光电稳定平台质心动态配平装置及配平方法发明专利

专利名称：光电稳定平台质心动态配平装置及配平方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111175891.0

专利申请（专利权）人：西安应用光学研究所
权利人地址：陕西省西安市雁塔区电子三路西段九号

专利发明（设计）人：董典,胥青青,陶忠,刘能歌,薛永刚,王彦昊,卢卫涛,卢恒,孔龙阳,雷霏霖

专利摘要：本发明属于光电技术领域，公开了一种光电稳定平台质心动态配平装置，所述动态配平装置安装于光电稳定平台内环，其包括X向动态配平机构、Y向动态配平机构、三轴陀螺、外部控制器，X向动态配平机构的方向平行于传感器光轴方向；Y向动态配平机构的方向垂直于传感器光轴方向；三轴陀螺的Z轴与平台俯仰轴重合，Z轴安装在内环光具座垂直靠面上；外部控制器控制X向动态配平机构、Y向动态配平机构进行动态配平。本发明对配平效果有量化的评价标准，配平过程高效，操作简单，能够实现标准化；实现精确配平，有效提高了平台稳定性能，从而提升光电平台图像质量。

主权利要求：
1.一种光电稳定平台质心动态配平装置，其特征在于，所述动态配平装置安装于光电稳定平台内环，其包括X向动态配平机构(1)、Y向动态配平机构(2)、三轴陀螺(3)、外部控制器(4)，X向动态配平机构(1)的方向平行于传感器光轴方向；Y向动态配平机构(2)的方向垂直于传感器光轴方向；三轴陀螺(3)的Z轴与平台俯仰轴重合，Z轴安装在内环光具座垂直靠面上；外部控制器(4)控制X向动态配平机构(1)、Y向动态配平机构(2)进行动态配平；
所述X向动态配平机构(1)和Y向动态配平机构(2)的结构相同，安装方向不同；
所述X向动态配平机构包括：X向配重单元(1‑1)、X向丝杠(1‑2)、X向固定支架(1‑3)、X向电机(1‑4)；X向固定支架(1‑3)有两个，位置相对地固定在内环左右两侧上；左侧的X向固定支架(1‑3)上开设盲孔，右侧的X向固定支架(1‑3)上开设与传感器光轴方向平行的螺纹孔，X向丝杠(1‑2)左端间隙配合嵌入盲孔中，右端螺纹配合穿过螺纹孔，且右端端部同轴固定连接X向电机(1‑4)输出轴，X向配重单元(1‑1)螺纹配合安装在X向丝杠(1‑2)上；在外部振动条件下，通过X向电机(1‑4)带动X向丝杠(1‑2)转动，同时带动X向配重单元(1‑1)沿X向滑轨(1‑5)在X向丝杠(1‑2)上发生运动，三轴陀螺(3)敏感到光电稳定平台的角速度信息，测量出X向配重单元(1‑1)在X向丝杠(1‑2)上发生运动过程中角速度最小的位置，作为配重位置。
2.如权利要求1所述的光电稳定平台质心动态配平装置，其特征在于，所述X向动态配平机构还包括：X向滑轨(1‑5)，X向滑轨(1‑5)两端分别固定在两个X向固定支架(1‑3)上，X向滑轨(1‑5)方向平行于传感器光轴方向，X向配重单元(1‑1)底部与X向滑轨(1‑5)配合安装，且能够在X向滑轨(1‑5)上滑动。
3.如权利要求2所述的光电稳定平台质心动态配平装置，其特征在于，所述Y向动态配平机构(2)中的Y向滑轨与X向滑轨(1‑5)安装位置正交。
4.如权利要求3所述的光电稳定平台质心动态配平装置，其特征在于，所述外部控制器(4)采集X向电机(1‑4)和Y向动态配平机构(2)中的Y向电机在它们所对应的滑轨上的位置信息，并控制X向电机(1‑4)和Y向电机转动。
5.基于权利要求4所述光电稳定平台质心动态配平装置的光电稳定平台质心动态配平方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：在光电稳定平台内环安装上述质心动态配平装置，使之处于工作状态；
步骤二：将光电稳定平台固定在振动台上，振动台提供外部振动环境；
