专利摘要
本发明公开了采用三轴速率陀螺实现的反射镜稳瞄系统，该系统在传统反射镜稳瞄系统的基础上，将作为速率敏感元件的两轴速率陀螺改为三轴速率陀螺，并根据反射镜稳瞄系统中各运动单元的运动传递关系，对三轴速率陀螺在三个敏感轴上输出的惯性速度信号和俯仰旋转变压器解算出的相对速度信号进行融合处理，获得了方位稳定控制回路和俯仰稳定控制回路的反馈信号；再通过相应的视轴速度误差解算和速度控制解算最终获得反射镜稳瞄系统的方位速度和俯仰速度控制指令。本发明的俯仰框架不再需要2∶1传动机构，既减小了系统体积，又降低了系统成本，特别适用于有小型化要求的机载、舰载、车载反射镜稳瞄系统。
权利要求
1.一种采用三轴速率陀螺实现的反射镜稳瞄系统，包括方位框架、方位旋转变压器[1]、俯仰旋转变压器[2]、头罩[3]、方位电机[4]、含有反射镜[5]的光电传感器、俯仰电机[7]和伺服控制单元，所述光电传感器的主体部分、方位框架和方位电机[4]均安装在头罩[3]上，在方位电机[4]的带动下方位框架可相对头罩[3]作方位运动；所述方位旋转变压器[1]、反射镜[5]和俯仰电机[7]均安装在方位框架上，俯仰电机[7]的主轴与反射镜[5]的转轴即俯仰轴固连，所述俯仰旋转变压器[2]安装在所述俯仰轴上，在俯仰电机[7]的带动下反射镜[5]可相对方位框架作俯仰运动且反射镜[5]的反射光线进入所述光电传感器的物镜，其特征在于：还包括三轴速率陀螺[6]，所述三轴速率陀螺[6]安装在所述反射镜[5]上且其安装面与反射镜[5]成45°夹角，三轴速率陀螺[6]中的第一敏感轴与方位轴平行，第二敏感轴与所述俯仰轴平行，第三敏感轴与横滚方向平行；所述伺服控制单元包括装有伺服稳定控制软件包的伺服计算机和驱动电路，所述伺服稳定控制软件包含有数据采集模块、通讯模块、位置指令模块、视轴方位速度误差解算模块、视轴俯仰速度误差解算模块、伺服稳定控制模块和驱动模块，数据采集模块的功能是分别采集方位旋转变压器[1]输出的角度信号、俯仰旋转变压器[2]输出的角度信号和相对速度信号、三轴速率陀螺仪[6]三个敏感轴输出的惯性速度信号、操控器输出的方位指令和俯仰指令；通讯模块的功能是通过数据总线接收上位计算机发来的跟踪指令并将反射镜稳瞄系统当前的方位角和俯仰角上传给所述上位计算机；位置指令模块的功能是根据控制算法获取方位位置指令和俯仰位置指令；视轴方位速度误差解算模块的功能是根据以下算法解算视轴方位速度误差：
ωa＝ωgx·sinβ+ωgz·cosβ
Ea＝Da+Ua-ωa
式中，Ea表示视轴方位速度误差，Da表示操控器给出的方位指令，Ua表示跟踪指令中的方位位置指令，ωgx表示三轴速率陀螺第三敏感轴输出的惯性速度，ωgz表示三轴速率陀螺第一敏感轴输出的惯性速度，β表示俯仰旋转变压器输出的俯仰角度，ωa为视轴的方位速度控制量；视轴俯仰速度误差解算模块的功能是根据以下算法解算视轴俯仰速度误差：
式中，Ee表示视轴俯仰速度误差，De表示操控器给出的俯仰指令，Ue表示跟踪指令中的俯仰位置指令，ωgy表示三轴速率陀螺第二敏感轴输出的惯性速度， 表示俯仰旋转变压器输出的相对速度，ωe为视轴的俯仰速度控制量，K为增益系数，其值等于俯仰旋转变压器输出的相对速度增益与三轴速率陀螺增益的比值；伺服稳定控制模块的功能是，根据控制算法获得反射镜稳瞄系统的方位速度控制指令和俯仰速度控制指令；驱动模块的功能是将伺服稳定控制模块输出的方位速度控制指令和俯仰速度控制指令分别对应送入所述驱动电路中的方位驱动回路和俯仰驱动回路，方位驱动回路和俯仰驱动回路分别对应驱动所述方位电机[4]和所述俯仰电机[7]转动。
