一種新型并串聯(lián)穩(wěn)定平臺系統(tǒng)研究

王洪瑞，王立玲，肖金壯，劉秀玲，高 征

(河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，保定 071002)

0 引言

穩(wěn)定平臺廣泛應(yīng)用于機載、艦載、車載武器等軍事領(lǐng)域和空間遙感探測、公安消防、環(huán)境監(jiān)測等民用領(lǐng)域。為了實現(xiàn)運動載體設(shè)備的穩(wěn)定以保證對目標的精確跟蹤，穩(wěn)定平臺集慣性導(dǎo)航、微慣性傳感器、數(shù)據(jù)采集及信號處理、精密機械建模仿真和設(shè)計、電機運動控制、圖像處理和光學(xué)儀器應(yīng)用等多項技術(shù)于一身[1]?，F(xiàn)有的這些穩(wěn)定平臺基本上都是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)特點是本體過重和驅(qū)動力小，使得其在大負載場合的應(yīng)用存在難于控制的問題。因此，承載大，具有大工作空間和高動態(tài)響應(yīng)的并聯(lián)穩(wěn)定平臺成為熱點問題。但是，由于少自由度并聯(lián)機器人機構(gòu)運動學(xué)、動力學(xué)分析的復(fù)雜性和理論研究的滯后，限制了采用這類機構(gòu)作為新型的穩(wěn)定平臺機構(gòu)的發(fā)展。對球面并聯(lián)機構(gòu)的研究大多集中在球面3自由度并聯(lián)機器人機構(gòu)上[2,3]，球面二自由度機器人特別適用于空間姿態(tài)變化的地方。純粹軟件仿真很難真正模擬實際機構(gòu)的特性[4]。

本論文研制一套新型穩(wěn)定平臺裝置，根據(jù)穩(wěn)定平臺工作原理和物理特性設(shè)計平臺伺服控制系統(tǒng)，對穩(wěn)定平臺系統(tǒng)進行深入的研究。根據(jù)穩(wěn)定平臺運動學(xué)關(guān)系和驅(qū)動裝置的動態(tài)模型，以增量式光電編碼器作為位置反饋和傾角傳感器作為目標偏差檢測、以光纖陀螺（FOG）作為慣性速率敏感元件，建立基于計算力矩的穩(wěn)定平臺伺服控制系統(tǒng)。通過在Matlab中嵌入QuaRC實時控制軟件編程實現(xiàn)半實物仿真。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 硬件

機構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 3-DOF穩(wěn)定平臺機構(gòu)

圖1中，支架1與支架2軸線垂直交于一點，電機1和電機2安裝于底座上，并通過平行四邊形A1B1C1D1和A2B2C3D2分別驅(qū)動支架1和支架2，構(gòu)成二自由度球面并聯(lián)機構(gòu)。引入平行四邊形結(jié)構(gòu)可改變電機的安裝位置，改善機構(gòu)整體的緊湊性。支架3長度較大，保證操作臺有更大的俯仰范圍。電機3安裝于支架2內(nèi)，構(gòu)成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，頂端安裝工作臺，可以360度旋轉(zhuǎn)。選用NI PCI-6230控制卡。Advantech IPC進行數(shù)據(jù)采集、處理、與控制算法運行，該板卡為Quanser實時軟件產(chǎn)品所兼容，可以利用Matlab中豐富的軟件資源。

1.2 軟件

在穩(wěn)定平臺進行半實物仿真時，為了給高速、高精度控制算法研究提供一個理想平臺，本研究中采用了在Matlab軟件中嵌入QuaRC的方式實現(xiàn)，這樣可在Simulink中可方便調(diào)用Matlab中豐富的軟件模塊或算法。并通過QuaRC提供的編譯環(huán)境，對Simulink程序進行編譯[5]，生成可實時運行的控制程序?？梢灾苯釉L問NI PCI-6230多功能通用控制卡，減少系統(tǒng)控制器的開發(fā)周期。

1.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

1.3.1 系統(tǒng)模型

1）3-DOF穩(wěn)定平臺機構(gòu)

根據(jù)3-DOF穩(wěn)定平臺機構(gòu)工作原理，以剛體空間運動學(xué)為基礎(chǔ), 借助歐拉角法與向量法[5,6]建立該機構(gòu)執(zhí)行電機輸入轉(zhuǎn)角和工作臺輸出橫滾角、俯仰角和方位角之間關(guān)系如下。

其中，321,,θθθ為電機1、電機2和電機3的輸入轉(zhuǎn)角，yrpθθθ,,穩(wěn)定平臺輸出的俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和方位角。穩(wěn)定平臺雅可比矩陣：

