一種擾動角度補(bǔ)償系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的一種擾動角度補(bǔ)償系統(tǒng)，適用于地面、車載、機(jī)載、艦載、星載等多軸的攝像穩(wěn)定平臺，并能夠根據(jù)用戶需求，擴(kuò)展應(yīng)用于軍事、警用和影視等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]陀螺穩(wěn)定技術(shù)不但在軍事領(lǐng)域的精確打擊、晝夜偵察、目標(biāo)監(jiān)視跟蹤等領(lǐng)域有重要應(yīng)用，在航空拍攝，空中搜救，海關(guān)緝私，公安巡邏等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用，并且在電力、火警和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域也越來越多受到重視。隨著陀螺穩(wěn)定技術(shù)應(yīng)用的增多，對于穩(wěn)定平臺的功能和穩(wěn)定精度要求也越來越多。雖然機(jī)載、車載、艦載和星載等不同的載體所搭載的載荷有所不同，但都基本都要求載荷在三個相互正交的坐標(biāo)軸上具有足夠的穩(wěn)定性能。
[0003]目前國內(nèi)的地面、車載、機(jī)載、船載等領(lǐng)域的穩(wěn)定平臺，普遍采用的兩軸三框架、兩軸四框架方式，雖然解決了視軸空間方向上的穩(wěn)定控制，保證載荷視軸空間上指向的穩(wěn)定精度，但是并未完全隔離外界的力矩干擾?，F(xiàn)有三軸四框架陀螺穩(wěn)定平臺雖然在繞視軸方向上具備一定的穩(wěn)定性能，但其并未考慮繞視軸方向的力矩干擾，導(dǎo)致整體的剛度較差，穩(wěn)定精度也較低，因而所得到的視頻影像效果并不理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:提供了一種角度擾動補(bǔ)償系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有地面、車載、機(jī)載、船載等在繞視軸方向上不具備穩(wěn)定性能的問題，保證視軸方向上具有較高的穩(wěn)定精度，從而能夠獲得實(shí)時(shí)的高質(zhì)量影像畫面。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:一種擾動角度補(bǔ)償系統(tǒng)，包括驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及測量系統(tǒng)；其中驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動電機(jī)、小帶輪、大帶輪，其中有效載荷與大帶輪固定連接，用于與大帶輪同步轉(zhuǎn)動；所述測量系統(tǒng)包括絕對式編碼器、所述絕對式編碼器的轉(zhuǎn)子與驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)子同軸連接，用于直接測量及控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)角；
[0006]控制系統(tǒng)設(shè)定有效載荷的工作位置，在有效載荷的位置發(fā)生擾動時(shí)，速率陀螺測量有效載荷的角速率，并將測得的角速率實(shí)時(shí)發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的角速率計(jì)算有效載荷的擾動角度，并根據(jù)該擾動角度計(jì)算出補(bǔ)償角度，并將所述補(bǔ)償角度發(fā)送給絕對式編碼器，絕對式編碼器控制驅(qū)動電機(jī)以所述補(bǔ)償角度進(jìn)行反向轉(zhuǎn)動，使有效載荷回復(fù)到設(shè)定的工作位置；
