一種四軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的臺體控制參數(shù)計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及慣性測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種四軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的臺體控制 參數(shù)計算方法，主要用于高精度導(dǎo)航的航空、航天領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于三軸慣性平臺系統(tǒng)存在"框架鎖定"現(xiàn)象，難以滿足載體大機(jī)動運(yùn)動的要求， 因此，產(chǎn)生了四軸慣性平臺系統(tǒng)。四軸慣性平臺系統(tǒng)相對三軸慣性平臺系統(tǒng)，在臺體、內(nèi)框 架和外框架的基礎(chǔ)上增加了隨動框架，隨動框架處于平臺外框架和基座之間。
[0003] 框架系統(tǒng)的作用是為平臺基座相對臺體提供旋轉(zhuǎn)自由度，但由于框架系統(tǒng)和臺體 間存在著約束，所以框架系統(tǒng)的運(yùn)動會對臺體帶來影響。這些影響包含基座與臺體間的坐 標(biāo)變換、力矩變換，以及框架系統(tǒng)慣性干擾力矩對臺體的作用等。
[0004] 目前，三軸慣性平臺系統(tǒng)應(yīng)用相對成熟，參考資料也較多，但對四軸平臺的動力學(xué) 分析相對較少。因此，迫切需要確定四軸平臺的關(guān)鍵參數(shù)，包括框架轉(zhuǎn)動慣量在臺體上的耦 合等。
[0005] 解決思路是通過四軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的動力學(xué)方程求解出臺體耦合轉(zhuǎn)動慣量， 基座和臺體間的力矩變換關(guān)系。在中國宇航出版社出版的"《IU空制理論在慣性技術(shù)應(yīng)用 中的設(shè)計方法》和中國慣性技術(shù)學(xué)報的《四軸平臺伺服系統(tǒng)建模研究》文獻(xiàn)中，需要利用 相對轉(zhuǎn)動角度的正切值或正割值進(jìn)行轉(zhuǎn)動慣量和力矩計算，因此在相對轉(zhuǎn)動角度為90度、 270度時，計算得到的轉(zhuǎn)動慣量和干擾力矩趨于無窮大，這存在如下問題：根據(jù)目前的轉(zhuǎn)動 慣量計算方法，在內(nèi)框架、外框架、隨動框架的轉(zhuǎn)動上存在有限轉(zhuǎn)動慣量時，折合到臺體上 的轉(zhuǎn)動慣量趨于無窮大，從物理意義上說，在三個框架軸質(zhì)量有限時將在臺體上產(chǎn)生無限 的質(zhì)量負(fù)荷，不符合物理規(guī)律。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種四軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的臺體 控制參數(shù)計算方法，用于計算四軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的臺體合成轉(zhuǎn)動慣量和合成力矩，計 精度高且適用于全姿態(tài)過程計算。
[0007]本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0008] -種四軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的臺體控制參數(shù)計算方法，用于計算四軸慣性穩(wěn)定平 臺系統(tǒng)中臺體合成轉(zhuǎn)動慣量和合成力矩，所述穩(wěn)定平臺系統(tǒng)包括基座、隨動框架、外框架、 內(nèi)框架和臺體，對應(yīng)的本體坐標(biāo)系分別為基座本體坐標(biāo)系XJiZi、隨動框架坐標(biāo)系Xp3Yp3Zp3、 外框架本體坐標(biāo)系Xp2Yp2Zp2、內(nèi)框架本體坐標(biāo)系XplYplZpl和臺體本體坐標(biāo)系XPYPZP;所述五個 坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合，并且：臺體本體坐標(biāo)系的Zp軸與內(nèi)框架本體坐標(biāo)系的Zpl軸重合，外框 架的本體坐標(biāo)系的Yp2軸與內(nèi)框架本體坐標(biāo)系的Ypl軸重合，隨動框架本體坐標(biāo)系的Xp3軸與 外框架本體坐標(biāo)系的Xp2軸重合，基座本體坐標(biāo)系的Xi軸與隨動框架本體坐標(biāo)系的Y軸重 合；其中，基座與載體固連，在所述穩(wěn)定平臺系統(tǒng)在載體帶動下發(fā)生內(nèi)部相對轉(zhuǎn)動時，基座 繞隨動框架本體坐標(biāo)系的Yp3軸轉(zhuǎn)動，隨動框架繞外框架本體坐標(biāo)系的Xp2軸轉(zhuǎn)動，外框架繞 內(nèi)框架本體坐標(biāo)系的Ypl軸轉(zhuǎn)動，內(nèi)框架繞臺體本體坐標(biāo)系的Zp軸轉(zhuǎn)動；
[0009] 所述臺體合成轉(zhuǎn)動慣量和合成力矩的計算步驟如下：
[0010] (1)、測量或估計計算得到四軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，包括：臺體相對于 Xp軸、Yp軸、Zp軸的轉(zhuǎn)動慣量的、人.、人：內(nèi)框架相對于Xpl軸、Ypl軸、Zpl軸的轉(zhuǎn)動慣 量的&、外框架相對于Xp2軸、Yp2軸、Zp2軸的轉(zhuǎn)動慣量的 隨動框架相對于Xp3軸、Yp3軸、Zp3軸的轉(zhuǎn)動慣量的^;
[0011] (2)、測量得到所述穩(wěn)定平臺系統(tǒng)內(nèi)部相對轉(zhuǎn)動的角度，包括：隨動框架繞外框架 本體坐標(biāo)系的Xp2軸轉(zhuǎn)動的角度0xk，外框架繞內(nèi)框架本體坐標(biāo)系的Ypl軸轉(zhuǎn)動的角度0 yk， 內(nèi)框架繞臺體本體坐標(biāo)系的Zp軸轉(zhuǎn)動的角度0 zk;
