球形自稳定姿态调整平台及方法与流程

1.本发明属于光电测控技术领域，涉及一种球形自稳定姿态调整平台及方法。


背景技术：

2.在光电测控领域，稳定平台是隔离环境运动干扰的重要设备，例如，在各类诸如测控船舶、海洋浮标、特种车辆、侦查飞机等移动载具上通常安装了各类光机电一体化测量仪器，为了确保能够获得较高的测量精度，通常这类仪器需要安装在一个尽可能稳定的平台上，各种稳定平台被安装在仪器和载具之间起到隔离载具运动干扰、稳定仪器姿态的目的。
3.以海洋环境测控领域为例，目前很多对指向性有要求的激光测风仪器要么单纯依靠算法矫正姿态偏差而没有真正隔离晃动干扰，从而导致敏感的激光器性能受到影响引入误差，要么使用了现成的稳定平台，典型诸如基于stewart并联机构的稳定平台和各类基于串联机构的球舱、吊舱式稳定平台，这两者虽在负载能力、控制精度、响应速度、灵活性上各有优缺点，但绝大多数基于串联机构的稳定平台以及并联机构的稳定平台都需要在持续通电的情况下才可正常工作，这对于供电有限的小型平台无疑是很大的负担，少数基于并联机构的稳定平台即使采用了重力平台方案设计，但由于存在多个轴承关节、驱动电机、旋转编码器等装置产生的摩擦力矩，使得这类平台在仅靠自身重力自平衡作用抵消外界小幅度晃动干扰的实际效果并不理想，甚至有时无法真正回零。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种球形自稳定姿态调整平台及方法，具有三个转动自由度，可以在有源或无源情况下补偿外界晃动给平台负载带来的运动干扰，使负载以较高的精度指向上方圆锥形空间内的特定方向。
5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种球形自稳定姿态调整平台，它包括支撑架、支撑球壳组成的球缺形支撑部件，在支撑球壳内部、与该支撑球壳同球心的球形托架运动组件，在球形托架下侧设置的驱动器总成，在球形托架上侧设置方位运动转盘；所述球形托架运动组件由其上方侧边四个均布的万向球轴承和下侧驱动器总成支撑，在支撑球壳内做与支撑球壳同球心的横滚、俯仰及二者叠加的运动，用以补偿来自外界横滚、俯仰运动引起的干扰。
6.所述驱动器总成位于球形托架正下方，其横滚运动驱动滚柱和俯仰运动驱动滚柱的轴线分别与球形托架参考坐标系的y’轴、x’轴平行，两轴线所决定的平面经过驱动球的球心，所述平面垂直于z’轴向万向球轴承与驱动球接触形成的触点和驱动球的球心的连线垂直于所述平面。
7.还包括x’轴向万向球轴承和y’轴向万向球轴承；所述x’轴向万向球轴承、y’轴向万向球轴承与驱动球的接触点位于横滚运动驱动滚柱和俯仰运动驱动滚柱的两轴线所在的平面内，y’轴向万向球轴承与驱动球接触点和俯仰运动驱动滚柱与驱动球触点的连线经过驱动球的球心，x’轴向万向球轴承与驱动球接触点和横滚运动驱动滚柱与驱动球触点的
连线经过驱动球的球心，且所述两连线相互垂直；所述驱动球同时与支撑球壳内表面相接触。
8.所述横滚运动驱动滚柱和俯仰运动驱动滚柱分别由横滚运动驱动电机、俯仰运动驱动电机驱动；横滚与俯仰运动伺服驱动器、传感器与计算模块集成在驱动器总成保持架上。
9.所述球形托架上边沿均布四个万向球轴承，每个万向球轴承的滚动球体与支撑球壳内表面相接触。
10.所述球形托架下侧布置有配重箱，配重箱的轴线与球形托架参考坐标系z’轴同轴，配重箱内部空腔空间设置有若干扰流柱，配重箱内部空腔空间内注入并存储阻尼液。