步骤三：开始X向配平，首先在X向滑轨上选择十个角速度测量点，起始点和终点为X向滑轨左、右极限位，相邻两个测量点之间距离相同，X向电机带动X向配重单元在X向滑轨上运动，在每个测量点上停留五秒，采集每个测量点的陀螺信息，采样频率为1KHz，采集时间为3秒，每个点的采集样本量为3000个数据；
步骤四：计算每个测量点对应的角速度统计值，即先对每个点的陀螺数据求标准差；
步骤五：在十个测量点的角速度统计值中找出数值最小的测量点Xa，选取Xa前一个测量点Xa‑1和后一个测量点Xa+1为新的测量区间，在区间中选择新的十个测量点，每相邻两个点之间距离相同，重复步骤三和步骤四，计算每个测量点对应的角速度统计值；
步骤六：在新的十个测量点的角速度统计值中找出数值最小的测量点，先判断是否符合配平精度要求，如果不符合则重复步骤五，直到符合配平精度要求；如果符合，角速度统计值数值最小的测量点即为X向配平位置，X向配平结束；
步骤七：按照步骤三至步骤六的过程，完成Y向配平。
6.如权利要求5所述的光电稳定平台质心动态配平方法，其特征在于，步骤一中，动态配平装置在光电稳定平台内环上安装需满足：动态配平装置的配重单元运动在对应丝杠上的极限位置时，产生的偏心距分别分布在光电稳定平台的旋转运动轴两侧。
7.如权利要求5所述的光电稳定平台质心动态配平方法，其特征在于，步骤四中，参照公式(1)对每个点的陀螺数据求标准差：其中：
ΔS(j)为第j个测量点的角速度统计值；
为第j个测量点的平均角速度值；
X(j,i)为第j个测量点第i个数据；
N为第j个测量点总样本量。 说明书 : 光电稳定平台质心动态配平装置及配平方法技术领域[0001] 本发明属于光电技术领域，涉及一种动态配平方法，尤其涉及一种光电稳定平台质心动态配平装置及配平方法。背景技术[0002] 光电稳定平台采用的是整体平台稳定措施，也是目前最常见的一种稳定方案。平台为一万向架结构，各光电传感器与陀螺安装在内俯仰框架上。陀螺敏感平台相对惯性空间在方位和俯仰方向的速度，与速度指令信号作用形成控制误差；误差信号经稳定控制器、电机驱动器分别驱动方位轴和俯仰轴的电机转动，来消除由载体运动带来的角扰动，达到惯性空间稳定的目的。光电稳定平台在工作时要受到来自载体各种振动的干扰，载体传递到光电稳定平台的扰动分为转动和平动，平动对于光电稳定平台成像质量影响不大，转动严重影响光电稳定平台成像质量。[0003] 光电稳定平台质心与运动回转中心的不重合误差称为光电稳定平台的质心偏置。由于质心偏置,载体高频振动激励对平台带来的加速度产生不平衡力矩，如果该不平衡力矩足以克服框架静摩擦力矩，导致光电平台往复转动产生角位移，从而导致图像产生像移，在相机曝光时间内的像移将降低光电平台成像质量。因此内环组件精确配平，使得质心与运动回转中心重合，对光电稳定平台成像质量有着重要意义。[0004] 内环组件的传统配平方法是在光电稳定平台上操作的，为了实现方位与俯仰方向的全范围配平，必须翻转外环组件带动内环组件大角度旋转，然后判断需要添加配重块的位置，反复观察内环组件配平状态，直到内环组件在任何位置都可以达到平衡。这种传统配平方式，当光学传感器的变焦机构移动时，内环组件的重心也会随之变化,始终无法与其运动回转中心重合。因此,目前的配平方法存在以下不足：[0005] (1)配平过程需要反复尝试，效率较低，较依赖配平人员的操作经验，对配平效果没有量化的评判标准。[0006] (2)内环组件的重心很难与其运动回转中心重合，配平精度较难保证，增加了产品稳定精度调试难度，制约了产品性能提升。发明内容[0007] (一)发明目的[0008] 本发明的目的是：提供一种能够实现精确配平的光电稳定平台质心动态配平装置及配平方法，该方法在内环安装一种电机驱动的配平装置，在外界振动条件下，驱动电机带动配重单元沿着滑轨从一端运动到另一端,利用安装在内环上的三轴陀螺测量出移动过程中的内环角速度信息，计算角速度统计值，找到最小角速度对应的配重单元位置即为最佳配重位置,即可实现精确配平。