2）驅(qū)動裝置的動態(tài)數(shù)學(xué)模型

本系統(tǒng)驅(qū)動采用伺服電機，只存在電磁轉(zhuǎn)矩直接耦合，伺服電機動態(tài)電壓方程為：

其中，Udo電機電壓，R電樞回路總電阻，L電樞回路總電感，Id電樞中電流，E額定勵磁下的感應(yīng)電動勢。

如果，忽略粘性磨擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電機軸上的動力學(xué)方程為：

額定勵磁下的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩分別為：

在零初始條件下，得電機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型如下：

把傳動部分和支架的轉(zhuǎn)動慣量折算到電動機轉(zhuǎn)子上，得到用于控制的電磁轉(zhuǎn)矩直接耦合機電系統(tǒng)動力學(xué)方程為：

其中τ電動機輸出電磁轉(zhuǎn)矩，τf z電動機傳動軸的等效負載轉(zhuǎn)矩（摩擦轉(zhuǎn)矩），M(θ)為電機轉(zhuǎn)子、傳動部分和支架折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量。θ為電動機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角。通過（1）、（2）和（3）式導(dǎo)出系統(tǒng)被控量θp,θr,θy。

1.3.2 控制方案

對于3-DOF穩(wěn)定平臺機電系統(tǒng)，由于有很多干擾影響控制系統(tǒng)的運動，因此計算力矩動態(tài)控制的方法[7]實現(xiàn)系統(tǒng)的角位置和角速率控制是合適的，如下設(shè)計控制器：

(11)代入到（10）有系統(tǒng)誤差方程為：

2 系統(tǒng)半實物仿真實驗

2.1 系統(tǒng)模型參數(shù)

其他參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)模型參數(shù)表

2.2 仿真程序設(shè)計

在進行半實物仿真時，控制程序和指令通過在PC機編程實現(xiàn)，編程軟件是在Simulink中搭建仿真程序，如圖2所示。

圖2 Simulink控制程序

圖2中，HIL Initialize模塊完成對控制卡PCI 6230的初始化。Pitch_generator中采集基座俯仰角，并轉(zhuǎn)化為球面機構(gòu)俯仰角補償量，Closeloop_Pitch通過對電機2進行位置控制[6]，實現(xiàn)對基座俯仰分量的補償，保持其在俯仰方向分量的水平?；鶛M滾角分量的運動補償通過Roll_generator模塊和Closeloop_Roll實現(xiàn)。

根據(jù)（15）式取:

2.3 實驗結(jié)果

通過鎖定其它軸系，分別對其施加周期為10s，幅值為rad5.0±俯仰激勵、橫滾激勵，驗證3-DOF穩(wěn)定系統(tǒng)構(gòu)建的有效性。將兩軸對角度的跟蹤曲線進行繪制，如圖3、圖4所示。

圖3 俯仰軸跟蹤曲線

圖4 橫滾軸跟蹤曲線

圖4、5中，實線分別為橫滾和俯仰角跟蹤曲線， 從圖中可看出，在±0.5rad的運動范圍內(nèi)，對俯仰軸，1秒之后進入穩(wěn)定狀態(tài)，橫滾軸2秒后進入穩(wěn)態(tài)，橫滾超調(diào)比較小。

3 結(jié)論

所設(shè)計研制的3-DOF并串聯(lián)穩(wěn)定平臺能夠在實驗室條件下模擬車載光電成像跟蹤系統(tǒng)等運動學(xué)特性和空間運行姿態(tài)?；陂_放式結(jié)構(gòu)、標準模塊化控制器的穩(wěn)定平臺伺服系統(tǒng)的建立，為光電穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究和驗證提供了一個有效的、與實際系統(tǒng)比較相似的模擬環(huán)境，為進一步研究寬頻帶、高性能的此類伺服系統(tǒng)的精度提供了良好的平臺，可為實際系統(tǒng)的研制和改進提供參考依據(jù)和實驗數(shù)據(jù)。

[1] 楊蒲,李奇.三軸陀螺穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J],中國慣性技術(shù)學(xué)報,2007,15(2):171-176.

[2] 王惠君,王惠飛,車載三軸穩(wěn)定平臺的陀螺耦合分析[J]，制造業(yè)自動化,2011,33(3):106-108.

[3] 沈曉洋,陳洪亮,劉昇.機載陀螺穩(wěn)定平臺控制算法[J],電光與控制,2011,18(4):46-50.

[4] J.M. Hilkert. Inertially Stabilized Platform Technology[J],IEEE Control Systems Magzine,2008,2:26-46.

[5] Toshiaki Tsuji,Takuya Hashimoto,Hiroshi Kobayashi.A Wide-Range Velocity Measurement Method for Motion Control[J].IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS,2009,56(2):510-519.

[6] Alon Wolf,Moshe Shoham,Screw theory tools for the synthesis of the geometry of a parallel robot for a given instantaneous task, Mechanism and Machine Theory.2006,41(5):656-670.

[7] Prasatporn Wongkamchang,Viboon Sangveraphunsiri.Control of Inertial Stabilization System Using Robust Inverse Dynamics Control and Adaptive Control[J],2008,13(2):20-32.