基于接觸網(wǎng)動態(tài)檢測的三軸穩(wěn)定平臺

戴星 湯世友

摘要：接觸網(wǎng)動態(tài)檢測中CCD相機(jī)固定在檢測車頂部，檢測車運行時振動影響了測量精度。隔離檢測車運行振動保持CCD相機(jī)視軸相對地面穩(wěn)定是提高測量精度的有效方式。為有效隔離檢測車振動，以已有三軸陀螺穩(wěn)定平臺研究為基礎(chǔ)，對穩(wěn)定平臺環(huán)架式機(jī)械結(jié)構(gòu)和伺服控制回路進(jìn)行了設(shè)計，環(huán)架驅(qū)動信號得到了有效分配，雙速度環(huán)控制回路提高了伺服系統(tǒng)的抗干擾性和魯棒性。穩(wěn)定平臺能有效隔離檢測車振動。

關(guān)鍵詞：接觸網(wǎng)；動態(tài)檢測；陀螺穩(wěn)定平臺；雙速度環(huán)

1引言

接觸網(wǎng)是列車獲得動力的主要途徑，接觸網(wǎng)暴露在空氣中受自然環(huán)境影響，狀態(tài)變化大。需要定期的對接觸網(wǎng)的運行狀態(tài)做檢測。傳統(tǒng)的人工定點檢測與檢測車?yán)醒矙z的范式難以滿足高速鐵路檢測的要求，對于高速鐵路的檢測主要采取動態(tài)檢測的方式。在車頂安裝高速攝像機(jī)將接觸網(wǎng)的動態(tài)圖像拍攝下來，經(jīng)過圖像采集設(shè)備轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過處理得出接觸線的高度和拉出值。因此攝像機(jī)拍攝的圖像質(zhì)量就直接影響了測試結(jié)果。高速相機(jī)固定在機(jī)車頂部，受檢測車運行振動的影響，導(dǎo)致圖像質(zhì)量不高[1]。

為提高動態(tài)檢測車測量精度需安裝穩(wěn)定平臺[2]對相機(jī)進(jìn)行有效的隔振處理。穩(wěn)定平臺在航空航天、工業(yè)控制、軍事及民用船舶中都具有比較廣泛的用途，航空拍攝、機(jī)載光電火控系統(tǒng)、機(jī)載光電偵察裝置、艦載導(dǎo)彈安裝與發(fā)射臺等[3-6]。

2總體設(shè)計

陀螺穩(wěn)定平臺根據(jù)可穩(wěn)定軸的數(shù)量可分為單軸、雙軸和三軸。完全隔離載體的振動須采用三軸的陀螺穩(wěn)定平臺或采用兩軸四環(huán)的穩(wěn)定平臺[7]。

根據(jù)列車運行時安裝產(chǎn)生的振動及體積和機(jī)動性要求，選擇外裝式環(huán)架結(jié)構(gòu)三軸穩(wěn)定平臺以穩(wěn)定頂部的CCD相機(jī)。外裝式環(huán)架結(jié)構(gòu)三軸穩(wěn)定平臺負(fù)載框架由方位、俯仰、橫滾三環(huán)的環(huán)架結(jié)構(gòu)構(gòu)成，每個負(fù)載框架均由軸承、電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器以及負(fù)載平臺上的陀螺儀和光電跟蹤設(shè)備構(gòu)成。用角加速度傳感器測量三個軸姿態(tài)變化情況并反饋給力矩電機(jī)指導(dǎo)其運轉(zhuǎn)，通過軸的轉(zhuǎn)動達(dá)到穩(wěn)定負(fù)載平臺的相對穩(wěn)定。

伺服控制部分主要接受圖像處理計算機(jī)、主控計算機(jī)、陀螺儀、跟蹤設(shè)備、旋轉(zhuǎn)變壓器的指令、狀態(tài)和誤差信號，然后綜合處理，形成驅(qū)動伺服平臺電機(jī)轉(zhuǎn)動的控制電壓來完成對臺體的操作和控制，從而實現(xiàn)光電跟蹤設(shè)備視軸的穩(wěn)定和對目標(biāo)的準(zhǔn)確跟蹤[8]。穩(wěn)定平臺的系統(tǒng)連接關(guān)系如圖1。