11.所述球形托架上侧的方位运动转盘通过方位转盘轴承与支撑环连接，且四者的回转轴共轴线，方位运动转盘上设置的方位运动驱动电机带动电机轴端的方位驱动齿轮和支撑环上设置的固定式齿盘相互啮合，驱动方位运动转盘绕球形托架的参考坐标系z轴旋转。
12.位于所述支撑架上的电源模块通过弹簧线导线跨越支撑球壳上边缘连接到方位运动转盘的主导电滑环输入端上，实现方位运动转盘连续转动时的持续供电，同时部分电力通过方位运动转盘的副导电滑环输送至集成在驱动器总成保持架上的横滚与俯仰运动伺服驱动器、传感器与计算模块。
13.当球形自稳定姿态调整平台在无源模式下工作时，如果支撑架、支撑球壳受外力发生晃动时，即使球形托架运动组件受外力干扰在支撑球壳内产生晃动，球形托架运动组件重心低于转动中心，当重心偏离转动中心、驱动球支点的连线时能够产生复原力矩，球形托架运动组件恢复至原来平衡位置；球形托架下方的配重箱内注入并存储适量的阻尼液，当球形托架晃动时配重箱内的扰流棒持续搅动阻尼液耗散能量，降低晃动频率，抑制晃动幅度，加速晃动的衰减，使运动过程趋于收敛，提高球形托架运动组件及其上方负载的稳定性；上述工作模式在外界输入一定强度的横滚、俯仰运动干扰时将负载的姿态偏差控制在较小范围内，自稳定工作过程无需耗费能源。
14.当条件允许或希望球形自稳定姿态调整平台提供更高的稳定能力时，该平台工作在有源模式下，位于球形托架下方的驱动器总成用于在需要时提供与球形托架球面相切的、大小、方向可控的切向力，用于驱动球形托架及其上安装的附属部件做与支撑球壳同球心的横滚、俯仰和两者合成的运动，最终用以补偿来自外界横滚、俯仰及两者叠加的运动引起的干扰；位于驱动器总成保持架上的传感器与计算模块持续检测稳定平台的角度误差、角加速度并将其分解为绕载体坐标系x’轴、y’轴的转动误差分量，在计算后实时输出纠偏信号至横滚与俯仰运动电机驱动器，经功率放大后驱动横滚运动驱动电机、俯仰运动驱动电机运转，随后动力传递至横滚运动驱动滚柱、俯仰运动驱动滚柱，驱动球在每个滚柱的带动下形成合成转速及转动方向，其与球形托架滚动摩擦所形成的切向力产生的转动力矩带动球形托架运动组件向减小晃动的方向运动以补偿外界的运动干扰；传感器与计算模块集成在驱动器总成保持架上，直接构成位置闭环，减少位置积累误差。
15.本发明的有益效果主要体现于：
球形托架运动组件具有自稳定能力，横滚运动驱动电机、俯仰运动驱动电机仅需要克服球形托架运动组件及负载的重力惯性，因此电机的驱动功率大大缩减，进而体积减小，能耗降低。
16.载体坐标系原点位于支撑球壳、球形托架运动组件的球心位置，这样带来了运动补偿计算上的方便。
17.传感器与计算模块集成在驱动器总成保持架上，直接构成了位置闭环，相比其他串联式平台各轴上布置的多传感器方案减少了位置积累误差。
18.无源模式下，可以在外界输入一定强度的横滚、俯仰等运动干扰时将负载的姿态偏差控制在较小范围内，自稳定工作过程无需耗费能源。
19.当球形托架晃动时配重箱内的扰流棒持续搅动阻尼液耗散能量，降低晃动频率，抑制晃动幅度，有助于加速晃动的衰减，使运动过程趋于收敛，提高球形托架运动组件及其上方负载的稳定性。
20.当重心偏离转动中心、驱动球支点的连线时能够产生复原力矩，因此球形托架运动组件具有回复至原来平衡位置的能力。
附图说明
21.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：图1为本发明的地理坐标系与载体坐标系示意图。
22.图2为图1的俯视示意图。