说明书
技术领域
本发明属于伺服控制领域，主要涉及一种运动载体光电稳定平台的瞄准线稳定系统，尤其涉及一种利用三轴速率陀螺实现的反射镜稳瞄系统。
背景技术
安装在运动载体(飞机、舰船、车辆)上的观瞄设备或光电跟踪设备主要完成对目标进行搜索、瞄准、跟踪、照射和测距等作战任务。为了获得清晰的观瞄图像和稳定的瞄准线，需要对运动载体上的光电设备采取稳定措施。针对不同的运动载体和光电设备实现的不同功能，其采用的稳定措施也不尽相同。
光电稳定平台采用的是整体平台稳定措施，也是目前最常见的一种稳定方案。采用该类稳定方式的产品结构形式如图1所示，平台为一万向架结构，各光电传感器与陀螺安装在内俯仰框架上。陀螺敏感平台相对惯性空间在方位和俯仰方向的速度，与速度指令信号作用形成控制误差；误差信号经稳定控制器、电机驱动器分别驱动方位轴和俯仰轴的电机转动，来消除由载体运动带来的角扰动，达到惯性空间稳定的目的。由于光电传感器和陀螺均安装在内框架上，使得方位和俯仰伺服控制对象的惯量很大，不仅导致稳定系统对电机的驱动能力要求很高，而且也不利于系统的快速响应；同时，在进行观瞄操作中需要暴露整个探测器部分，容易遭到敌方攻击。
对于单通道光学系统的观瞄装置，常采用稳定潜望反射镜的方式达到瞄准线稳定的目的。反射镜稳定系统的典型方案如图2所示，两轴速率陀螺2、俯仰旋变3、俯仰电机4安装在第一俯仰轴上，而反射镜1安装在第二俯仰轴上，第一、第二俯仰轴通过一个2∶1传动机构5连接。两轴速率陀螺2敏感载体在方位和俯仰两个自由度上的惯性速度；伺服系统以两轴速率陀螺2的信号为输入，经伺服控制器分别带动方位轴6和第一俯仰轴运动，补偿载体运动，保持两个轴系相对惯性空间稳定；方位的惯性稳定能够保证瞄准线在方位方向的稳定，而第一俯仰轴的运动则通过2∶1传动机构5带动反射镜1转动，以满足瞄准线转动角量为反射镜1转动角量两倍的运动关系，从而实现瞄准线的稳定。然而，采用2∶1传动机构的反射镜稳定方案会存在以下问题：(1)由于2∶1传动机构常采用钢带和齿轮实现，而由此带来的轴系间隙误差、高频谐振、噪声等会对系统的稳定精度带来不利影响；(2)无法实现大角度范围工作；(3)反射镜组件结构庞大，空间利用率不高，不利于武器装备的小型化。
美国专利USP4883347公开了一种不依赖于2∶1机构的反射镜稳瞄系统。该系统采用了两个两轴速率陀螺，分别装在俯仰框(反射镜背后)和方位框上。俯仰框上陀螺的两个敏感轴分别平行于稳瞄系统视轴的横滚轴和俯仰轴，所对应的敏感输出量分别为ωer和ωee；方位框上陀螺的两个敏感轴分别平行于稳瞄系统视轴的方位轴和俯仰轴，所对应的敏感输出量分别为ωaz和ωae。该稳定系统以解算量2ωee-ωae和ωaz+2ωersinθe作为俯仰和方位伺服系统的反馈信号，其中θe表示俯仰框架相对方位框架的俯仰角。该专利公开的技术方案存在两个不利因素：第一，使用了两个两轴陀螺且安装位置不在一起，装配时两个陀螺的正交性难以保证，容易产生通道耦合交扰，直接影响系统的稳定精度；第二，两个两轴陀螺也增加了反射镜稳定系统的成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术中存在的问题，提供一种利用三轴速率陀螺实现的反射镜稳定系统，具体地说，该反射镜稳定系统利用三轴速率陀螺的敏感输出解算出系统视轴的方位和俯仰速度误差分量，并与操控器指令一起形成误差指令，以对反射镜进行伺服控制并实现稳瞄功能。