[0007]所述補(bǔ)償角度的計(jì)算方法為:
[0008]設(shè)大帶輪(12)與小帶輪⑶的線速度比為N，其中N為整數(shù)，且N>1，設(shè)有效載荷的擾動轉(zhuǎn)角為Θ，有效載荷的轉(zhuǎn)動范圍為土 Θ O，即_θο< θ Θ O；
[0009]I)當(dāng)2N Θ # 360°時(shí)，則計(jì)算出驅(qū)動電機(jī)(6)的角度位置為:
[0010]Ψ = Ψ0+Ν(Θ-Θ0)
[0011]則補(bǔ)償角度Λ Ψ。= Ψ-Ψ。= Ν(θ-Θ。)
[0012]式中，Δ Ψο為補(bǔ)償角度；Ψ為有效載荷角度發(fā)生擾動后，驅(qū)動電機(jī)(6)的角度位置；Ψο為有效載荷處于最大擾動位置時(shí)，驅(qū)動電機(jī)(6)的角度位置；2)當(dāng)2ΝΘ ε>360°時(shí)，所述絕對式編碼器(7)轉(zhuǎn)過η圈，其中η為整數(shù)，且η彡1，
[0013]Ψ = Ψ0+Ν( θ - Θ 0)-360。X (c-n)
[0014]則補(bǔ)償角度Δ Ψ。= Ψ-Ψ0= Ν( θ - Θ。)-360。X (c-n)
[0015]式中，c為絕對式編碼器圈數(shù)，其中，c為整數(shù)，且c彡η ; Δ Wc為補(bǔ)償角度；Ψ為有效載荷角度發(fā)生擾動后，驅(qū)動電機(jī)(6)轉(zhuǎn)過η圈后的角度位置為有效載荷處于最大擾動位置時(shí)，驅(qū)動電機(jī)出)的角度位置；
[0016]絕對式編碼器(7)驅(qū)動電機(jī)(6)反方向轉(zhuǎn)動Λ Ψο角度，并通過小帶輪⑶帶動大帶輪(12)反向轉(zhuǎn)動Θ，使有效載荷恢復(fù)到設(shè)定的工作位置。
[0017]所述控制系統(tǒng)還用于設(shè)定擾動角度的誤差范圍，所述速率陀螺還用于測量有效載荷在恢復(fù)到設(shè)定工作位置后的角速率，并將角速率發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)該角速率計(jì)算擾動角度的誤差量，當(dāng)擾動角度的誤差量超過設(shè)定范圍時(shí)，控制系統(tǒng)重新根據(jù)擾動角度最大誤差進(jìn)行角度補(bǔ)償計(jì)算，并驅(qū)動電機(jī)再次進(jìn)行角度補(bǔ)償，直至誤差角度變化處于設(shè)定范圍之內(nèi)為止。
[0018]所述驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)子與小帶輪固定連接，并通過同步帶將動力傳遞給大帶輪；所述外框架上還固定有張緊組件，用于實(shí)現(xiàn)對同步帶的張緊。
[0019]所述張緊組件包括張緊調(diào)整支架，擋邊軸承I和擋邊軸承2組成；所述張緊支架的一端安裝于外框架，另一端的長軸結(jié)構(gòu)固定安裝擋邊軸承I和擋邊軸承2，其中，擋邊軸承I和擋邊軸承2的擋邊朝外安裝，用于將同步帶限制在兩個擋邊軸承的定子上而不脫落；所述張緊調(diào)整支架安裝底座連接孔開成一字形長孔，張緊調(diào)整支架安裝于外框架后，可沿所述一字型長孔移動，實(shí)現(xiàn)對同步帶的預(yù)緊。
[0020]所述補(bǔ)償系統(tǒng)還包括內(nèi)框架，第一軸承、與第二軸承；有效載荷固定安裝在所述內(nèi)框架的內(nèi)部，有效載荷的轉(zhuǎn)動角度即為內(nèi)框架的轉(zhuǎn)動角度，內(nèi)框架與第一軸承和第二軸承的內(nèi)環(huán)同軸固連，第一軸承與第二軸承采用背靠背形式的安裝方式，外框架與第一軸承和第二軸承的外環(huán)同軸固連，所述第一軸承和第二軸承的轉(zhuǎn)軸方向與有效載荷視軸方向一致。