[0012] (3)、計算所述穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的臺體合成轉(zhuǎn)動慣量，包括：合成到臺體Xp軸上的主 轉(zhuǎn)動慣量、合成到臺體Yp軸上的主轉(zhuǎn)動慣量'、對軸Xp和YP的合成轉(zhuǎn)動慣量積對 軸Xp和ZP的合成轉(zhuǎn)動慣量積Jxz、對軸YP和Xp的合成轉(zhuǎn)動慣量積Jyx、對軸Yp和ZP的合成 轉(zhuǎn)動慣量積Jyz;具體計算公式如下：
[0018]
[0019] (4)、計算合成在臺體上的干擾力矩和電機(jī)反饋力矩，具體包括：合成在臺體ZjS 上的干擾力矩Mz3、合成在臺體Yp軸上的干擾力矩My3、合成在臺體Xp軸上的干擾力矩Mx3、合 成后的臺體Zp軸力矩電機(jī)反饋力矩合成后的臺體Yp軸力矩電機(jī)反饋力矩合 成后的臺體Xp軸力矩電機(jī)反饋力矩，具體計算公式如下：
[0020；
[0021；
[0022] 其中，Mzp為施加在臺體Zp軸上的外力矩；￥^為施加在內(nèi)框架Ypi軸上的外力矩； 為施加在外框架\2軸上的外力矩；為施加在隨動框架Yp3軸上的外力矩； 為臺體Zp軸的軸力矩電機(jī)的反饋力矩；為內(nèi)框架Ypl軸的軸力矩電機(jī)的反饋力矩； 為外框架Xp2軸的軸力矩電機(jī)的反饋力矩；為隨動框架Yp3軸的軸力矩電機(jī)的反 饋力矩。
[0023] 上述的四軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的臺體控制參數(shù)計算方法，在步驟（1)中，當(dāng)四軸 慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)確定后，通過有限元分析方法計算得到所述平臺的轉(zhuǎn)動慣量，或 對所述四軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)進(jìn)行測量得到轉(zhuǎn)動慣量。
[0024] 上述的四軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的臺體控制參數(shù)計算方法，在步驟（2)中，通過如 下方法測量得到四軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)內(nèi)部相對轉(zhuǎn)動的角度：
[0025] 在外框架的Xp2軸上安裝角度傳感器，測量得到隨動框架繞外框架本體坐標(biāo)系的 Xp2軸轉(zhuǎn)動的角度Pxk;在內(nèi)框架的Ypl軸上安裝角度傳感器，測量得到外框架繞內(nèi)框架本體 坐標(biāo)系的Ypl軸轉(zhuǎn)動的角度0yk;在臺體Zp軸上安裝傳感器測量內(nèi)框架繞臺體本體坐標(biāo)系 的Zp軸轉(zhuǎn)動的角度0 zk。
[0026] 上述的四軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的臺體控制參數(shù)計算方法，在步驟（2)中，轉(zhuǎn)動角 度Uyk、0J勺取值范圍為〇~360。。
[0027] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0028] (1)、本發(fā)明利用四軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，以及穩(wěn)定平臺系統(tǒng)內(nèi)部相 對轉(zhuǎn)動的角度的正余弦值，計算得到臺體合成轉(zhuǎn)動慣量，該計算過程中不存在無解區(qū)域，可 以覆蓋任意姿態(tài)角的情況，相比現(xiàn)有的計算方法更準(zhǔn)確、適用性更廣；
[0029] (2)、本發(fā)明利用已知的外力矩，以及穩(wěn)定平臺系統(tǒng)內(nèi)部相對轉(zhuǎn)動的角度的正余弦 值，計算得到合成在臺體上的干擾力矩和電機(jī)反饋力矩，可以準(zhǔn)確描述出臺體與基座之間 的力矩變換關(guān)系，該計算過程不存在無解區(qū)域，可以覆蓋任意姿態(tài)角的情況，相比現(xiàn)有的計 算方法更準(zhǔn)確、適用性更廣。
【附圖說明】
[0030]圖1為四軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)中四個本體坐標(biāo)系之間的關(guān)系示意圖；
[0031]圖2為本發(fā)明的四軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的臺體控制參數(shù)計算方法的計算流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述：
[0033] 本發(fā)明提供的四軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的臺體控制參數(shù)計算方法，用于計算四軸慣 性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)中臺體合成轉(zhuǎn)動慣量和合成力矩。其中，該四軸穩(wěn)定平臺系統(tǒng)包括基座、隨 動框架、外框架、內(nèi)框架和臺體，對應(yīng)的本體坐標(biāo)系分別為基座本體坐標(biāo)系、隨動框架 坐標(biāo)系Xp3Yp3Zp3、外框架本體坐標(biāo)系Xp2Yp2Zp2、內(nèi)框架本體坐標(biāo)系XplYplZpl和臺體本體坐標(biāo)系 XpYpZp °
[0034] 如圖1所示的五個坐標(biāo)系的關(guān)系示意圖，以上所述的五個坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合，并 且存在如下相對約束關(guān)系：臺體本體坐標(biāo)系的Zp軸與內(nèi)框架本體坐標(biāo)系的Zpl軸重合，外框 架的本體坐標(biāo)系的Yp2軸與內(nèi)框架本體坐標(biāo)系的Ypl軸重合，隨動框架本體坐標(biāo)系的Xp3軸與 外框架本體坐標(biāo)系的Xp2軸重合，基座本體坐標(biāo)系的Xi軸與隨動框架本體坐標(biāo)系的Y軸重 合。其中，基座與載體固連，在所述穩(wěn)定平臺系統(tǒng)在載