为解决上述技术问题，本发明提供的反射镜稳定系统包括方位框架、方位旋转变压器、俯仰旋转变压器、头罩、方位电机、含有反射镜的光电传感器、三轴速率陀螺、俯仰电机和伺服稳定控制单元，所述光电传感器的主体部分、方位框架和方位电机均安装在头罩上，在方位电机的带动下方位框架可相对头罩作方位运动；所述方位旋转变压器、反射镜和俯仰电机均安装在方位框架上，俯仰电机的主轴与反射镜的转轴即俯仰轴固连，所述俯仰旋转变压器安装在所述俯仰轴上，在俯仰电机的带动下反射镜可相对方位框架作俯仰运动且反射镜的反射光线进入所述光电传感器的物镜，所述三轴速率陀螺安装在所述反射镜上且其安装面与反射镜成45°夹角，三轴速率陀螺中的第一敏感轴与所述方位轴平行，第二敏感轴与所述俯仰轴平行，第三敏感轴与横滚方向平行；所述伺服控制单元包括装有伺服稳定控制软件包的伺服计算机和驱动电路，所述伺服稳定控制软件包含有数据采集模块、通讯模块、位置指令模块、视轴方位速度误差解算模块、视轴俯仰速度误差解算模块、伺服稳定控制模块和驱动模块，数据采集模块的功能是分别采集方位旋转变压器输出的角度信号、俯仰旋转变压器输出的角度信号和相对速度信号、三轴速率陀螺仪三个敏感轴输出的惯性速度信号、操控器输出的方位指令和俯仰指令；通讯模块的功能是通过数据总线接收上位计算机发来的跟踪指令并将反射镜稳定系统当前的方位角和俯仰角上传给所述上位计算机；位置指令模块的功能是根据控制算法获取方位位置指令和俯仰位置指令；视轴方位速度误差解算模块的功能是根据以下算法解算视轴方位速度误差：
ωa＝ωgx·sinβ+ωgz·cosβ
Ea＝Da+Ua-ωa
式中，Ea表示视轴方位速度误差，Da表示操控器给出的方位指令，Ua表示跟踪指令中的方位位置指令，ωgx表示三轴速率陀螺第三敏感轴输出的惯性速度，ωgz表示三轴速率陀螺第一敏感轴输出的惯性速度，β表示俯仰旋转变压器输出的俯仰角度，ωa为视轴的方位速度控制量；视轴俯仰速度误差解算模块的功能是根据以下算法解算视轴俯仰速度误差：
式中，Ee表示视轴俯仰速度误差，De表示操控器给出的俯仰指令，Ue表示跟踪指令中的俯仰位置指令，ωgy表示三轴速率陀螺第二敏感轴输出的惯性速度， 表示俯仰旋转变压器输出的相对速度，ωe为视轴的俯仰速度控制量，K为增益系数，其值等于俯仰旋转变压器输出的相对速度增益与三轴速率陀螺增益的比值；伺服稳定控制模块的功能是，根据控制算法获得反射镜稳瞄系统的方位速度控制指令和俯仰速度控制指令；驱动模块的功能是将伺服稳定控制模块输出的方位速度控制指令和俯仰速度控制指令分别对应送入所述驱动电路中的方位驱动回路和俯仰驱动回路，方位驱动回路和俯仰驱动回路分别对应驱动所述方位电机和所述俯仰电机转动。
