船舶稳定平台解决方案

船舶稳定平台解决方案陀螺稳定平台( gyroscope-stabilized platform )利用陀螺仪特性保持平台台体方位稳定 的装置 。简称陀螺平台、惯性平台。用来测量运动载体姿态，并为测量载体线加速度建立 参考坐标系，或用于稳定载体上的某些设备。它是导弹、航天器、飞机和舰船等的惯性制导 系统和惯性导航系统的主要装置。稳定平台作为一种安放在运动物体上的设备， 具有隔离运动物体扰动的功能。 稳定平台 在航空航天、工业控制、军用及商用船舶中都有比较广泛的用途，例如航拍、舰载导弹发射 台、船载卫星接收天线等。船舶上工作面或者平台姿态检测，船载天线稳定平台系统，会应 用倾角传感器定时(较长时间)读取数值，通过计算后，对稳定平台进行校正。平台的实际 运动由单片机控制外部机械装置以达到对稳定水平平台进行修正， 以保证其始终处于水平状 态。 某些倾角传感器作为船体液压调平系统中的反馈元件， 提供高精度的倾角信号。 既可用 于水下钻进也可用于水下开采等。在国外，陀螺稳定跟踪装置被广泛应用于地基、车载、舰载、机载、弹载以及各种航天设备 中。20 世纪 40 年代末，为了减少车体振动对行进间射击的影响，在坦克上开始安装火炮稳 定器，从 50 年代起，双稳定器在坦克中得到了广泛的应用。在英、美等国的先进武器系统 中，基于微惯性传感器的稳定跟踪平台得到了广泛的应用，如美国的M1坦克、英国“挑战者”坦克、俄罗斯 T-82 坦克、英国“标枪”导弹海上发射平台和“海枭”船用红外跟踪稳 定平台等，都采用了不同类型的稳定跟踪平台。美国海军采用BEI 电子公司生产的 QRS-10型石英音叉陀螺，研制出WSC-6型卫星通讯系统的舰载天线稳定系统，工作12万小时尚未出现故障；Honeywell公司以红外传感器平台稳定为应用背景，研制的以GG1320环形激光陀螺为基础的惯性姿态控制装置，很好的满足了稳瞄跟踪系统的要求。美军配装的Honeywell 公司采用激光陀螺技术研制的自行榴弹炮组件式方位位置惯性系统(MAPS6000)，在工作时可连续提供高精度的方位基准、高程、纵摇、横摇、角速率、经度和纬度输出， 性能大大高于美军 MAPS系统规范的要求。在导弹制导方面，俄罗斯的X-29T、美国的“幼畜” AGM65、以色列的“突眼”等成像制导导引头中，都采用了陀螺稳定跟踪平台。在机载设备中，陀螺稳定平台在机载光 -电火控系统和机载光电侦察平台中也得到极其广泛的应用， 美国、以色列、加拿大、南非、法国、英国、俄罗斯等国家都已研制出多种型号产品装备部 队。如以色列的ESP-600C型无人机载光电侦察平台采用两轴平台，其方位转动范围360oX N俯仰+10o - 100、最大角速度 50o/s、最大角加速度 60o/s2，其稳定精度达到 15卩rad , 所达精度代表了国际先进水平。国内对陀螺稳定平台的研究起步较晚， 20世纪 80年代开始研制瞄准具稳定平台，而 90 年 代初才开始陀螺稳定平台的研制。虽有不少单位，如北京电子 3所、长春光机所、中科院成 都光电所、 西安应用光学研究所、 华中光电技术研究所和清华大学等都在开展该应用领域的 研究工作， 但在稳定跟踪平台技术的研究上与国外相比仍有较大差距，由于惯性元件的技术不过关，成本较高，致使该项技术的研究始终没有取得突破性的进展。