3穩(wěn)定平臺設(shè)計

3.1平臺結(jié)構(gòu)

穩(wěn)定平臺由方位、俯仰、橫滾三大軸系以及其相應(yīng)速度陀螺儀構(gòu)成。負(fù)載框架環(huán)架由內(nèi)向外依次為方位環(huán)、俯仰環(huán)、橫滾環(huán)如圖2。

3.2機(jī)械諧振分析

穩(wěn)定平臺工作時執(zhí)行電機(jī)驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動產(chǎn)生振動。若外界振動頻率接近系統(tǒng)頻率時，將會產(chǎn)生機(jī)械諧振，對機(jī)械系統(tǒng)的影響非常大，甚至損壞精密的光電測量設(shè)備和耦合軸系。根據(jù)機(jī)械裝置的結(jié)構(gòu)、尺寸、材料以及受力情況將在使執(zhí)行軸轉(zhuǎn)角和負(fù)載轉(zhuǎn)角之間產(chǎn)生一個二階振蕩環(huán)節(jié)的機(jī)械諧振。根據(jù)推算，平臺諧振頻率由結(jié)構(gòu)剛度、彈性系數(shù)和負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量決定，提高系統(tǒng)的彈性系數(shù)可以提高系統(tǒng)的諧振頻率。

3.3角速度耦合關(guān)系和環(huán)架信號分配

簡單的安裝陀螺儀方式并不能使穩(wěn)定平臺正常工作，必須在方位坐標(biāo)分解器和俯仰正割分解器中對信號進(jìn)行合理分配才能讓系統(tǒng)正常工作。根據(jù)坐標(biāo)變換和哥氏定理各環(huán)的角速度為式1。

（1）

其中 為環(huán)架系統(tǒng)幾何關(guān)系陣，平臺系統(tǒng)通過該矩陣將環(huán)架角速度傳遞給臺體， 為基座角運動的幾何約束耦合矩陣，平臺系統(tǒng)通過該矩陣將基座角速度傳遞給臺體， ， 基座角速度。三軸平臺信息處理流程如圖3。

初始角速度為ω，陀螺組件KG，環(huán)架及電機(jī)組件W，則T2實現(xiàn)了環(huán)架驅(qū)動信號的分配，T1將環(huán)架信號轉(zhuǎn)換到方位環(huán)上，要獲得驅(qū)動環(huán)架的合適驅(qū)動信號，就是要確定出T2。

平臺設(shè)計中取 ，為保證平臺準(zhǔn)確跟蹤角速度， 。依平臺處理流程，經(jīng)過環(huán)架驅(qū)動信號分配矩陣處理后的信號為：

（2）

實際的平臺系統(tǒng)中，俯仰正割分解器采用計算電路實現(xiàn)，kSR為電路的傳遞系數(shù)，kACR=k1k2為方位坐標(biāo)分解器的變換系數(shù)。則陀螺輸出信號經(jīng)分配后輸入伺服網(wǎng)絡(luò)的信號為：

（3）

4控制系統(tǒng)

4.1控制系統(tǒng)的力矩剛度

平臺力矩剛度是指伺服控制系統(tǒng)抵抗外界干擾力矩的能力。因此在設(shè)計中應(yīng)該盡量提高系統(tǒng)力矩剛度，而控制回路的參數(shù)對力矩剛度的大小起到了決定性作用。由于陀螺頻帶遠(yuǎn)比穩(wěn)定平臺的頻帶寬，所以可以不考慮陀螺的過渡過程。平臺力矩剛度響應(yīng)頻率為慣性力矩剛度和伺服系統(tǒng)力矩剛度之矢量和。伺服系統(tǒng)力矩剛度越大，系統(tǒng)的力矩剛度就越大，慣性力矩剛度則相反。