23.图3为图2的a-a处剖视示意图。
24.图4为图2的b-b处剖视示意图。
25.图5为本发明驱动器总成仰视示意图。
26.图6为本发明使用时的安装位置图。
27.图中：横滚运动驱动电机1，驱动器总成保持架2，方位运动转盘3，万向球轴承4，方位齿盘5，支撑环6，横滚与俯仰运动伺服驱动器7，扰流柱8，z’轴向万向球轴承9，x’轴向万向球轴承10，负载11，支撑球壳12，方位运动驱动电机13，方位驱动齿轮14，配重箱15，球形托架16，横滚运动驱动滚柱17，驱动球18，支撑架19，方位转盘轴承20，俯仰运动驱动电机21，俯仰运动驱动滚柱22，弹簧线导线23，方位运动伺服驱动器24，传感器与计算模块25，副导电滑环26，主导电滑环27，y’轴向万向球轴承29，电源模块30，减震器31，设备机箱32，球形自稳定姿态调整平台33。
具体实施方式
28.如图1~图6中，一种球形自稳定姿态调整平台，它包括支撑架19、支撑球壳12组成的球缺形支撑部件，在支撑球壳12内部、与该支撑球壳12同球心的球形托架16运动组件，在球形托架16下侧设置的驱动器总成，在球形托架16上侧设置方位运动转盘3；所述球形托架16运动组件由其上方侧边四个均布的万向球轴承4和下侧驱动器总成支撑，在支撑球壳12内做与支撑球壳12同球心的横滚、俯仰及二者叠加的运动，用以补偿来自外界横滚、俯仰运动引起的干扰。
29.优选的方案中，所述驱动器总成位于球形托架16正下方，其横滚运动驱动滚柱17
和俯仰运动驱动滚柱22的轴线分别与球形托架16参考坐标系的y’轴、x’轴平行，两轴线所决定的平面经过驱动球18的球心，所述平面垂直于z’轴向万向球轴承9与驱动球18接触形成的触点和驱动球18的球心的连线垂直于所述平面。
30.优选的方案中，还包括x’轴向万向球轴承10和y’轴向万向球轴承29；所述x’轴向万向球轴承10、y’轴向万向球轴承29与驱动球18的接触点位于横滚运动驱动滚柱17和俯仰运动驱动滚柱22的两轴线所在的平面内，y’轴向万向球轴承29与驱动球18接触点和俯仰运动驱动滚柱22与驱动球18触点的连线经过驱动球18的球心，x’轴向万向球轴承10与驱动球18接触点和横滚运动驱动滚柱17与驱动球18触点的连线经过驱动球18的球心，且所述两连线相互垂直；所述驱动球18同时与支撑球壳12内表面相接触。
31.优选的方案中，所述横滚运动驱动滚柱17和俯仰运动驱动滚柱22分别由横滚运动驱动电机1、俯仰运动驱动电机21驱动；横滚与俯仰运动伺服驱动器7、传感器与计算模块25集成在驱动器总成保持架2上。
32.优选的方案中，所述球形托架16上边沿均布四个万向球轴承4，每个万向球轴承4的滚动球体与支撑球壳12内表面相接触。
33.优选的方案中，所述球形托架16下侧布置有配重箱15，配重箱15的轴线与球形托架16参考坐标系z’轴同轴，配重箱15内部空腔空间设置有若干扰流柱8，配重箱15内部空腔空间内注入并存储阻尼液。
34.优选的方案中，所述球形托架16上侧的方位运动转盘3通过方位转盘轴承20与支撑环6连接，且四者的回转轴共轴线，方位运动转盘3上设置的方位运动驱动电机13带动电机轴端的方位驱动齿轮14和支撑环6上设置的固定式齿盘相互啮合，驱动方位运动转盘3绕球形托架16的参考坐标系z轴旋转。
35.优选的方案中，位于所述支撑架19上的电源模块30通过弹簧线导线23跨越支撑球壳12上边缘连接到方位运动转盘3的主导电滑环27输入端上，实现方位运动转盘3连续转动时的持续供电，同时部分电力通过方位运动转盘3的副导电滑环26输送至集成在驱动器总成保持架2上的横滚与俯仰运动伺服驱动器7、传感器与计算模块25。