一、船用红外 /可见光陀螺稳定平台近年来，随着精密机械、电子技术、数字信号处理技术和模式识别技术的飞速发展，陀 螺伺服稳定跟踪系统的性能也有了很大的提高。 陀螺伺服稳定跟踪系统， 其主要任务是完成隔离载体角运动对视轴的扰动和伺服跟踪给定的位置指令信号（此位置指令信号可以是视频图像处理模块给出的角度位置信号，也可以是计算机给出的仿真位置指令信号）。而伺服稳定跟踪装置的核心是陀螺稳定装置，主要作用在于隔离载体的角运动，使安装在载体上的光学传感器的视线轴或其他被稳定对象的指向在惯性空间内保持稳定，为图像传感器提供一个良好的测量环境。因此，高精度伺服稳定跟踪平台控制器研制须解决两方面的问题：陀螺稳定系统的实现；在陀螺稳定的基础上实现目标位置的精确跟踪。产品介绍船用红外/可见光陀螺稳定平台是新一代海上光电监视系统，具有性能指标先进、操作运行灵活方便、可昼夜工作、显示图像实时直观、体积小、重量轻、适装性强等特点。图1船用红外/可见光陀螺稳定平台应用场合海上辑私海防监视执行海上救援任务性能特点能昼夜搜索、观察、监视和识别海上各类运动船只能实时显示目标红外/可见光图像和方位角、高低角的数据能实时录取目标图像、记录海上各类目标的活动情况该系统产品是高精度伺服稳定跟踪平台，其核心部分是数字控器器部分，现对其进行分析。伺服稳定跟踪平台结构与控制系统设计伺服跟踪平台系统机械主体结构由底座摇摆台和负载框架组成。机械台体由方位摇摆轴系、俯仰摇 摆轴系和方位稳定轴系、俯仰稳定轴系构成串联式 UOO勺框架结构。负载（CCD摄像 头或红外摄像头）通过专用夹具安装在平台俯仰稳定框架上。其中底座摇摆台为2个轴系的非稳定伺服系统，用于为负载框架提供在方位和俯仰2个轴系的标准干扰信号；负载框架为2个轴系的陀螺稳定伺服系统，主要作用在于使框架的方位和俯仰2个轴向在惯性空间内保持稳定；并且，在负载内框（俯仰框）上装有CCD摄像机或红外摄像机的情况下，实现对目标的视频跟踪。稳定平台方案采用整体稳定式，即把CCD摄像机或红外摄像机与陀螺同时安装在由直流力矩 电机驱动的负载框架上。系统工作时，控制器控制系统底座摇摆台2个轴分别同时对负载框架2个轴产生标准干扰信号， 在负载框架上装有 2个光纤速率陀螺，用于敏感负载框架在惯 性空间的2个轴向（方位轴和俯仰轴）的转动角速率，经由A/D转换，送DSP处理后输出控制 信号驱动与负载框架直接相连的2个力矩电机，使摄像机的视轴在惯性空间上保持稳定。另外，此高精度伺服稳定跟踪平台的4个轴上都装有高精度增量式旋转编码器，用于测量4个轴相对于各自轴起始零点的转动角度，通过这4个角度值可以推导出假想视轴 （不带CCD摄像机或红外摄像机的情况下）在惯性空间的位置。在没有图像反馈的情况下，实现负载框 架的位置随动。针对本平台系统的要求，控制器核心选用TI公司TMS320LF2407A数字信号处理器，惯性反馈元件选用俄罗斯产 VG941 23AM光纤速率陀螺，角位置测量选用海德汉高精度增量式角度 编码器ERN180将四轴伺服电机的控制集成在同一运动控制器上。图2为稳定轴系单轴伺服系统框图。图2单轴伺服系统框图如图2所示，陀螺稳定平台伺服控制系统采用前馈-反馈复合控制，前馈控制器的作用是对目标位置进行滤波和预测，以超前的控制作用补偿系统的动态滞后，提高系统的响应速度， 解决系统稳定性和精度之间的矛盾。