文献综述
船载稳定平台的现状及发展趋势:稳定平台系统在微机电技术、机械技术、控制技术及信号处理技术等多种技术发展的基础上,加之各类惯性测量器件的产生及性能的提高,使得对平台技术的研究有了很大的提高。
船用稳定平台能够有效隔离船体的扰动,为船载设备提供了良好的工作环境,因此稳定平台可以应用在各种运动的物体上,如搭载机载设备、车载设备、弹载设备、舰载设备等,并不断向小型化、数字化及集成化的方向发展。在国外,为了有效抵消船体运动的干扰,1904年 ,施里克研究发明了应用于舰船上的减摇装置,这是全球范围内的第一个船用减摇装置,但是该装置的稳定性不足。随着国外新型惯性测量器件的产生及性能的提高,稳定平台的精度和性能不断提高,并普遍应用在优良的武器系统中。在车载领域,美军在上世纪40年代开始将稳定平台安装在坦克上,用于抵消坦克在快速前进的过程中对武器系统的干扰,从而使坦克在快速行进时具有较高的攻击目标的能力。50年代之后,双向稳定器被广泛应用在坦克上,以进一步提高了坦克攻击目标的能力。在舰载领域,美国海军使用QRS-10型石英叉陀螺作为舰载天线稳定系统的姿态信息感知传感器,大大提高了系统的稳定精度和可靠性,从而使卫星通信系统稳定,无故障的工作。在导弹制导领域,为了确保导弹对目标的准确攻击,成像制导导引头中采用了稳定平台技术。如在美国的北极星潜射导弹系统中,为了抵消潜艇摇摆运动的干扰,将其导航装置搭载在稳定平台上,从而提高了导弹发射的精度。另外,美国的AGM-65型导弹、以色列的“突眼”、俄罗斯的X-29T等系统中都使用了稳定平台技术。在机载领域,国外无人机上,通常使用稳定平台来搭载红外成像仪、激光测距仪、CCD摄像机等先进的侦查装置,利用稳定平台技术为侦查设备提供实时稳定的工作环境,如以色列的ESP600C光电侦查平台。
在国内,对稳定平台技术的研究正在蓬勃发展。20世纪80年代展开了对瞄准稳定平台技术的研究,并对电脑控制转台和自动检测技术进行了研究,90年代初展开了对机载稳定平台技术的研究。历经二十多年的不懈努力,国内稳定平台系统的研究取得了较大的进步,逐步迈入自主研发的时段,并且许多高性能成熟的产品已经问世。华中光电研究所和中航618所分别研制了稳定精度较高的红外舰载稳定平台和陀螺机载稳定平台。1992年,我国第一个由计算机控制的高精度SCG-1型转台研制成功,303所在对该转台电控系统技术的研究中使用了和美国MPACS3OH相似的模块化设计思想,但是在惯性测量技术落后和高成本的压力下,使得该项研究和国外相比仍有较大的差距。我国非常重视对惯性测量技术的研究,并且有许多研究所和高校开始从事稳定平台系统技术的研究,如吉林大学、西安电子科技大学、北京航天航空大学、清华大学、哈尔滨工业大学、中科院成都光电所等。浙江大学成功研制了适用在5级海况内的4TPS-IPS并联稳定平台,该平台可以有效的抵消34.6dB的纵横摇摆的干扰。航天时代仪器公司成功研制了使用在长征系列运载火箭上的四轴陀螺稳定平台,该平台稳定精度高,制造成本低、重量较轻、体积小,并且可以实现360o的全姿态位置和角速度。航天北控集团公司成功研制了船载稳定平台,并用在南极考察船“雪龙号”上搭载船载卫星云图接收装置。中国电子科技集团第26研究所成功研制了由安装平台和航向,横滚、俯仰三轴构成的CJWP系列稳定平台系统,使摄像机能够实现360o全方位拍摄,并可以保证摄像机在横滚轴和俯仰轴的稳定。该稳定平台可以通过手动调整,使相机处于任何需要的拍摄角度并保持稳定的状态。中国电子科技集团公司第54研究所成功研制了用在船载卫星通信系统中的陀螺稳定平台。航空613所和中国西南电子研究所对机载稳定平台系统技术的研究取得了较大的进步。
随着高性能惯性测量元件的研发、姿态信息数据处理技术的提高及对高效控制方法的研究,稳定平台系统正向着小体积,低成本、高可靠性、高智能、高精准度的方向迈进,从而使稳定平台有了更高的使用价值和应用空间。
研究的意义和价值:船在海上航行时会受到海浪、海风等气象环境的影响,造成船体本身发生纵横摇摆现象,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。船载稳定平台控制系统可隔离船体的俯仰及横滚运动,使平台始终保持与水平面平行。
被动隔振器作为一种最直观也最简单的方式,可以有效的隔离船体的摇摆运动。被动隔振器能够较好的隔离高频率低幅度的干扰,可是对低频率高幅度的干扰的隔离效果较差,而稳定平台系统可以较好的解决这个问题。为了隔离船体的摇摆运动对船上设备的影响,稳定平台系统产生和船体干扰方向相反的运动来消除船体的运动,从而使船上的设备能够工作在相对稳定的状态。稳定平台系统利用惯性测量器件实时检测运动物体的姿态信息,并通过执行机构自动向干扰的反方向运动,从而达到隔离载体扰动的目的。
鉴于稳定平台能够隔离载体扰动,为了实现某些特定的功能,稳定平台在各种运动载体上得到了广泛应用。例如车辆在行驶的过程中,姿态经常发生变化造成晃动,稳定平台可以用来稳定车载卫星接收系统或者保证某些设备运输的安全性。在海上拍摄时,船体的摇摆运动增加了拍摄的难度,稳定平台可以用来承载相机,从而抵消船体摇摆的干扰,拍摄到高质量,效果好的照片和视频。在海上深井开采时,钻井工具的剧烈振动干扰增加了开采的难度,稳定平台可以用来承载钻井的导引头,从而隔离设备的干扰,保证了海上斜井和水平井的高效率开采。稳定平台可以用来承载舰载导弹,从而隔离船体运动的干扰,保证了舰载导弹处于稳定姿态。稳定平台系统在野外探测、机载侦查系统、运钞车、陆上武器系统等领域也得到了普遍的应用。
稳定平台系统研究是以惯性测量技术、自动控制技术为主体,结合信号处理技术,电机伺服控制技术和机械设计技术的综合系统。随着微机电系统技术的发展,MEMS传感器以其小体积、低功耗、重量轻、易于集成的显著特定,广泛的应用在三维姿态检测系统中。
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