本发明采用的速度敏感元件为三轴速率陀螺，伺服计算机实时采集三轴速率陀螺三个敏感轴输出的三路惯性速度信号、方位旋转变压器和俯仰旋转变压器解算的位置信号以及俯仰旋转变压器解算的相对速度信号、操控器给出的方位指令和俯仰指令，并同时通过数据总线接收上位计算机给出的跟踪指令，利用其内置伺服稳定控制软件中的一系列算法对上述信号和指令进行信息融合处理，解算出视轴的方位速度误差和俯仰速度误差并以此作为方位速度环和方位速度环的反馈信号，进而实现对方位电机和俯仰电机的转速控制，亦即实现了瞄准线稳定功能。本发明与传统的反射镜稳定模式相比，减少了2∶1机构，大大减小了探测器头部的体积；而与采用两个两轴速率陀螺获取速度解算信号的美专利相比，本发明充分利用了俯仰旋转变压器解算出的相对速度信号，从而减少了一个陀螺敏感轴，也降低了系统的成本；同时本发明还能避免两个陀螺所引起的正交性装配问题。
附图说明
图1a和图1b分别是传统光电稳定平台的结构及控制原理框图。
图2是传统反射镜稳定系统的结构组成示意图。
图3a、图3b是本发明反射镜稳定系统的结构组成示意图。
图4是本发明中伺服稳定控制单元的组成及控制原理框图。
图5是本发明中伺服稳定控制软件包的工作流程图。
图6是本发明中各运动单元坐标系与载体坐标系的示意图。
图7是本发明中俯仰稳定控制回路的控制原理框图。
图8是本发明中方位稳定控制回路的控制原理框图。
具体实施说明
下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的详述。
根据图3a、图3b所示，本发明优选实施例提供的反射镜稳定系统采用两环架结构，它包括方位框架、方位旋转变压器1、俯仰旋转变压器2、头罩3、方位电机4、含有反射镜5的光电传感器、三轴速率陀螺6、俯仰电机7、伺服稳定控制单元。光电传感器的主体部分、方位框架和方位电机4均安装在头罩3上，方位电机4采用盘式力矩电机，方位电机4的主轴与方位框架的转轴即方位轴固连，在方位电机4的带动下方位框架可相对头罩3作方位运动，方位旋转变压器1安装在方位框架上且用于测量方位框架相对于头罩3的转动角度α。反射镜5和俯仰电机7均安装在方位框架上，俯仰电机7也采用盘式力矩电机，俯仰电机7的主轴与反射镜5的转轴即俯仰轴固连。反射镜5为具有加强筋结构的反射镜，其反射光线进入光电传感器的物镜，在俯仰电机7的带动下，反射镜可相对方位框架作俯仰运动。三轴速率陀螺6安装在反射镜5的背后且其安装面与反射镜5成45°夹角，三轴速率陀螺6中的第一敏感轴与方位轴平行，第二敏感轴与俯仰轴平行，第三敏感轴与横滚方向平行。三轴速率陀螺6用于测量反射镜5即俯仰框架在惯性空间内的方位、俯仰、横滚三个方向上的惯性速度。俯仰旋转变压器2安装在俯仰轴上且用于测量俯仰框架相对于方位框架的转动角度β。
根据图4所示，伺服稳定控制单元含有六个A/D转换器、两个D/A转换器、两个R/D转换器、驱动电路和装有伺服稳定控制软件包的伺服计算机。第一R/D转换器将方位旋转变压器1输出的正弦信号和余弦信号转换为数字角度信号并送入伺服计算机中，第二R/D转换器将俯仰旋转变压器2输出的正弦信号和余弦信号转换为数字角度信号并送入伺服计算机中。第一至第三A/D转换器一一对应地将三轴速率陀螺6的第一、第二、第三敏感轴输出的惯性速度信号转换成数字信号后送入计算机中，第四A/D转换器将第二R/D转换器输出的相对速度信号转换为数字信号后送入计算机，第五A/D转换器、第六A/D转换器分别将操控器给出的方位指令和俯仰指令转换为数字信号并送入计算机中。第一、第二D/A转换器分别将伺服计算机输出的方位速度控制指令、俯仰速度控制指令转换成模拟信号，并对应送入驱动电路中的方位驱动回路和俯仰驱动回路中。驱动电路为脉宽调制功率放大器(PWM)，其功能是接收第一、第二D/A转换器输出的模拟信号，分别通过方位驱动回路和俯仰驱动回路驱动方位电机4和俯仰电机7作相应的转动。伺服稳定控制软件包含有数据采集模块、存储模块、通讯模块、位置指令模块、视轴方位速度误差解算模块、视轴俯仰速度误差解算模块、伺服稳定控制模块和驱动模块。伺服稳定控制软件包的工作流程参见图5。