前馈控制器的引入不影响原闭环系统的稳定性。系统反馈控制中，内环为框架惯性速率环，外环为位置跟踪环。此处的惯性速率环本质上与普通的 电机控制速率环不同，其反馈元件为速率陀螺，其敏感的是框架相对于惯性空间的角速率， 而在普通的电机速率控制中， 测速元件测量的是电机转子相对于各自旋转轴的角速率。速率环的调整范围与增益成正比，而最低平稳速率与环路增益成反比，与转矩波动系数成正比。二、船载卫星天线稳定平台系统随着社会的进步和信息化技术的提高，人们对移动中通过卫星网络接收卫星电视节目、进行电信通信和接入互联网的需求越来越大。卫星天线接收卫星信号须使天线接收器指向卫星的方位，这样才能保证卫星信号接收质量清晰和稳定。但是安装在运动船体上的卫星天线会随着船体摇摆运动而运动， 如果卫星天线接收器不能对准卫星的方位，会造成接收信号微弱甚至丢失。因此，天线稳定跟踪技术己成为了当前移动载体稳定跟踪系统应用领域的一大研究 热点。图3船载卫星天线船载卫星天线稳定平台总体设计方案很多，我们只提出基于姿态敏感传感单元的稳定平台。该系统的执行机构是步进电动机， 主控单元通过驱动电路驱动步进电机， 可以使卫星天线跟 随着船体的运动而反向运动， 实时隔离船体的摇摆变化， 确保接收卫星天线快速、 准确地对 准卫星，从而使卫星信号接收稳定。我们称该系统为“动中通”。“动中通”自动跟踪系统是在初始静态情况下，由GPS经纬仪、捷联惯导系统测量出航向角、载体所在位置的经度和纬度及相对水平面的初始角，然后根据其姿态及地理位置、卫星经度自动确定以水平面为基准的天线仰角，在保持仰角对水平面不变的前提下转动方位， 并以信号极大值方式自动对准卫星。在载体运动过程中， 测量出载体姿态的变化， 通过数学平台的运算，变换为天线的误差角，通过伺服机构调整天线方位角、俯仰角、极化角，保证 载体在变化过程中天线对星在规定范围内，使卫星发射天线在载体运动中实时跟踪地球同步卫星。该系统跟踪方式有自跟踪和惯导跟踪两种。自跟踪是依靠卫星信标进行天线闭环伺服跟踪；惯导跟踪是利用陀螺惯导组合敏感载体的变化进行天线跟踪。这两种跟踪可根据现场情况自动切换。当系统对星完毕转入自动跟踪后，以自跟踪方式工作；与此同时，惯导系统 也进入工作状态，并不断输出天线极化、方位和俯仰等数据。当由于遮挡或其它原因引起天 线信标信号中断时， 系统自动切换到惯导跟踪方式。同时，利用先进的移动卫星通信系统传输广播电视信号，达到现场转播效果。山阖防科技网www.61 tccn.cQm图4 ADU7610系统主机ADU7610是由湖北信正科技有限公司自主开发并生产的一款高精度姿态方位组合导航系统。它有别于一般的 GPS/INS产品，ADU7610采用两个高精度高动态的GPS接收机作为卫星信号传感器，利用载波相位差分技术和快速求解整周模糊度技术，可精确计算运动载体的方位角；并加以惯性测量技术辅助测姿导航。由于ADU7610设计时融合了双GPS定位定向、单GPS定位定向及自寻北技术，在内部采用了信正科技最新的择优算法，所以该系统在只有一个GPS接收天线时仍然能达到相同的测量精度，而且当GPS信号受到干扰后，不论 GPS失锁时间多久，系统均能输出高精度的数据。由于惯性导航具有不依赖外界信息、隐蔽性好、抗干扰性强、全天候工作等优点，一种能够提供多种导航参数， 完全自主的导航系统。 