當(dāng)角速度為零時，力矩剛度為靜態(tài)力矩剛度，其值越大將有效降低基座作角振蕩時對平臺的干擾。

4.2雙速度環(huán)穩(wěn)定回路

穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)的設(shè)計中，常采用單速度環(huán)控制的方法。但是在接觸網(wǎng)檢測車運行的過程中，穩(wěn)定平臺受到機(jī)械摩擦、軸間力矩耦合以及陀螺儀傳感器自身的漂移和噪聲的影響較大，要得到較好的穩(wěn)定效果，采用了具有更高抗干擾性和魯棒性的雙速度環(huán)控制系統(tǒng)[9]。

雙速度環(huán)控制方式將抗摩擦力矩干擾功能和隔離載體擾動功能分開以提高控制系統(tǒng)的抗干擾性和魯棒性[10]，由速度內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)組成，數(shù)學(xué)模型如圖4。速度內(nèi)環(huán)抑制穩(wěn)定平臺軸系間摩擦力矩的影響，用測速機(jī)或光柵、角編碼器等同軸測量裝置測量軸系轉(zhuǎn)動速率作為速率反饋；速度外環(huán)抑制列車擾動角速度的影響，用速率陀螺測量平臺慣性空間內(nèi)擾動速率作為速率反饋。內(nèi)外環(huán)均有自己的校正函數(shù)，系統(tǒng)采用的是串級校正方法[11]，也叫做雙內(nèi)環(huán)串級控制法。

ωb為載體運動給穩(wěn)定平臺帶來的擾動角速度，將軸系摩擦力矩給電機(jī)轉(zhuǎn)速帶來的影響等效為一種擾動力矩ud[10]。ωin為穩(wěn)定回路的輸入指令角速度，ωout為平臺框架角速度，Ka/d為陀螺信號A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)等效增益；Kf為濾波環(huán)節(jié)等效增益；Kg為陀螺自身比例因子的等效增益；Kc為光柵角度差分環(huán)節(jié)等效增益；Kpwm為PWM功放電路等效增益。ωout的變化取決于ωin和ωb、ud以及伺服回路傳遞函數(shù)，穩(wěn)定環(huán)等效傳遞函數(shù)如式5。

從上式可以看出，ωb的抑制只由穩(wěn)定環(huán)的校正函數(shù)G1（S）完成，不受系統(tǒng)特性參數(shù)變化的影響。由于穩(wěn)定平臺特性參數(shù)變化對穩(wěn)定精度不產(chǎn)生影響，使系統(tǒng)魯棒性較傳統(tǒng)的單速度環(huán)系統(tǒng)有所增強(qiáng)。同時，軸系摩擦力矩的克服和對載體擾動的隔離可以實現(xiàn)分層設(shè)計，分別由內(nèi)環(huán)校正環(huán)節(jié)G2（S）和外環(huán)校正環(huán)節(jié)G1（S）進(jìn)行調(diào)節(jié)，兩者不存在互相牽制，系統(tǒng)的抗干擾性能更強(qiáng)，可以更好地提高穩(wěn)定精度。

5結(jié)論

陀螺穩(wěn)定平臺在慣性導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用已久，但在接觸網(wǎng)動態(tài)檢測中應(yīng)用較少?；谟行Ц綦x檢測車振動對CCD相機(jī)的影響，對三軸穩(wěn)定平臺的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計：

（1）穩(wěn)定平臺的應(yīng)用將減輕檢測車運行振動對CCD相機(jī)拍照的影響，對于測量精度的提高發(fā)揮了重要作用。

（2）穩(wěn)定平臺在接觸網(wǎng)動態(tài)檢測中的結(jié)合，擴(kuò)大了穩(wěn)定平臺的應(yīng)用領(lǐng)域。

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作者簡介：

戴星（1982-），女，重慶人，副教授，主要從事傳感器設(shè)計及應(yīng)用、機(jī)械設(shè)計與制造，檢測技術(shù)與自動化裝備研究

湯世友（1972.02-），男，漢族，四川安岳人，講師工程師，本科，主要從事主要從事檢測技術(shù)與自動化裝備研究。

*基金項目：《基于紫外光誘導(dǎo)熒光技術(shù)的溢油無線監(jiān)測系統(tǒng)》，綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級科研項目，ZRYJ151