36.优选地，由横滚运动驱动电机1、驱动器总成保持架2、方位运动转盘3、万向球轴承4、方位齿盘5、支撑环6、横滚与俯仰运动电机驱动器7、z’轴向万向球轴承9、x’轴向万向球轴承10、方位运动驱动电机13、方位驱动齿轮14、配重箱15、球形托架16、横滚运动驱动滚柱17、驱动球18、方位转盘轴承20、俯仰运动驱动电机21、俯仰运动驱动滚柱22、方位运动伺服驱动器24、传感器与计算模块25、副导电滑环26、主导电滑环27和y’轴向万向球轴承29组成球形托架运动组件。
37.优选地，方位运动驱动电机13与方位运动伺服驱动器24连接。
38.优选地，由支撑架19、支撑球壳12组成的球缺形支撑部件用于承托内部包含负载、球形托架运动组件在内的各组成部分，限定其平移自由度，仅保留绕各轴的旋转自由度。
39.优选地，在支撑球壳12内部，支撑球壳12与球形托架16运动组件同球心，球形托架16运动组件内的球形托架16上边沿均布四个万向球轴承4，每只万向球轴承4的滚动球体与支撑球壳12内表面相接触，为整个球形托架16提供维持稳定所需力矩，限制球形托架16运动自由度。
40.优选地，球形托架16正下方设置有驱动器总成，驱动器总成内安装有驱动球18，在
整个自稳定调整平台处于无源工作的模式下，驱动球18能够自由滚动，驱动球18的正上方和四周分别安装有z’轴向万向球轴承9、x’轴向万向球轴承10、y’轴向万向球轴承29、横滚运动驱动滚柱17、俯仰运动驱动滚柱22，驱动球18的正下方与支撑球壳12内壁相接触，正常情况下，相对驱动器总成而言驱动球18所有平移自由度被消除，绕z’轴旋转自由度被横滚运动驱动滚柱17、俯仰运动驱动滚柱22产生的摩擦力限制，仅剩绕x’轴、绕y’轴的转动自由度，球形托架16在其上侧均布的四个万向球轴承4和驱动球18的约束下仅剩以支撑球壳12同球心的横滚、俯仰运动自由度和绕地理坐标系z轴的旋转自由度，因此驱动球18在承担球形托架16运动组件和其上方设置的负载11的重量的同时，能使球形托架16运动组件和其上方设置的负载11在支撑球壳12的约束下以球形托架16球心为旋转中心做横滚、俯仰及两者合成后的旋转运动，用以补偿来自外界横滚、俯仰运动引起的干扰。
41.优选地，球形托架16运动组件及其上方设置的负载11经过配重，两者形成的重心位于球形托架16的载体参考坐标系z’轴上，又因为球形托架16的转动中心与下方驱动球18支点的连线和附着其上的载体坐标系z’轴也重合，因此球形托架16运动组件稳定静止状态下其转动中心、重心、驱动球18支点均位于一条与球形托架16的载体参考坐标系z’轴共线的直线上，且此时载体参考坐标系z’轴与水平面垂直。
42.优选地，由于球形托架16运动组件并不能直接抵消绕载体参考系z’轴转动的运动分量，因此可在需要时设置方位运动转盘3，该转盘借助下方方位转盘轴承20与支撑环6相连接，支撑环6固定在球形托架16上。当负载11需要抵消绕载体参考系z’轴转动的运动分量或要完成绕该坐标系z’轴的旋转运动时，方位运动伺服驱动器24控制方位运动电机转动，位于电机轴端的方位驱动齿轮14与固定在支撑环6上的方位齿盘5啮合产生的反作用力形成驱动方位转盘转动的力矩，最终驱动方位转盘绕载体参考系z轴转动以抵消外界输入的绕载体参考坐标系z轴转动的干扰运动分量。