但它的精度随时间而变化，长时间工作会累积较大误差，这使惯性导航系统不宜作长时间导航。而全球卫星定位系统具有较高的导航精度， 但由于运动载体的机动变化，常使接收机不易捕获和跟踪卫星的载波信号，甚至对已跟踪的信号失锁。为发挥两种技术的优势，很多厂家采用高精度的惯性器件研制开发了GPS/INS组合导航系统。这些系统虽然性能较好，但价格昂贵，一般用户难以承受。而ADU7610克服了单一器件的不足，充分发挥了GPS精度高、无累积误差、无漂移、价格低和惯性产品动态性能好、抗干扰能力强、不需外部信号源就能自主工作等特点，提高了系统整体的姿态方位测量精度、导航精度及实时跟踪对准性能。经在海陆空多种环境试验证明，在基线长2米时，航向和姿态精度均达 0.1度，并且有效克服了偏流角带来的航向误差，是兼容多系统、相互补充、相互备份的全天候高可靠性姿态方位测量产品。ADU7610系统指标:航向精度0. r （缶基0. 05-弘臺线）0.025（師臺线）姿态精度0. 05 ( WiS 0 r CsteS)恆置蓿度0 餉 CEF: 2m CIP autonom cusj iw SA速度辖度OOEd/s数据更新速率IOOKi圭要器件 性能陀螺程200 /s加速度计量程j10零偏0.01* /S零傭 llftg0.0002p /S雪傭穂定性0. 03in零偏重复性lOOppm珮超性U.GFS速度精度0.02b/s授时蓿度50ns搔口特性接口方式RS-232 （或拒T曲可选）波特率115200捋标僕电电压12YLC (或24VD匚可选)工作温度-铀9+859物理尺寸重量 对1UWUt f?Hitinnscl益峠*、KNIUAh tjam人cm*1叱轴轻疋内河踣九艇囲霉拎 制裾中KHttMwww 启 Itccn. com图5陀螺稳定光电跟踪系统示意图整体稳定式惯性平台系统由稳定内回路和跟踪回路组成，系统工作时，一方面稳定回路依靠惯性器件实时敏感载体相对惯性空间的偏离，并通过稳定控制器进行实时纠正，保证成像传感器视轴和引起它抖动的各种干扰源相隔离，使其在惯性空间保持相同的角度瞄准方向而和载体的振动无关或者使其残余的晃动量保持在所允许的范围内，为成像传感器提供一个能获取稳定图像的平台；另一方面为了能对目标进行跟踪观测，平台作为跟踪系统的内回路，为跟踪器提供跟踪指令输入以及平台角度和角速度信号反馈。通过手动/自动扫描搜索视场、锁定目标后，系统进入自动跟踪模式，跟踪控制器接收目标脱靶量指令，控制平台转动，使 视轴始终对准被测目标。 因此，陀螺稳定光电跟踪平台从伺服控制角度而言，其实质为“视轴稳定与跟踪系统”，稳定分系统的主要任务是使光学传感器与载体的姿态变化、振动等相隔离，使视轴稳定在固定的惯性空间；跟踪是在视轴稳定的基础之上，控制视轴指向目标。陀螺稳定跟踪平台集惯性导航、 微惯性传感器、数据采集及信号处理、精密机械动力学建模 仿真和设计、电机运动控制、图像处理和光学仪器应用等多项技术于一身， 是以机电一体化、 目标识别自动控制技术为主体，多个学科有机结合的产物。在运动载体上的光电成像跟踪系统， 为克服载体运动引起的成像传感器视轴晃动， 保证探测 设备对目标的稳定瞄准和精确跟踪， 都需要有稳定的空间惯性坐标基准。 利用速率陀螺“空 间测速机”特点组成的伺服稳定跟踪平台能够隔离载体角运动对视轴的扰动， 为测量设备提 供一个不受载体运动影响的惯性稳定基准。 