[發明專利]一種三軸穩定平臺系統框架自解鎖方法及系統

有效

• 申請號: 201811252608.8
• 申請日: 2018-10-25
• 公開（公告）號: CN109540134B
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發明（設計）人: 魏宗康;段宇鵬
• 申請（專利權）人: 北京航天控制儀器研究所
• 主分類號: G01C21/18
• 分類號: G01C21/18;G01C21/20
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 胡健男

1.一種三軸慣性穩定平臺系統框架自解鎖方法，其特征在于：基于三軸慣性穩定平臺系統實現，所述穩定平臺系統包括基座、外框架、內框架和臺體，對應的本體坐標系分別為基座本體坐標系X₁Y₁Z₁、外框架本體坐標系X_p2Y_p2Z_p2、內框架本體坐標系X_p1Y_p1Z_p1和臺體本體坐標系X_pY_pZ_p；四個坐標系的原點重合，并且：臺體本體坐標系的Z_p軸與內框架本體坐標系的Z_p1軸重合，外框架本體坐標系的Y_p2軸與內框架本體坐標系的Y_p1軸重合，基座本體坐標系的X₁軸與外框架本體坐標系的X_p2軸重合；其中，基座與載體固連，在所述穩定平臺系統在載體帶動下發生內部相對轉動時，基座繞外框架本體坐標系的X_p2軸轉動，外框架繞內框架本體坐標系的Y_p1軸轉動，內框架繞臺體本體坐標系的Z_p軸轉動；

所述三軸慣性穩定平臺系統框架自解鎖方法實現步驟如下：

(1)根據臺體上安裝的陀螺儀輸出的角速度，得到臺體在X_p軸、Y_p軸和Z_p軸上的角速度分量

(2)測量得到三軸慣性穩定平臺系統內部相對轉動的角度，包括：基座繞外框架本體坐標系的X_p2軸轉動的角度β_xk，外框架繞內框架本體坐標系的Y_p1軸轉動的角度β_yk，內框架繞臺體本體坐標系的Z_p軸轉動的角度β_zk；

(3)采用解耦計算公式計算臺體、內框架和外框架的合成轉動角速度，具體解耦計算公式如下：

其中，ω_z為臺體Z_p軸的合成轉動角速度；ω_y為內框架Y_p1軸的合成轉動角速度；ω_x為外框架X_p2軸的合成轉動角速度；

(4)采用步驟(3)解耦計算公式，得到平臺三個框架角角速度確定方程；

采用解耦計算公式，可得平臺臺體本體坐標系X_pY_pZ_p三個方向上的角速度為

內框架本體坐標系X_p1Y_p1Z_p1三個方向上的角速度為

外框架本體坐標系X_p2Y_p2Z_p2三個方向上的角速度為

三個框架角角速度為

(5)根據平臺三個框架角角速度確定方程、三個框架角度和臺體上安裝的陀螺儀測量的角速度，對框架自解鎖條件進行判斷，如下

1)在β_yk≠90°且β_yk≠-90°時，平臺內框架和外框架不在一個平面內，不需要框架自解鎖使平臺臺體相對慣性空間穩定；

2)在β_yk＝90°或β_yk＝-90°，以及基座角速度時，平臺內框架和外框架在一個平面內，不需要框架自解鎖使平臺臺體相對慣性空間穩定；

3)在β_yk＝90°或β_yk＝-90°，當中有一個為非零時，平臺內框架和外框架在一個平面內，需要框架自解鎖才能使平臺臺體相對慣性空間穩定；

(6)在需要框架自解鎖才能使平臺臺體相對慣性空間穩定時，由外框架帶動內框架相對臺體快速發生轉動，實現框架自解鎖以保證平臺臺體相對慣性空間仍然穩定；

實現框架自解鎖以保證平臺臺體相對慣性空間仍然穩定的角度值計算過程為：

(1)測量得到β_xk、β_yk和β_zk的初始值分別為β_xk0、β_yk0和β_zk0；

(2)設在基座本體坐標系下平臺基座的角速度為當中有一個為非零時，基座繞外框架本體坐標系的X_p2軸轉動的角速度外框架繞內框架本體坐標系的Y_p1軸轉動的角速度內框架繞臺體本體坐標系的Z_p軸轉動的角速度的表達式分別為

其中，

(3)確定基座繞外框架本體坐標系的X_p2軸轉動的角度β_xk、外框架繞內框架本體坐標系的Y_p1軸轉動的角度β_yk、內框架繞臺體本體坐標系的Z_p軸轉動的角度β_zk的穩態值，即實現框架自解鎖以保證平臺臺體相對慣性空間仍然穩定的角度值，分為以下四種情況：

(a)β_yk90°且β_yk趨于90°時，sinβ_yk＝1，tanβ_yk0；β_xk的初始值為β_xk0，為保證平臺系統穩定，則有cos(β_xk+α)＝-1，即β_xk＝180°-α，其中，β_xk的變化量為Δβ_xk＝180°-α-β_xk0；此時，由于所以β_yk的值會減小；β_zk的穩態值為β_zk＝β_zk0+Δβ_xk＝β_zk0+180°-α-β_xk0；

(b)β_yk90°且β_yk→90°時，sinβ_yk＝1，tanβ_yk0；β_xk的初始值為β_xk0，為保證系統穩定，則有cos(β_xk+α)＝1，即β_xk＝-α，其中，β_xk的變化量為Δβ_xk＝-α-β_xk0；此時，由于所以β_yk的值會增大；β_zk的穩態值為β_zk＝β_zk0+Δβ_xk＝β_zk0-α-90°；

(c)β_yk-90°且β_yk→-90°時，sinβ_yk＝-1，tanβ_yk0；β_xk的初始值為β_xk0，為保證系統穩定，則有cos(β_xk+α)＝-1，即β_xk＝180°-α，其中，β_xk的變化量為Δβ_xk＝180°-α-β_xk0；此時，由于所以β_yk的值會減小；β_zk的穩態值為β_zk＝β_zk0-Δβ_xk＝β_zk0-180°+α+β_xk0；

(d)β_yk-90°且β_yk→-90°時，sinβ_yk＝-1，tanβ_yk0；β_xk的初始值為β_xk0，為保證系統穩定，則有cos(β_xk+α)＝1，即β_xk＝-α，其中，β_xk的變化量為Δβ_xk＝-α-β_xk0；此時，由于所以β_yk的值會增大；β_zk的穩態值為β_zk＝β_zk0-Δβ_xk＝β_zk0+α+β_xk0。