CN108519087A - 基于mems陀螺的跟踪平台装置及跟踪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明所设计的基于MEMS陀螺的跟踪平台装置及跟踪方法，包括1、激光器射出的激光射到目标上，目标反射回的激光通过光学聚光透镜照射到光电传感器；2、当目标发生角度偏移时，光电传感器感应得到反射回的激光光斑相对光电传感器光通信端的方位角度和俯仰角度信息；陀螺仪分别将此时的方位角角速度信息和俯仰角角速度信息发送给DSP处理器；3、DSP处理器根据反射回的激光光斑相对光电传感器光通信端的方位角度和俯仰角度信息，以及此时的方位角角速度信息和俯仰角角速度信息对第一直流力矩电机和第二直流力矩电机进行控制，使反射回的激光光斑再次与光电传感器的光通信端同轴。本发明能有效克服干扰力矩的影响，进行稳定跟踪。
Description
技术领域
本发明涉及视轴稳定技术领域，具体地指一种基于MEMS陀螺的跟踪平台装置及跟踪方法。
技术背景
在光电系统中，光电探测器作为空间位置误差传感器，安装于运动载体上时，载体姿态的变化和载体振动都会对探测器视轴的指向产生影响，导致光电系统的跟踪性能下降。因此，必须采用视轴稳定技术，提供一个相对惯性空间稳定的工作平台，使光电系统在惯性空间内保持稳定。常用的两轴二框架跟踪平台将光电传感器置于相互正交的俯仰、方位两个框架组成的平台上，随着光电技术的发展，负载加重，有害力矩剧增，不能有效克服干扰力矩的影响，进行稳定跟踪。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于MEMS陀螺的跟踪平台装置及跟踪方法，该跟踪平台装置及跟踪方法能有效克服干扰力矩的影响，进行稳定跟踪。
为实现此目的，本发明所设计的基于MEMS陀螺的跟踪平台装置，其特征在于：它包括第一陀螺仪、第二陀螺仪、方位框、俯仰框、探测支架、光学聚光透镜、第一直流力矩电机、第一位置传感器、外框、第二直流力矩电机、第二位置传感器和光电传感器，所述方位框位于俯仰框内，俯仰框位于外框内，所述方位框的上转轴通过俯仰框上轴承转动设置在俯仰框的上侧方位框安装孔中，方位框的下转轴通过俯仰框下轴承转动设置在俯仰框的下侧方位框安装孔中，俯仰框的左转轴通过外框左轴承转动设置在外框的左侧俯仰框安装孔中，俯仰框的右转轴通过外框右轴承转动设置在外框的右侧俯仰框安装孔中；
所述俯仰框上安装第一直流力矩电机，所述第一直流力矩电机用于驱动方位框的下转轴在俯仰框下轴承中转动，所述俯仰框上安装第一位置传感器，所述第一位置传感器用于感应方位框的上转轴的位置，外框上安装第二直流力矩电机，所述第二直流力矩电机用于驱动俯仰框的左转轴在外框左轴承中转动，外框上安装第二位置传感器，第二位置传感器用于感应俯仰框的右转轴的位置；
所述方位框上安装有探测支架，第一陀螺仪和第二陀螺仪安装在探测支架的后端，第一陀螺仪和第二陀螺仪的敏感轴相互垂直，第一陀螺仪的敏感轴与方位框的轴线保持水平，第二陀螺仪的敏感轴与俯仰框的轴线保持水平；
光学聚光透镜和光电传感器均安装在探测支架上，光学聚光透镜位于探测支架的前端，光电传感器的光通信端面向光学聚光透镜。
一种上述装置的跟踪方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：激光器射出的激光照射到目标上，目标反射回的激光光斑通过光学聚光透镜同轴照射到光电传感器的光通信端；
步骤2：当目标发生角度偏移时，光电传感器感应得到反射回的激光光斑相对光电传感器光通信端的方位角度和俯仰角度信息，并发送给DSP处理器；
第一陀螺仪和第二陀螺仪分别将此时的方位角角速度信息和俯仰角角速度信息发送给DSP处理器；
步骤3：DSP处理器根据反射回的激光光斑相对光电传感器光通信端的方位角度和俯仰角度信息，以及此时的方位角角速度信息和俯仰角角速度信息对第一直流力矩电机和第二直流力矩电机进行控制，使反射回的激光光斑再次与光电传感器的光通信端同轴，实现对目标的跟踪。