为模拟运动载体上光电成像跟踪系统的动力学特 性和空间运行姿态以便更好的对此类伺服系统性能进行深入研究， 研制开发了一套集载体运 动姿态和负载光电探测设备运动姿态于一体的新型四轴精密稳定跟踪转台系统。新型多功能四轴精密稳定跟踪转台系统具有计算机数字导引、 操纵杆半自动导引、 自动扫描 搜索和光电成像传感器 （CCD 摄像机或红外热像仪） 自动跟踪等多种控制系统工作方式丰富 了转台实验装置的功能，可满足不同的研究任务。转台系统总体结构转台系统由机械系统和电气控制系统两大部分构成。 硬件组成为机械台体和电气控制柜及接 口电缆，如图 6 所示。四轴稳定跟踪转台系统机械主体结构由底座摇摆台和负载框架组成。 底座摇摆台为两个轴系 的非稳定伺服系统， 用于为负载平台提供干扰信号， 模拟载体运动状态； 负载框架为两个轴 系的陀螺稳定跟踪平台。 整个机械台体由方位摇摆轴系、 俯仰摇摆轴系和方位稳定轴系、 俯 仰稳定轴系构成串联式 U-O-O-O 的平台框架结构。各轴系均由主轴、轴承、电机、测速机、 光电编码器构成，光电成像跟踪器（光学系统及 CCD 摄像机）和速率陀螺安装在负载陀螺 稳定跟踪平台上。图6转台系统实物图电气控制柜由伺服控制系统、图像处理系统、操控台监视系统和电源部分等组成：伺服控制系统主要对来自操控台、上位计算机、电视图像跟踪器、陀螺仪的指令、状态和误差信号进 行综合、校正等处理，形成驱动伺服平台电机转动的控制电压来完成对台体的操作和控制， 实现光电成像传感器视轴的稳定和对目标的搜索、跟踪；图像处理系统包括视频处理部分和图像处理部分，视频处理器对来自摄像机的电视图像信号进行降噪、增强等预处理，预处理后的电视信息一路送图像处理器，另一路送视频综合、分配器，同各种外部设定的图形符号和数据信号混合叠加，然后再送到电视监视器中显示；图像处理器按照标准电视PAL制式逐场提取与分离视场中的运动目标图像，根据目标亮度与结构特征， 测量目标中心相对与转台视轴中心的方位和俯仰误差，然后再将此误差送伺服控制系统处理。操控台是主要人机交互界面，包括所有的手动操控指令按键，操纵杆以及伺服控制系统显示LED和电视跟踪器图像观察监视器；电源部分提供系统各部分所需要的各种规格形式的电源。整个四轴稳定跟踪转台的工作原理如图 7所示。根据任务需要及工作的实施过程，所设计转台系统具有计算机数字导引、操纵杆半自动导引、自动扫描搜索和光电成像传感器（CCD摄像机）自动跟踪等多种工作方式。址纤陀螺和Ll咖出黔馆号吞叱 押 制11阳像跟踪器孤|帀3脱靶蜀何服跟踪控制器PWM? /Jj型嵋中tttat:ST操控台图7四轴稳定跟踪转台工作原理图伺服稳定跟踪平台控制器硬件设计该平台伺服控制器可通过以下3种方式构成完整的控制系统：1）将控制卡通过ISA总线接口与上位工控机构成主从式运动控制系统；2）将运动控制卡置于独立运行状态，工控机通过RS2232接口向控制器发送各种控制命令,接收控制器上传的各个运动轴系的运行参数；3）控制卡完全独立于上位工控机运行，通过20键小键盘输入各轴的控制参数。本平台控制器总体扩展框图如图8所示。mt1201 “Mr： 4中国誌理技网www.81 图8控制器总体扩展框图运动控制器外部接口硬件设计主要包括 ISA 总线接口、陀螺信号的输入接口、直流伺服驱 动器接口、码盘信号接口等。