[0021]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0022](I)本發(fā)明的角度補(bǔ)償系統(tǒng)有效地解決了較大尺寸的有效載荷在視軸方向上的穩(wěn)定控制問題，采用一對大軸承背靠背安裝的支承方法，將有效載荷嵌入大帶輪內(nèi)，提高了視軸方向上轉(zhuǎn)動的精度，并能夠有效地提高了系統(tǒng)的剛度，有利于實(shí)現(xiàn)視軸方向上的高精度穩(wěn)定控制。
[0023](2)本發(fā)明的有效載荷嵌入的支承方式，有效地提尚了相機(jī)等有效載荷的回轉(zhuǎn)范圍，實(shí)現(xiàn)了 360°整周范圍的轉(zhuǎn)角運(yùn)動，有利于實(shí)現(xiàn)視軸方向上各種角度條件下的高精度穩(wěn)定控制。
[0024](3)本發(fā)明采用絕對式編碼器作為補(bǔ)償系統(tǒng)的測角元件，提高了視軸方向上的測角精度，有利于實(shí)現(xiàn)視軸方向上的高精度穩(wěn)定控制。
[0025](4)本發(fā)明的角度補(bǔ)償系統(tǒng)采用帶輪傳動的驅(qū)動方式，即力矩電機(jī)經(jīng)過大傳動比的帶輪減速后，可以獲得較大的輸出力矩。這種驅(qū)動方式在保證結(jié)構(gòu)緊湊的前提下，有效地增大了輸出力矩。
[0026](5)本發(fā)明的補(bǔ)償系統(tǒng)通過速率陀螺敏感有效載荷視軸方向的擾動角速度，利用控制單元解算并控制驅(qū)動電機(jī)的實(shí)時(shí)角運(yùn)動，有效地保證了載荷相對于慣性空間的穩(wěn)定。
[0027](6)本發(fā)明的補(bǔ)償系統(tǒng)充分考慮了繞視軸方向上的力矩干擾對視軸穩(wěn)定性能的影響，通過嵌入式支承載荷的安裝方式，大幅提高了系統(tǒng)的剛度，并提高了系統(tǒng)的控制運(yùn)算性能，補(bǔ)償系統(tǒng)的穩(wěn)定精度能夠達(dá)到20yrad以上，能夠保證有效載荷實(shí)時(shí)獲得高質(zhì)量的視頻影像。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明補(bǔ)償系統(tǒng)的立體圖；
[0029]圖2為本發(fā)明補(bǔ)償系統(tǒng)的剖視圖；
[0030]圖3為本發(fā)明補(bǔ)償系統(tǒng)的磁鋼布置視圖；
[0031]圖4為本發(fā)明補(bǔ)償系統(tǒng)的內(nèi)框架與絕對式編碼器的角度關(guān)系圖；
[0032]圖5為本發(fā)明補(bǔ)償系統(tǒng)的控制電路原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]如圖1、2和3所示，本發(fā)明的補(bǔ)償系統(tǒng)包括內(nèi)框架1、外框架2、有效載荷3、軸承結(jié)構(gòu)4、速率陀螺5、驅(qū)動電機(jī)6、編碼器7、小帶輪8、同步帶9、張緊組件1、控制系統(tǒng)11、大帶輪12、電機(jī)定子支架13、碼盤支架14、霍爾15、霍爾支架16、霍爾傳感器17 ;補(bǔ)償系統(tǒng)的內(nèi)框架I將有效載荷3固定安裝在其內(nèi)部，因此，有效載荷3的轉(zhuǎn)動角度即為內(nèi)框架I的轉(zhuǎn)動角度，內(nèi)框架I與第一軸承4-1和第二軸承4-2的內(nèi)環(huán)同軸固連，第一軸承4-1與第二軸承