本发明采用两个回转自由度的陀螺稳定跟踪框架，从内到外依次为内框、中框和外框，内框为方位框，中框为俯仰框。选取体积小、质量轻的MEMS陀螺作为空间角速率敏感元件，分别敏感光电传感器视轴在方位轴和俯仰轴上的转动角速度。通过陀螺和光电传感器的反馈构成电机控制回路，通过直流力矩电机控制内框和中框绕两轴转动，使光电传感器视轴快速对准目标，实现稳定跟踪。同时通过上位机的位置偏差指令和位置传感器的位置信息，对框架进行控制使光电传感器精确跟踪目标，完成视轴稳定和目标位置跟踪的双重功能。
本发明可以减小系统体积和质量，减少结构设计复杂性，能有效克服高速飞行过程中风阻力对稳定平台上传感器的影响，适用于运动载体上的光电系统。实验表明本平台的功能优于传统的平台。
附图说明
图1为本发明的结构主视意图；
图2为本发明的结构侧视意图；
图3为本发明的三维视意图；
图4是本发明的电原理框图；
其中，1—第一陀螺仪、2—第二陀螺仪、3—方位框、4—俯仰框、5—探测支架、6—光学聚光透镜、7—第一直流力矩电机、8—第一位置传感器、9—外框、10—第二直流力矩电机、11—第二位置传感器、12—俯仰框上轴承、13—俯仰框下轴承、14—外框左轴承、15—外框右轴承、16—光电传感器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明设计的一种基于MEMS陀螺的跟踪平台装置，如图1～4所示，它包括第一陀螺仪1、第二陀螺仪2、方位框3、俯仰框4、探测支架5、光学聚光透镜6、第一直流力矩电机7、第一位置传感器8、外框9、第二直流力矩电机10、第二位置传感器11和光电传感器16，所述方位框3位于俯仰框4内，俯仰框4位于外框9内，所述方位框3的上转轴通过俯仰框上轴承12转动设置在俯仰框4的上侧方位框安装孔中，方位框3的下转轴通过俯仰框下轴承13转动设置在俯仰框4的下侧方位框安装孔中，俯仰框4的左转轴通过外框左轴承14转动设置在外框9的左侧俯仰框安装孔中，俯仰框4的右转轴通过外框右轴承15转动设置在外框9的右侧俯仰框安装孔中；
所述俯仰框4上安装第一直流力矩电机7，所述第一直流力矩电机7用于驱动方位框3的下转轴在俯仰框下轴承13中转动，所述俯仰框4上安装第一位置传感器8，所述第一位置传感器8用于感应方位框3的上转轴的位置，外框9上安装第二直流力矩电机10，所述第二直流力矩电机10用于驱动俯仰框4的左转轴在外框左轴承14中转动，外框9上安装第二位置传感器11，第二位置传感器11用于感应俯仰框4的右转轴的位置；
所述方位框3上安装有探测支架5，第一陀螺仪1和第二陀螺仪2安装在探测支架5的后端，第一陀螺仪1和第二陀螺仪2的敏感轴相互垂直，第一陀螺仪1的敏感轴与方位框3的轴线保持水平，第二陀螺仪2的敏感轴与俯仰框4的轴线保持水平；
光学聚光透镜6和光电传感器16均安装在探测支架5上，光学聚光透镜6位于探测支架5的前端，光电传感器16的光通信端面向光学聚光透镜6。
上述技术方案中，它还包括DSP处理器，所述光电传感器16的信号输出端连接DSP处理器的方位角度和俯仰角度信号输入端，第一陀螺仪1的信号输出端连接DSP处理器的方位角角速度信号输入端，第二陀螺仪2的信号输出端连接DSP处理器的俯仰角角速度信号输入端，第一位置传感器8的信号输出端连接DSP处理器的方位框上转轴的转动位置信号输入端，第二位置传感器11的信号输出端连接DSP处理器的俯仰框右转轴的转动位置信号输入端，DSP处理器的电机PWM驱动信号输出端分别连接第一直流力矩电机7和第二直流力矩电机10的驱动信号输入端。
上述技术方案中，所述光学聚光透镜6、光电传感器16光通信端和第一陀螺仪1的敏感轴为同轴设置。
上述技术方案中，所述探测支架5、光学聚光透镜6和光电传感器16组成光电传感视轴。
上述技术方案中，所述DSP处理器安装在平台装置的外壳上。
