仰框架9的角度跟蹤穩定范圍為士8°，方位框架8的角度跟蹤穩定范圍士30° ；橫滾框架10、俯仰框架9和方位框架8由外到內分布，三框架回轉軸線正交于一點；橫滾框架10沿X軸方向安裝在基座3上，繞X軸旋轉；俯仰框架9沿Y軸安裝在橫滾框架10上，繞Y軸旋轉；方位框架8沿Z 軸安裝在俯仰框架9上，繞Z軸旋轉；橫滾框架10和俯仰框架9跟蹤當地地理水平，方位框架8跟蹤飛行航向；控制部分根據三支MEMS陀螺儀12提供的框架角速率信息、POS 5或兩支MEMS加速度計18提供的姿態信息產生控制信號，驅動三部直流無刷電機13輸出力矩， 通過三套減速裝置14反向驅動三個框架轉動，實現抵消干擾力矩，實時跟蹤和穩定遙感載荷2視軸的目的。如圖4和圖5所示，本發明中驅動系統均采用間接驅動方案，驅動裝置由三部直流無刷力矩電機13和三套減速裝置14組成；橫滾框架驅動電機1301通過電機位置調整板 1901安裝在基座3上，俯仰框架驅動電機1302通過電機位置調整板1902安裝在橫滾框架 10上，方位框架驅動電機1303通過電機位置調整螺釘20安裝在俯仰框架9上。如圖4和圖5所示，本發明用到的三支光電編碼器6分別安裝在橫滾框架10回轉軸、俯仰框架9回轉軸和方位框架8的電機軸上；三支光電編碼器6采集三個框架的相對轉角信息，POS 5提供基座3對當地水平的姿態信息，控制部分將上述信息與水平姿態零位值及航向角度設定值進行比較，并根據比較結果實時反向補償框架轉角。如圖4和圖5所示，本發明中三套減速裝置14均采用一級同步帶-帶輪減速系統， 每套減速裝置包括一個小帶輪1401、一個同步齒輪帶1402、一個大帶輪1403 ；小帶輪1401 與電機軸通過銷釘緊固，大帶輪1403通過螺釘緊固在框架上；小帶輪1401與大帶輪1403 外徑設有弧形齒，由同步齒輪帶1402通過嚙合方式進行連接和傳動。如圖5所示，本發明中三個框架鎖緊裝置17包括橫滾框架鎖緊裝置1701、俯仰框架鎖緊裝置1702和方位框架鎖緊裝置1703 ；三個框架鎖緊裝置17均為彈簧回程助推式插軸機構，分別對橫滾框架10、俯仰框架9和方位框架8進行零位鎖緊；橫滾框架鎖緊裝置 1701通過螺釘緊固安裝在橫滾框架10側壁上，俯仰框架鎖緊裝置1702與方位框架鎖緊裝置1703均通過螺釘緊固安裝在俯仰框架9正面上。如圖7和圖8所示，本發明針對遙感用三軸慣性穩定平臺的結構特點，綜合考慮機械結構、電氣和算法實現的難易程度等諸多因素，采用了將方位陀螺1203安裝在方位框架 8上、俯仰陀螺1202和橫滾陀螺1201安裝在俯仰框架9上的陀螺安裝方式。實現了陀螺信號解耦，簡化了平臺控制算法，并有利于平臺體積和重量減小。如圖4和圖7所示，本發明中三支MEMS陀螺儀12均為速率陀螺，采用正交方式安裝，三支MEMS陀螺儀12的敏感軸分別平行于橫滾框架10、俯仰框架9和方位框架8的回轉軸線X、Y和Z軸。其中用于測量橫滾框架10和俯仰框架9轉動角速率的MEMS陀螺儀 1201、1202通過陀螺支架1101安裝在俯仰框架9底部，測量方位框架8轉動角速率的MEMS 陀螺儀1203通過陀螺支架1102安裝在方位框架8的減速裝置大帶輪1403上。
如圖8所示，本發明中的兩支MEMS加速度計18通過加速度計支架16正交安裝在俯仰框架9底部，用于測量俯仰框架9相對當地地理坐標系的姿態角，為穩定平臺提供姿態基準。本發明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員公知的現有技術。
權利要求
1.一種輕量型航空遙感三軸慣性穩定平臺系統，其特征在于包括結構部分、平臺框架驅動部分及控制部分；所述的結構部分包括基座(3)、四個線振動減振器0)、三個框架鎖緊裝置(17)、橫滾框架(10)、俯仰框架(9)和方位框架(8)；所述平臺框架驅動系統包括三部直流無刷力矩電機(1 和三套減速裝置(14)，三部直流無刷力矩電機(1 和三套減速裝置(14)分別用于橫滾框架(10)、俯仰框架(9)和方位框架(8)的驅動；所述控制部分包括測量組件和控制電路，測量組件包括三支光電編碼器(6)、三支MEMS陀螺儀(12)、兩支 MEMS加速度計(18)以及位置姿態測量系統P0S(5)，控制電路的主電路板集中安裝在電路箱(1)內，電路箱(1)通過緊固安裝在基座C3)上；遙感載荷( 通過過渡架(1 安裝在方位框架⑶上，POS (5)通過POS托架(7)安裝在基座(3)上，基座(3)通過四個線振動減振器(4)與飛機相連；三個框架鎖緊裝置(17)用于橫滾框架(10)、俯仰框架(9)和方位框架⑶的鎖緊。
