一種新型并串聯穩定平臺系統研究

王洪瑞，王立玲，肖金壯，劉秀玲，高 征

(河北大學 電子信息工程學院，保定 071002)

0 引言

穩定平臺廣泛應用于機載、艦載、車載武器等軍事領域和空間遙感探測、公安消防、環境監測等民用領域。為了實現運動載體設備的穩定以保證對目標的精確跟蹤，穩定平臺集慣性導航、微慣性傳感器、數據采集及信號處理、精密機械建模仿真和設計、電機運動控制、圖像處理和光學儀器應用等多項技術于一身[1]。現有的這些穩定平臺基本上都是串聯結構，由于其結構特點是本體過重和驅動力小，使得其在大負載場合的應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響應的并聯穩定平臺成為熱點問題。但是，由于少自由度并聯機器人機構運動學、動力學分析的復雜性和理論研究的滯后，限制了采用這類機構作為新型的穩定平臺機構的發展。對球面并聯機構的研究大多集中在球面3自由度并聯機器人機構上[2,3]，球面二自由度機器人特別適用于空間姿態變化的地方。純粹軟件仿真很難真正模擬實際機構的特性[4]。

本論文研制一套新型穩定平臺裝置，根據穩定平臺工作原理和物理特性設計平臺伺服控制系統，對穩定平臺系統進行深入的研究。根據穩定平臺運動學關系和驅動裝置的動態模型，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定平臺伺服控制系統。通過在Matlab中嵌入QuaRC實時控制軟件編程實現半實物仿真。

1 系統構成

1.1 硬件

機構簡圖如圖1所示。

圖1 3-DOF穩定平臺機構

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分別驅動支架1和支架2，構成二自由度球面并聯機構。引入平行四邊形結構可改變電機的安裝位置，改善機構整體的緊湊性。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，構成串聯結構，頂端安裝工作臺，可以360度旋轉。選用NI PCI-6230控制卡。Advantech IPC進行數據采集、處理、與控制算法運行，該板卡為Quanser實時軟件產品所兼容，可以利用Matlab中豐富的軟件資源。

1.2 軟件

在穩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，這樣可在Simulink中可方便調用Matlab中豐富的軟件模塊或算法。并通過QuaRC提供的編譯環境，對Simulink程序進行編譯[5]，生成可實時運行的控制程序。可以直接訪問NI PCI-6230多功能通用控制卡，減少系統控制器的開發周期。

1.3 控制系統設計

1.3.1 系統模型

1）3-DOF穩定平臺機構

根據3-DOF穩定平臺機構工作原理，以剛體空間運動學為基礎, 借助歐拉角法與向量法[5,6]建立該機構執行電機輸入轉角和工作臺輸出橫滾角、俯仰角和方位角之間關系如下。

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

2）驅動裝置的動態數學模型

本系統驅動采用伺服電機，只存在電磁轉矩直接耦合，伺服電機動態電壓方程為：

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額定勵磁下的感應電動勢。

如果，忽略粘性磨擦及彈性轉矩，電機軸上的動力學方程為：

額定勵磁下的感應電動勢和電磁轉矩分別為：

在零初始條件下，得電機的動態數學模型如下：

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

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

1.3.2 控制方案

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

(11)代入到（10）有系統誤差方程為：

2 系統半實物仿真實驗

2.1 系統模型參數

其他參數如表1所示。

表1 系統模型參數表

2.2 仿真程序設計

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，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，并轉化為球面機構俯仰角補償量，Closeloop_Pitch通過對電機2進行位置控制[6]，實現對基座俯仰分量的補償，保持其在俯仰方向分量的水平。基座橫滾角分量的運動補償通過Roll_generator模塊和Closeloop_Roll實現。

根據（15）式取:

2.3 實驗結果

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穩定系統構建的有效性。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，對俯仰軸，1秒之后進入穩定狀態，橫滾軸2秒后進入穩態，橫滾超調比較小。

3 結論

所設計研制的3-DOF并串聯穩定平臺能夠在實驗室條件下模擬車載光電成像跟蹤系統等運動學特性和空間運行姿態。基于開放式結構、標準模塊化控制器的穩定平臺伺服系統的建立，為光電穩定跟蹤系統相關技術的研究和驗證提供了一個有效的、與實際系統比較相似的模擬環境，為進一步研究寬頻帶、高性能的此類伺服系統的精度提供了良好的平臺，可為實際系統的研制和改進提供參考依據和實驗數據。

[1] 楊蒲,李奇.三軸陀螺穩定平臺控制系統設計與實現[J],中國慣性技術學報,2007,15(2):171-176.

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

[3] 沈曉洋,陳洪亮,劉昇.機載陀螺穩定平臺控制算法[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.