上述技术方案中，两个陀螺仪垂直安装在光轴的探测支架5上。方位框3和俯仰框4的转动方向始终互相垂直，减小了几何约束耦合，能有效隔离载体干扰。方位框3和俯仰框4可带动光轴作两个方向运动，为光电传感器16提供两个自由度的角运动，分别完成方位和俯仰两个方向的调节。外框是方位框3和俯仰框4的承载平台，使方位框3和俯仰框4系统不受外环境影响并且摩擦力小，有效克服风阻力矩对方位框3和俯仰框4的影响，提高了系统的稳定精度。
上述技术方案中，第一陀螺仪1和第二陀螺仪2互相垂直安装在探测支架5上，分别敏感光电传感器16相对惯性空间在方位和俯仰上的角速度。光学聚光透镜6将接收的能量聚集在光电传感器16上，光电传感视轴装在方位框3上。第一直流力矩电机7驱动方位框3绕俯仰框上轴承12和俯仰框下轴承13摆动，实现在方位角上的调节。第二直流力矩电机10驱动俯仰框4绕外框左轴承14和外框右轴承15摆动，实现在俯仰角上的调节。
两个MEMS陀螺敏感轴与安装框架旋转方向平行，分别用以敏感方位和俯仰方向的空间角速度，实时测量平台方位和俯仰惯性空间的角速率信息。DSP处理器通过A/D采样读取陀螺敏感的光电传感器视轴上的方位、俯仰角速率。当载体的运动通过机械连接耦合到负载平台从而影响光电传感器视轴的稳定时，其角速率被内框上的陀螺敏感。DSP处理器采样陀螺信号，并接收光电传感器的角度反馈，在其内部实现滤波和控制算法，生成电机PWM脉宽控制信号，产生相反的力矩来平衡干扰力矩，控制直流力矩电机带动两个框架运动，从而保证光电传感器视轴在惯性空间的稳定。
DSP处理器接收上位机发送的位置传感器位置偏差信息，同时通过A/D采样位置传感器的位置信息，在其内部进行控制算法，生成电机PWM脉宽控制信号，进行电机驱动，控制直流力矩电机带动两个框架运动，实现平台的位置跟踪，使光电传感器精确跟踪目标，还能对平台自身的转动范围进行限制，防止电机长期在堵转状态而对电机性能造成影响。电源模块实现对平台各个部分的供电工作。上位机通过CAN口向DSP处理器发送、接收指令，显示位置传感器的角位置、陀螺角速率等信息。
一种上述装置的跟踪方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：激光器射出的激光照射到目标上，目标反射回的激光光斑通过光学聚光透镜6同轴照射到光电传感器16的光通信端；
步骤2：当目标发生角度偏移时，光电传感器16感应得到反射回的激光光斑相对光电传感器16光通信端的方位角度和俯仰角度信息，并发送给DSP处理器；
第一陀螺仪1和第二陀螺仪2分别将此时的方位角角速度信息和俯仰角角速度信息发送给DSP处理器；
步骤3：DSP处理器根据反射回的激光光斑相对光电传感器16光通信端的方位角度和俯仰角度信息，以及此时的方位角角速度信息和俯仰角角速度信息对第一直流力矩电机7和第二直流力矩电机10进行控制，使反射回的激光光斑再次与光电传感器16的光通信端同轴，实现对目标的跟踪。
上述技术方案中，所述步骤3中，DSP处理器还结合第一位置传感器8和第二位置传感器11反馈回来的转轴位置信号对第一直流力矩电机7和第二直流力矩电机10进行闭环控制，使反射回的激光光斑与光电传感器16的光通信端同轴。
本发明两个陀螺相互之间保持垂直，避免造成陀螺敏感轴方向上的误差和各轴系之间的耦合效应。中框和外框上都有一个独立的电机直接驱动，这种驱动方式省去了减速机构，有效地消除了齿轮间隙误差问题，使内框和中框在外来干扰作用下相对惯性空间保持方位不变。内框架的体积、重量相对较小，容易平衡。中框和内框始终保持垂直，减少了几何耦合，隔离性好，易于提高精度。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (7)
1.一种基于MEMS陀螺的跟踪平台装置，其特征在于：它包括第一陀螺仪(1)、第二陀螺仪(2)、方位框(3)、俯仰框(4)、探测支架(5)、光学聚光透镜(6)、第一直流力矩电机(7)、第一位置传感器(8)、外框(9)、第二直流力矩电机(10)、第二位置传感器(11)和光电传感器(16)，所述方位框(3)位于俯仰框(4)内，俯仰框(4)位于外框(9)内，所述方位框(3)的上转轴通过俯仰框上轴承(12)转动设置在俯仰框(4)的上侧方位框安装孔中，方位框(3)的下转轴通过俯仰框下轴承(13)转动设置在俯仰框(4)的下侧方位框安装孔中，俯仰框(4)的左转轴通过外框左轴承(14)转动设置在外框(9)的左侧俯仰框安装孔中，俯仰框(4)的右转轴通过外框右轴承(15)转动设置在外框(9)的右侧俯仰框安装孔中；
