[发明专利]一种使用正交解耦力矩驱动的三自由度光电吊舱

说明书

本发明公开了一种使用正交解耦力矩驱动的三自由度光电吊舱，该吊舱至少包含以下结构：球关节支撑，正交解耦驱动组，相对姿态检测模块和驱动控制系统，在球关节约束下，稳定平台与载体间可以认为仅存在位移自由度约束；三个方向的旋转自由度通过分布在载体定子与稳定台动子上的正交解耦驱动组进行驱动。通过惯性姿态测量单元，接触或非接触测量方式对稳定平台相对载体的姿态进行测量，结合光电载荷测量得到的目标绝对姿态偏差，馈入驱动控制系统，解算出控制电流加载到球形驱动组中，实现对光轴的稳定跟踪功能。由于正交解耦驱动中，各方向的驱动力矩互相垂直，系统的电流驱动转换效率高，驱动力矩误差低，有利于稳定平台的控制精度提高。

技术领域

本发明涉及光电跟踪领域，更具体地，涉及一种使用正交解耦力矩驱动的三自由度光电吊舱，用于光电设备的稳定与目标跟踪领域。

背景技术

光电吊舱设备广泛应用于遥感测绘，激光通信，安防监控等领域，通过隔离载体振动对光电载荷的光轴进行高精密稳定控制，实现对目标的跟踪测量等工作需求。由于目标距离一般超过千米，空间六自由度运动中对光轴影响最大的自由度为垂直光轴平面的转动自由度，理论上该平面的两自由度转动控制即可实现光轴的精密稳定。

现有的吊舱结构一般为串联支撑驱动的两轴两框架或两轴四框架结构，驱动方向相对载体往往无法变化，但是实际工作中光轴跟踪目标的需求会使得光轴指向发生变化，因而必须依赖驱动正切补偿来实现对光轴的稳定，当正切补偿过大，超出系统跟踪能力时便会出现跟踪盲区。同时串联旋转电机的方式使得系统结构耦合复杂，有效载荷空间缩小，且多转动部件的摩擦力矩直接影响着跟踪精度的提高。

参考文献：1.Slobodan N.Vukosavic.Suppression of Torsional Oscillationsin AHigh-Performance Speed Servo Drive[J].IEEE Transaction on IndustryElectronics，1998，45(1)：108-117.

2.Timothy P.Ricks,Megan M.Burton,etc.Stabilized electro-opticalairborne instrumentation platform[J],Proc.SPIE 2004,5268.

3.孔德杰.机载光电平台扰动力矩抑制与改善研究[D]:[博士]，长春，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2013.

发明内容

本发明解决的技术难题为现有光电吊舱设计中存在载荷空间小，跟踪盲区，摩擦耦合严重的问题，设计出一种基于球关节支撑，正交解耦驱动的光电吊舱装置，扩大有效载荷空间，克服正切补偿跟踪盲区问题，降低转动摩擦，增强系统的被动隔转特性，提高光电吊舱的稳定跟踪能力。

本发明采用的技术方案为：一种使用正交解耦力矩驱动的三自由度光电吊舱，该吊舱使用球关节作为载体与稳定平台的支撑，该吊舱至少包含以下结构：球关节支撑，正交解耦驱动组，相对姿态检测模块和驱动控制系统，在球关节约束下，稳定平台与载体间可以认为仅存在位移自由度约束，三个方向的旋转自由度通过分布在载体定子与稳定台动子上的正交解耦驱动组进行驱动，通过惯性姿态测量单元，接触或非接触测量方式对稳定平台相对载体的姿态进行测量，结合光电载荷测量得到的目标绝对姿态偏差，馈入驱动控制系统，解算出控制电流加载到球形驱动组中，实现对光轴的稳定跟踪功能。

进一步地，球关节固定于载体上，稳定平台通过球关节与载体相联，球关节约束作用下，载体与平台间仅存在三方向平移约束，而载体的旋转扰动很难通过球关节传递到稳定平台上，又由于载体的加速度到稳定平台的传递率与稳定平台质心到球关节中心密切关联，因而稳定平台外形设计会围绕旋转中心，保证稳定平台与球关节中心尽量接近。

进一步地，基于特殊设计的正交驱动组，实现球关节支撑吊舱的精确运动，其中包括至少三对驱动解耦的面型电机，巧妙布置于系统的赤道面上，实现XYZ三轴方向的小范围旋转驱动。