2.根據權利要求1所述的一種輕量型航空遙感三軸慣性穩定平臺系統，其特征在于 所述的橫滾框架(10)、俯仰框架(9)和方位框架(8)由外到內分布，三框架回轉軸線正交于一點；橫滾框架(10)沿X軸方向安裝在基座(3)上，繞X軸旋轉；俯仰框架(9)沿Y軸安裝在橫滾框架(10)上，繞Y軸旋轉；方位框架(8)沿Z軸安裝在俯仰框架(9)上，繞Z軸旋轉；橫滾框架(10)和俯仰框架(9)跟蹤當地地理水平，方位框架(8)跟蹤飛行航向；控制部分根據三支MEMS陀螺儀(1 提供的框架角速率信息、POS ( 或兩支MEMS加速度計 (18)提供的姿態信息產生控制信號，驅動三部直流無刷電機(1 輸出力矩，通過三套減速裝置(14)反向驅動三個框架轉動，實現抵消干擾力矩，實時跟蹤和穩定遙感載荷(2)視軸的目的。
3.根據權利要求1所述的一種輕量型航空遙感三軸慣性穩定平臺系統，其特征在于 所述的三支光電編碼器(6)分別安裝在橫滾框架(10)回轉軸、俯仰框架(9)回轉軸和方位框架(8)的電機軸上，三支光電編碼器(6)采集三個框架的相對轉角信息，POS(5)提供基座C3)對當地水平的姿態信息，控制部分將上述信息與水平姿態零位值及航向角度設定值進行比較，并根據比較結果實時反向補償框架轉角。
4.根據權利要求1所述的一種輕量型航空遙感三軸慣性穩定平臺系統，其特征在于 所述的三套減速裝置(14)均采用一級同步帶-帶輪減速系統，每套減速裝置包括一個小帶輪(1401)、一個同步齒輪帶(1402)、一個大帶輪(140 ；小帶輪(1401)與電機軸通過銷釘緊固，大帶輪(140 通過螺釘緊固在框架上；小帶輪(1401)與大帶輪(140 外徑設有弧形齒，由同步齒輪帶(140 通過嚙合方式進行連接和傳動。
5.根據權利要求1所述的一種輕量型航空遙感三軸慣性穩定平臺系統，其特征在于 所述的基座(3)、橫滾框架(10)、俯仰框架(9)和方位框架(8)采用硬鋁合金材料。
6.根據權利要求1所述的一種輕量型航空遙感三軸慣性穩定平臺系統，其特征在于 所述的三個框架鎖緊裝置(17)包括橫滾框架鎖緊裝置(1701)、俯仰框架鎖緊裝置(1702) 和方位框架鎖緊裝置(170 ；三個框架鎖緊裝置(17)均為彈簧回程助推式插軸機構，分別對橫滾框架(10)、俯仰框架(9)和方位框架(8)進行零位鎖緊；橫滾框架鎖緊裝置(1701) 通過緊固安裝在橫滾框架(10)側壁上，俯仰框架鎖緊裝置(170 與方位框架鎖緊裝置 (1703)均通過緊固安裝在俯仰框架(9)正面上。
7.根據權利要求1所述的一種輕量型航空遙感三軸慣性穩定平臺系統，其特征在于所述的兩支MEMS加速度計(18)通過加速度計支架(16)正交安裝在俯仰框架(9)底部，用于測量俯仰框架(9)相對當地地理坐標系的姿態角，為穩定平臺提供姿態基準。
8.根據權利要求1所述的一種輕量型航空遙感三軸慣性穩定平臺系統，其特征在于 所述的橫滾框架驅動電機(1301)通過電機位置調整板(1901)安裝在基座(3)上，俯仰框架驅動電機(130 通過電機位置調整板(190 安裝在橫滾框架(10)上，方位框架驅動電機(130 通過電機位置調整螺釘00)安裝在俯仰框架(9)上。
9.根據權利要求1所述的一種輕量型航空遙感三軸慣性穩定平臺系統，其特征在于 所述的三支MEMS陀螺儀(12)采用正交方式安裝；三支MEMS陀螺儀(12)的敏感軸分別平行于橫滾框架(10)、俯仰框架(9)和方位框架(8)的回轉軸線X、Y和Z軸；用于測量橫滾框架(10)和俯仰框架(9)轉動角速率的兩個MEMS陀螺儀(1201,1202)通過陀螺支架(1101) 安裝在俯仰框架(9)底部，測量方位框架(8)轉動角速率的MEMS陀螺儀(120 通過陀螺支架(110 安裝在方位框架(8)的減速裝置大帶輪(140 上。
全文摘要
一種輕量型航空遙感三軸慣性穩定平臺系統，包括基座、四個線振動減振器、橫滾框架、俯仰框架、方位框架、兩支MEMS加速度計、三支MEMS陀螺儀、三部直流無刷力矩電機、三套減速裝置、三支光電編碼器、三框架伺服控制電路。基座通過四個線振動減振器與飛機相連，隔離線振動。橫滾框架和俯仰框架跟蹤當地地理水平，分別繞X軸和Y軸旋轉。方位框架跟蹤航向，繞Z軸旋轉。控制部分根據三支MEMS陀螺儀提供的框架角速率信息以及POS或兩支MEMS加速度計提供的姿態信息驅動三部直流無刷電機轉動框架，對飛機角運動進行補償隔離。本發明具有精度高、承載/自重比大、穩定范圍寬、體積小和質量輕的特點并具有自身姿態基準，適用于輕小型航空遙感系統中相機視軸的穩定。
文檔編號G01C21/18GK102230801SQ20111007820
公開日2011年11月2日 申請日期2011年3月30日 優先權日2011年3月30日
發明者俞瑞霞, 周向陽, 房建成, 李建平, 穆全起, 鐘麥英 申請人:北京航空航天大學