数据采集模块的功能是采集六个A/D转换器和两个R/D转换器的输出数据，操控器输出的方位指令和俯仰指令，并且存放在存储模块中。
存储模块的功能是存放伺服稳定控制解算过程中所用的相关参数、信号数据以及运算过程中产生的过渡数据。
通讯模块的功能是通过422数据总线从上位计算机获取跟踪指令，并同时向上位计算机发送本反射镜稳定系统的当前方位角度α和俯仰角度β，以使上位计算机控制其它配套武器系统随动于本发明稳定系统。
位置指令模块的功能是调用存储模块中的相关数据，并根据以下算法获得方位位置指令和俯仰位置指令。
Ua＝-K11δa-K12∫δadt
Ue＝-K21δe-K22∫δedt
式中：Ua表示方位位置指令，Ue表示俯仰位置指令，δa表示跟踪指令中的方位指令，δe表示跟踪指令中的俯仰指令，K11和K12分别为本实施例所用方位位置控制器的比例系数和积分系数，K21和K22分别为本实施例所用俯仰位置控制器的比例系数和积分系数，当比例系数K11、K21和积分系数K12、K22均为零时，本系统将处于纯稳定状态。当然位置指令模块也可选用现有技术中的其它控制算法。
视轴方位速度误差解算模块的功能是调用存储模块中的相关数据，并根据以下算法获得视轴方位速度误差。
ωa＝ωgx·sinβ+ωgz·cosβ
Ea＝Da+Ua-ωa
式中，Ea表示视轴方位速度误差，Da表示操控器给出的方位指令，Ua表示跟踪指令中的方位位置指令，ωgx表示三轴速率陀螺第三敏感轴输出的惯性速度，ωgz表示三轴速率陀螺第一敏感轴输出的惯性速度，β表示俯仰旋转变压器输出的俯仰角度，ωa为视轴的方位速度控制量。
视轴俯仰速度误差解算模块的功能是，调用存储模块中的相关数据，并根据以下算法获得视轴俯仰速度误差。
式中，Ee表示视轴俯仰速度误差，De表示操控器给出的俯仰指令，Ue表示跟踪指令中的俯仰位置指令，ωgy表示三轴速率陀螺第二敏感轴输出的惯性速度， 表示俯仰旋转变压器输出的相对速度，ωe为视轴的俯仰速度控制量，K为增益系数，其值等于俯仰旋转变压器输出的相对速度增益与三轴速率陀螺增益的比值；
伺服稳定控制模块的功能是，根据控制算法获得反射镜稳瞄系统的方位速度控制指令和俯仰速度控制指令，本优选实施例采用PI控制算法：
Va＝KP1Ea+KI1∫Eadt
Ve＝KP2Ee+KI2∫Eedt
式中，Va表示方位速度控制指令，Ve表示俯仰速度控制指令，KP1和KP2分别为本实施例所用方位速度控制器和俯仰速度控制器的比例系数，KI1和KI2分别为本实施例所用方位速度控制器和俯仰速度控制器的积分系数。当然，伺服稳定控制模块也可以根据其它控制算法获得系统的方位速度控制指令和俯仰速度控制指令。
驱动模块的功能是，将伺服稳定控制模块输出的方位速度控制指令Va和俯仰速度控制指令Ve分别送入第一、第二D/A转换器。
