基于接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)的三軸穩(wěn)定平臺(tái)

戴星 湯世友

摘要：接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)中CCD相機(jī)固定在檢測(cè)車頂部，檢測(cè)車運(yùn)行時(shí)振動(dòng)影響了測(cè)量精度。隔離檢測(cè)車運(yùn)行振動(dòng)保持CCD相機(jī)視軸相對(duì)地面穩(wěn)定是提高測(cè)量精度的有效方式。為有效隔離檢測(cè)車振動(dòng)，以已有三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)研究為基礎(chǔ)，對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)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(jì)，環(huán)架驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(tái)能有效隔離檢測(cè)車振動(dòng)。

關(guān)鍵詞：接觸網(wǎng)；動(dòng)態(tài)檢測(cè)；陀螺穩(wěn)定平臺(tái)；雙速度環(huán)

1引言

接觸網(wǎng)是列車獲得動(dòng)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(duì)接觸網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)做檢測(cè)。傳統(tǒng)的人工定點(diǎn)檢測(cè)與檢測(cè)車?yán)醒矙z的范式難以滿足高速鐵路檢測(cè)的要求，對(duì)于高速鐵路的檢測(cè)主要采取動(dòng)態(tài)檢測(cè)的方式。在車頂安裝高速攝像機(jī)將接觸網(wǎng)的動(dòng)態(tài)圖像拍攝下來(lái)，經(jīng)過(guò)圖像采集設(shè)備轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)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(cè)試結(jié)果。高速相機(jī)固定在機(jī)車頂部，受檢測(cè)車運(yùn)行振動(dòng)的影響，導(dǎo)致圖像質(zhì)量不高[1]。

為提高動(dòng)態(tài)檢測(cè)車測(cè)量精度需安裝穩(wěn)定平臺(tái)[2]對(duì)相機(jī)進(jìn)行有效的隔振處理。穩(wěn)定平臺(tái)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(tái)等[3-6]。

2總體設(shè)計(jì)

陀螺穩(wěn)定平臺(tái)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(dòng)須采用三軸的陀螺穩(wěn)定平臺(tái)或采用兩軸四環(huán)的穩(wěn)定平臺(tái)[7]。

根據(jù)列車運(yùn)行時(shí)安裝產(chǎn)生的振動(dòng)及體積和機(jī)動(dòng)性要求，選擇外裝式環(huán)架結(jié)構(gòu)三軸穩(wěn)定平臺(tái)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(tái)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(gè)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(tái)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(cè)量三個(gè)軸姿態(tài)變化情況并反饋給力矩電機(jī)指導(dǎo)其運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定負(fù)載平臺(tái)的相對(duì)穩(wěn)定。

伺服控制部分主要接受圖像處理計(jì)算機(jī)、主控計(jì)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(hào)，然后綜合處理，形成驅(qū)動(dòng)伺服平臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制電壓來(lái)完成對(duì)臺(tái)體的操作和控制，從而實(shí)現(xiàn)光電跟蹤設(shè)備視軸的穩(wěn)定和對(duì)目標(biāo)的準(zhǔn)確跟蹤[8]。穩(wěn)定平臺(tái)的系統(tǒng)連接關(guān)系如圖1。

3穩(wěn)定平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1平臺(tái)結(jié)構(gòu)

穩(wěn)定平臺(tái)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(tái)工作時(shí)執(zhí)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)。若外界振動(dòng)頻率接近系統(tǒng)頻率時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生機(jī)械諧振，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的影響非常大，甚至損壞精密的光電測(cè)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(gè)二階振蕩環(huán)節(jié)的機(jī)械諧振。根據(jù)推算，平臺(tái)諧振頻率由結(jié)構(gòu)剛度、彈性系數(shù)和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)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(hào)分配

簡(jiǎn)單的安裝陀螺儀方式并不能使穩(wěn)定平臺(tái)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(duì)信號(hào)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(tái)系統(tǒng)通過(guò)該矩陣將環(huán)架角速度傳遞給臺(tái)體， 為基座角運(yùn)動(dòng)的幾何約束耦合矩陣，平臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)該矩陣將基座角速度傳遞給臺(tái)體， ， 基座角速度。三軸平臺(tái)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(shí)現(xiàn)了環(huán)架驅(qū)動(dòng)信號(hào)的分配，T1將環(huán)架信號(hào)轉(zhuǎn)換到方位環(huán)上，要獲得驅(qū)動(dòng)環(huán)架的合適驅(qū)動(dòng)信號(hào)，就是要確定出T2。

平臺(tái)設(shè)計(jì)中取 ，為保證平臺(tái)準(zhǔn)確跟蹤角速度， 。依平臺(tái)處理流程，經(jīng)過(guò)環(huán)架驅(qū)動(dòng)信號(hào)分配矩陣處理后的信號(hào)為：

（2）

實(shí)際的平臺(tái)系統(tǒng)中，俯仰正割分解器采用計(jì)算電路實(shí)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(hào)經(jīng)分配后輸入伺服網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)為：

（3）

4控制系統(tǒng)

4.1控制系統(tǒng)的力矩剛度

平臺(tái)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(jì)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(duì)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(tái)的頻帶寬，所以可以不考慮陀螺的過(guò)渡過(guò)程。平臺(tái)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(shí)，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(shí)對(duì)平臺(tái)的干擾。

4.2雙速度環(huán)穩(wěn)定回路

穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，常采用單速度環(huán)控制的方法。但是在接觸網(wǎng)檢測(cè)車運(yùn)行的過(guò)程中，穩(wěn)定平臺(tái)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(dòng)功能分開(kāi)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(tái)軸系間摩擦力矩的影響，用測(cè)速機(jī)或光柵、角編碼器等同軸測(cè)量裝置測(cè)量軸系轉(zhuǎn)動(dòng)速率作為速率反饋；速度外環(huán)抑制列車擾動(dòng)角速度的影響，用速率陀螺測(cè)量平臺(tái)慣性空間內(nèi)擾動(dòng)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(jí)校正方法[11]，也叫做雙內(nèi)環(huán)串級(jí)控制法。

ωb為載體運(yùn)動(dòng)給穩(wěn)定平臺(tái)帶來(lái)的擾動(dòng)角速度，將軸系摩擦力矩給電機(jī)轉(zhuǎn)速帶來(lái)的影響等效為一種擾動(dòng)力矩ud[10]。ωin為穩(wěn)定回路的輸入指令角速度，ωout為平臺(tái)框架角速度，Ka/d為陀螺信號(hào)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(tái)特性參數(shù)變化對(duì)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(shí)，軸系摩擦力矩的克服和對(duì)載體擾動(dòng)的隔離可以實(shí)現(xiàn)分層設(shè)計(jì)，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(tái)在慣性導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用已久，但在接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)中應(yīng)用較少。基于有效隔離檢測(cè)車振動(dòng)對(duì)CCD相機(jī)的影響，對(duì)三軸穩(wěn)定平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)：

（1）穩(wěn)定平臺(tái)的應(yīng)用將減輕檢測(cè)車運(yùn)行振動(dòng)對(duì)CCD相機(jī)拍照的影響，對(duì)于測(cè)量精度的提高發(fā)揮了重要作用。

（2）穩(wěn)定平臺(tái)在接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)中的結(jié)合，擴(kuò)大了穩(wěn)定平臺(tái)的應(yīng)用領(lǐng)域。

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作者簡(jiǎn)介：

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

*基金項(xiàng)目：《基于紫外光誘導(dǎo)熒光技術(shù)的溢油無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)》，綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)科研項(xiàng)目，ZRYJ151