4-2采用背靠背形式的安裝方式，外框架2與第一軸承4-1和第二軸承4-2的外環(huán)同軸固連，并保證第一軸承4-1和第二軸承4-2的轉(zhuǎn)軸方向與有效載荷3視軸方向一致，以提供內(nèi)外框架2繞視軸方向上轉(zhuǎn)動的自由度；補(bǔ)償系統(tǒng)的有效載荷3可以采用相機(jī)、視頻頭和大型攝像機(jī)等具有攝像功能的設(shè)備；平臺的軸承可采用直徑大于有效載荷徑向輪廓的尺寸，以保證將有效載荷3包圍在其內(nèi)部。軸承的安裝位置和跨度，可根據(jù)空間的尺寸情況確定，并可以根據(jù)有效載荷3的大小確定軸承的數(shù)量，如果有效載荷3軸向尺寸較小時(shí)，可采用單個大尺寸軸承；有效載荷3的平臺采用帶輪和同步帶的間接驅(qū)動方式，即驅(qū)動電機(jī)的定子6-1固定在電機(jī)定子支架13上，電機(jī)定子支架13固定在外框架2上，小帶輪8固連到驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子軸6-2上，大帶輪12固連到內(nèi)框架I上，平臺通過驅(qū)動電機(jī)6將動力輸出，經(jīng)過同步帶9傳遞給大帶輪12，以保證將驅(qū)動電機(jī)6的力矩輸出到內(nèi)框架I上；平臺采用小帶輪8、大帶輪12和同步帶9的間接驅(qū)動方式，力矩電機(jī)6經(jīng)過大傳動比的帶輪減速后，最終將足夠大的驅(qū)動力矩輸出到內(nèi)框架I上。有效載荷3的平臺驅(qū)動電機(jī)6可采用有刷力矩電機(jī)、無刷力矩電機(jī)，也可選用步進(jìn)電機(jī)等；張緊組件10固定在外框架上，實(shí)現(xiàn)同步帶9的張緊，所述張緊組件10包括張緊調(diào)整支架10-1，擋邊軸承(I) 10-2和擋邊軸承(2) 10-3組成；所述張緊支架10-1的一端安裝于外框架2，另一端的長軸結(jié)構(gòu)固定安裝擋邊軸承(I) 10-2和擋邊軸承(2) 10-3，其中，擋邊軸承(I) 10-2和擋邊軸承(2)10-3的擋邊朝外安裝，用于將同步帶9限制在兩個擋邊軸承的定子上而不脫落；所述張緊調(diào)整支架10-1安裝底座連接孔開成一字形長孔，張緊調(diào)整支架10-1安裝于外框架2后，可沿所述一字型長孔移動，實(shí)現(xiàn)對同步帶9的預(yù)緊。編碼器7固定在碼盤支架14上，碼盤支架14與外框架2連接，編碼器的轉(zhuǎn)子7-1與驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)子6-2同軸連接平臺采用編碼器7可采用單圈絕對式編碼或者多圈絕對式編碼器，也可根據(jù)實(shí)際需要采用旋轉(zhuǎn)變壓器、相對式編碼器或者其他測角元件；速率陀螺5固定在內(nèi)框架I上，敏感有效載荷繞視軸方向的擾動角速度，速率陀螺5可以選用光纖陀螺、激光陀螺或者M(jìn)EMS陀螺等，可根據(jù)需要選擇模擬信號輸出或者數(shù)字信號輸出；霍爾15固定在霍爾支架16上，霍爾支架16與外框架2連接，霍爾15的磁鋼(I) 15_1和磁鋼(2) 15-2分別固定在內(nèi)框架I上，用于判斷內(nèi)框架I相對外框架2的轉(zhuǎn)動方向，即判斷大帶輪12的轉(zhuǎn)動方向；控制單元11固連到外框架2上，也可布置在內(nèi)框架I上，或者其他位置，實(shí)現(xiàn)對控制回路的測量數(shù)據(jù)信息處理、計(jì)算，得到控制平臺內(nèi)框架I繞視軸方向上的角度位置補(bǔ)償量，并實(shí)現(xiàn)對力矩電機(jī)6的驅(qū)動控制；本發(fā)明的內(nèi)框架1、外框架2材料為鋁合金。平臺采用有效載荷3嵌入內(nèi)部的支承方式，有效地提高了有效載荷3的回轉(zhuǎn)范圍，實(shí)現(xiàn)了 360°整周范圍的轉(zhuǎn)角運(yùn)動。
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