在反射镜稳瞄系统中，伺服稳定控制单元的任务是，当射手在载体运动状态下瞄准目标时，根据操控器给出的方位指令和俯仰指令分别与反射镜的方位和俯仰运动参数之间的差异实现在方位和俯仰方向上对反射镜运动速度的控制，从而使瞄准线处于稳定状态。对于本发明而言，伺服稳定控制单元中的视轴方位速度误差解算模块和视轴俯仰速度误差解算模块是本发明的核心内容。这两个模块可根据三轴速率陀螺以及俯仰旋转变压器的输出分别解算出视轴的方位速度控制量和俯仰速度控制量，两者正是本发明方位速度环和俯仰速度环进行伺服稳定控制所必需的反馈信号。为了获得这两个反馈信号的解算公式，本发明从载体运动时系统视轴即反射镜光轴相对惯性空间的运动关系入手完成了以下推导工作。
为了叙述方便，首先建立如6图所示的各种相关的坐标系，其中{i，j，k}为载体坐标系，其初始时向量i与飞机航向一致，[ωiωjωk]T表示载体惯性速度向量；(a，e，r)为方位框架坐标系，而[ωa1ωa2ωa3]T表示方位框架坐标系相对于载体坐标系绕k轴旋转α角时方位框架的惯性速度向量；(e1，e2，e3)为俯仰框架(反射镜)坐标系，[ωe1ωe2ωe3]T表示俯仰框架坐标系相对于方位框架坐标系绕j轴旋转β角时俯仰框架的惯性速度向量；(a1，a2，a3)为视轴坐标系，[ωrωeωa]T表示视轴坐标系相对方位框架坐标系j轴旋转2β角时视轴的惯性速度向量。在载体扰动条件下，系统的运动传递关系如下：
根据技术方案的描述可知，三轴速率陀螺6的三个敏感轴的输出ωgx、ωgy和ωgz实际分别对应着俯仰框架的惯性速度向量中的三个分量ωe1、ωe2和ωe3，那么，可根据式(2)展开分别得到：
ωgx＝ωe1＝ωa1·cosβ-ωa3·sinβ(4)
ωgz＝ωe3＝ωa1·sinβ+ωa3·cosβ(6)
同样，可根据式(3)展开分别得到视轴惯性速度的俯仰速度分量和方位速度分量：
ωa＝ωa1sin2β+ωa3cos2β(8)
俯仰框架惯性速度向量中的俯仰分量与视轴惯性速度中的俯仰速度分量之差即式(7)一式(5)可获得：
由此就可获得视轴的俯仰速度量：
在式(10)中，代表俯仰框架的相对速度 可以由俯仰旋转变压器2解算得到，ωgy又可以由三轴速率陀螺的y通道即第二敏感轴输出读取，因此视轴的俯仰速度控制量可以通过两个信息的融合得到。考虑到陀螺环节和旋变解算的增益不一致，系统实现时需要进行校正，即：
以此融合后的速度量作为俯仰反馈信号，得到如图7所示的俯仰稳定控制回路。
要获得视轴的方位速度控制量，首先求解式(4)和式(6)的联立方程并获得以下关系式：
ωa1＝ωgx·cosβ+ωgz·sinβ(12)
ωa3＝-ωgx·sinβ+ωgz·cosβ(13)
然后将式(12)和式(13)带入式(8)，就可以得到视轴的方位速度控制量：
ωa＝ωgx·sinβ+ωgz·cosβ(14)
在式(14)中，ωgx由三轴速率陀螺的x通道即第三敏感轴的输出读取，ωgz由三轴速率陀螺的z通道即第一敏感轴的输出读取，β由俯仰旋转变压器2解算得到，因此视轴的方位速度量可以通过两个信息的融合得到。以此融合后的速度量作为方位反馈信号，得到如图8所示的方位稳定控制回路。
采用三轴速率陀螺实现的反射镜稳瞄系统专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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