[发明专利]一种三轴稳定平台系统的伺服回路解耦方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三轴稳定平台系统的伺服回路解耦方法，尤其涉及三轴平台系统的伺服回路多变量解耦方法，主要用于实现全姿态高精度导航的航空、航天领域。

背景技术

三轴稳定平台已广泛地用于机动姿态有限的载体上，即用于在飞行中不会同时绕两个轴出现大姿态角的载体中。但有时由于运载火箭和弹道式导弹要做机动变轨飞行；特别是战术导弹、卫星以及许多军用飞机需要在全姿态、大机动状态下工作。在这样条件下，要求平台台体仍能保持稳定。

由于三轴稳定平台系统存在“框架锁定”现象，即内框架和外框架在一个平面内，此时，台体轴、内框架轴和外框架轴也同时在一个平面内，从而使平台失去一个自由度。另一方面，原来用于控制外框架轴的陀螺仪不能感受到外框架轴的转动，从而失去了对外框架轴的控制作用。

为了消除在内框架角为90°时稳定回路的失控，避免框架系统得锁定，目前，三轴稳定平台系统主要的解决措施是在内框架增加挡钉，以限制内框架角的运动范围。比如，通过增加挡钉使内框架角工作在±20°或±40°的范围内。现有措施只能满足机动姿态有限的载体上，难以满足载体大机动运动的要求。

下面介绍现有的具体技术情况。

首先，三轴惯性平台系统的坐标系定义如图1所示，描述了三轴平台各框架坐标系之间关系的示意图。在图1中，设为内框架相对台体的相对角速度，为外框架相对内框架的相对角速度，为为基座(箭体)相对外框架的相对角速度。

设──为台体(包括陀螺仪壳体)对X_p、Y_p、Z_p轴的转动惯量；──为内框架对X_p1、Y_p1、Z_p1轴的转动惯量；──为外框架对X_p2、Y_p2、Z_p2轴的转动惯量。定义为折合到台体轴X_p的转动惯量，为折合到台体轴Y_p的转动惯量；J_xy、J_xz、J_yz为框架系统的等效惯量积。

设M_zp为台体轴干扰力矩，为台体轴力矩电机反馈力矩；为内框架轴干扰力矩，为内框架轴力矩电机反馈力矩；为外框架轴干扰力矩，为外框架轴力矩电机反馈力矩；则三轴惯性平台系统的各轴端力矩作用到台体三轴的合成力矩为

设──分别为台体绕x_p、y_p、z_p轴的绝对角速度，可通过正交安装于台体的陀螺仪测量得到；则三轴惯性平台系统的台体动力学方程为

可以看出，在3个陀螺仪角速率信息已知时，有3个控制执行环节设力矩变换矩阵为

目前的解耦方式是，在台体受到干扰力矩时，稳定回路参与工作，通过电路或算法坐标变换实现解耦，产生电机力矩。其坐标变换矩阵为：

在β_yk趋于±90°时，存在奇异值，secβ_yk趋于无穷大。但采用电路实现secβ_yk比较困难，所以正如前面所述，比较现实的办法就是使β_yk＝0°，此时，有平面坐标分解器，即

采用该平面坐标分解器的三轴稳定平台的伺服系统如图2所示。但缺点是内框架的工作范围不能太大。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种三轴惯性平台系统伺服回路解耦方法，该方法在任意框架角情况下都无奇异值，可以有效提高载体无轨迹约束条件下的全姿态适应能力。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：