43.优选地，位于支撑架19上的电源模块30通过弹簧线导线23跨越支撑球壳12上边缘将电力输送至主滑环的输入端，再由主滑环的输出端将一部分电力输出至方位运动转盘3上的各类用电负载11上，同时，另一部分电力输送至副滑环的输入端，再由副滑环的输出端输出至集成在驱动器总成保持架2上的横滚与俯仰运动伺服驱动器7、传感器与计算模块25上供其使用。两组滑环的应用隔绝了绕载体参考系z’轴的转动运动对连续供电的影响，弹簧线导线23的柔性可伸缩能力则可以适应球形托架16运动组件横滚、俯仰等运动对连续供电的影响。
44.优选地，球形自稳定姿态调整平33台放置在某设备机箱32内的上方，通过机箱内部支架固定，当机箱随外界载具发生连续晃动时，高频率的振动能量被减震器31所阻隔，球形自稳定姿态调整平33台内的球形托架16运动组件向反方向运动抵消外界低频率的横滚、俯仰等运动干扰，配合方位运动转盘3的工作，使安装在方位运动转盘3上的负载11始终能以较高的精度指向上方圆锥形空间内的特定方向。
45.优选的方案中，当球形自稳定姿态调整平台33在无源模式下工作时，如果支撑架19、支撑球壳12受外力发生晃动时，即使球形托架16运动组件受外力干扰在支撑球壳12内产生晃动，球形托架16运动组件重心低于转动中心，当重心偏离转动中心、驱动球18支点的连线时能够产生复原力矩，球形托架16运动组件恢复至原来平衡位置；球形托架16下方的配重箱15内注入并存储适量的阻尼液，当球形托架16晃动时配
重箱15内的扰流棒持续搅动阻尼液耗散能量，降低晃动频率，抑制晃动幅度，加速晃动的衰减，使运动过程趋于收敛，提高球形托架16运动组件及其上方负载11的稳定性；上述工作模式在外界输入一定强度的横滚、俯仰运动干扰时将负载11的姿态偏差控制在较小范围内，自稳定工作过程无需耗费能源。
46.优选的方案中，当条件允许或希望球形自稳定姿态调整平台33提供更高的稳定能力时，该平台工作在有源模式下，位于球形托架16下方的驱动器总成用于在需要时提供与球形托架16球面相切的、大小、方向可控的切向力，用以驱动球18形托架16及其上安装的附属部件做与支撑球壳12同球心的横滚、俯仰和两者合成的运动，最终用以补偿来自外界横滚、俯仰及两者叠加的运动引起的干扰；位于驱动器总成保持架2上的传感器与计算模块25持续检测稳定平台的角度误差、角加速度并将其分解为绕载体坐标系x’轴、y’轴的转动误差分量，在计算后实时输出纠偏信号至横滚与俯仰运动电机驱动器7，经功率放大后驱动横滚运动驱动电机1、俯仰运动驱动电机21运转，随后动力传递至横滚运动驱动滚柱17、俯仰运动驱动滚柱22，驱动球18在每个滚柱的带动下形成合成转速及转动方向，其与球形托架16滚动摩擦所形成的切向力产生的转动力矩带动球形托架16运动组件向减小晃动的方向运动以补偿外界的运动干扰；传感器与计算模块25集成在驱动器总成保持架2上，直接构成位置闭环，减少位置积累误差。
47.上述工作模式中，由于球形托架16运动组件具有自稳定能力，横滚运动驱动电机1、俯仰运动驱动电机21仅需要克服球形托架16运动组件及负载11的重力惯性，因此电机的驱动功率大大缩减，进而体积减小，能耗降低。
48.载体坐标系原点位于支撑球壳12、球形托架16运动组件的球心位置，这样带来了运动补偿计算上的方便。
49.上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本技术中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。