所述俯仰框(4)上安装第一直流力矩电机(7)，所述第一直流力矩电机(7)用于驱动方位框(3)的下转轴在俯仰框下轴承(13)中转动，所述俯仰框(4)上安装第一位置传感器(8)，所述第一位置传感器(8)用于感应方位框(3)的上转轴的位置，外框(9)上安装第二直流力矩电机(10)，所述第二直流力矩电机(10)用于驱动俯仰框(4)的左转轴在外框左轴承(14)中转动，外框(9)上安装第二位置传感器(11)，第二位置传感器(11)用于感应俯仰框(4)的右转轴的位置；
所述方位框(3)上安装有探测支架(5)，第一陀螺仪(1)和第二陀螺仪(2)安装在探测支架(5)的后端，第一陀螺仪(1)和第二陀螺仪(2)的敏感轴相互垂直，第一陀螺仪(1)的敏感轴与方位框(3)的轴线保持水平，第二陀螺仪(2)的敏感轴与俯仰框(4)的轴线保持水平；
光学聚光透镜(6)和光电传感器(16)均安装在探测支架(5)上，光学聚光透镜(6)位于探测支架(5)的前端，光电传感器(16)的光通信端面向光学聚光透镜(6)。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS陀螺的跟踪平台装置，其特征在于：它还包括DSP处理器，所述光电传感器(16)的信号输出端连接DSP处理器的方位角度和俯仰角度信号输入端，第一陀螺仪(1)的信号输出端连接DSP处理器的方位角角速度信号输入端，第二陀螺仪(2)的信号输出端连接DSP处理器的俯仰角角速度信号输入端，第一位置传感器(8)的信号输出端连接DSP处理器的方位框上转轴的转动位置信号输入端，第二位置传感器(11)的信号输出端连接DSP处理器的俯仰框右转轴的转动位置信号输入端，DSP处理器的电机PWM驱动信号输出端分别连接第一直流力矩电机(7)和第二直流力矩电机(10)的驱动信号输入端。
3.根据权利要求1所述的基于MEMS陀螺的跟踪平台装置，其特征在于：所述光学聚光透镜(6)、光电传感器(16)光通信端和第一陀螺仪(1)的敏感轴为同轴设置。
4.根据权利要求1所述的基于MEMS陀螺的跟踪平台装置，其特征在于：所述探测支架(5)、光学聚光透镜(6)和光电传感器(16)组成光电传感视轴。
5.根据权利要求1所述的基于MEMS陀螺的跟踪平台装置，其特征在于：所述DSP处理器安装在平台装置的外壳上。
6.一种权利要求1所述装置的跟踪方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：激光器射出的激光照射到目标上，目标反射回的激光光斑通过光学聚光透镜(6)同轴照射到光电传感器(16)的光通信端；
步骤2：当目标发生角度偏移时，光电传感器(16)感应得到反射回的激光光斑相对光电传感器(16)光通信端的方位角度和俯仰角度信息，并发送给DSP处理器；
第一陀螺仪(1)和第二陀螺仪(2)分别将此时的方位角角速度信息和俯仰角角速度信息发送给DSP处理器；
步骤3：DSP处理器根据反射回的激光光斑相对光电传感器(16)光通信端的方位角度和俯仰角度信息，以及此时的方位角角速度信息和俯仰角角速度信息对第一直流力矩电机(7)和第二直流力矩电机(10)进行控制，使反射回的激光光斑再次与光电传感器(16)的光通信端同轴，实现对目标的跟踪。
7.根据权利要求6所述的跟踪方法，其特征在于：所述步骤3中，DSP处理器还结合第一位置传感器(8)和第二位置传感器(11)反馈回来的转轴位置信号对第一直流力矩电机(7)和第二直流力矩电机(10)进行闭环控制，使反射回的激光光斑与光电传感器(16)的光通信端同轴。
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