[0009] (二)技术方案[0010] 为了解决上述技术问题，本发明拟设计一种对配平效果可量化的装置及方法。外部振动条件下，质心偏置会导致光电稳定平台往复转动,而安装在内环平台的陀螺能够敏感到光电稳定平台角速度，质心偏置越小，光电稳定平台角速度就越小，所以只要找到光电稳定平台角速度最小的状态，即为最佳配平状态。[0011] 本发明提供一种光电稳定平台质心动态配平装置，本装置包括三轴陀螺，X向动态配平机构、Y向动态配平机构和外部控制器，两向动态配平机构均包括滑轨、固定支架、丝杠、电机、配重单元。X、Y两向动态配平机构需要预先安装在转塔内部，动态配平机构安装位置的选择依据是其配重单元运动在滑轨两端极限位置时，产生的偏心距分别分布在光电稳定平台的旋转运动轴两侧，这样就能保证在配重单元的整个运动范围内存在一个点，使得质心与旋转中心重合，该过程是常规的设计方法，相关技术人员知晓该方法。[0012] 以X向为例：滑轨和固定支架固定在内环上，且滑轨方向平行于传感器光轴方向；固定支架上开有与传感器光轴方向平行的螺纹孔；丝杠安装在所述固定支架的螺纹孔内；当丝杠转动时,同时能够轴向移动；丝杠一端与电机输出轴同轴固定连接；配重单元安装在滑轨上,且能够在滑轨上滑动；外部控制器能够采集电机在滑轨上的位置信息,并能够控制电机转动及方向。Y向滑轨与X向滑轨安装位置正交，配平机构安装方式与X向一致。当外部振动条件下，通过驱动电机带动丝杠转动,配重单元发生运动，陀螺敏感到平台的角速度信息，测量出配重单元移动过程中角速度最小的位置即为配重位置，实现光电稳定平台质心动态配平。[0013] 本发明还提供一种光电稳定平台质心动态配平方法，Y向与X向配平步骤一致，此处描述X向配平步骤：[0014] 步骤一：在光电稳定平台内环安装上述质心动态配平装置，使之处于工作状态。[0015] 步骤二：将光电稳定平台固定在振动台上，振动台提供一种外部振动环境。[0016] 步骤三：X向配平开始，首先在滑轨上选择n个角速度测量点，每个点之间距离相同，电机带动配重单元在滑轨上运动，在每个测量点上停留,采集每个测量点的陀螺信息。[0017] 步骤四：计算每个测量点对应的角速度统计值，既先对每个点的陀螺数据求标准差，参照公式(1)。[0018][0019] 其中：[0020] ΔS(j)为第j个测量点的角速度统计值；[0021] 为第j个测量点的平均角速度值；[0022] X(j,i)为第j个测量点第i个数据；[0023] N为第j个测量点总样本量。[0024] 步骤五：在n个测量点的角速度统计值中找出数值最小的测量点，选取前一个测量点和后一个测量点之间区域为新的测量区间，在区间中选择n个测量点，每个点之间距离相同，重复步骤三和步骤四，计算每个测量点对应的角速度统计值。[0025] 步骤六：在n个测量点的角速度统计值中找出数值最小的测量点，先判断是否符合配平精度要求，如果不符合则重复步骤五，直到符合配平精度要求；如果符合，角速度统计值数值最小的测量点即为X向配平位置，X向配平结束。[0026] (三)有益效果[0027] 上述技术方案所提供的光电稳定平台质心动态配平装置及配平方法，有益效果体现在以下两个方面。[0028] (1)对配平效果有量化的评价标准，配平过程高效，操作简单，能够实现标准化。[0029] (2)实现精确配平，有效提高了平台稳定性能，从而提升光电平台图像质量。附图说明[0030] 图1为转塔内环示意图。[0031] 图2为X向动态配平机构结构示意图。[0032] 图3为光电稳定平台质心动态配平方法流程图。具体实施方式[0033] 为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。[0034] 本实施例首先提供一种光电稳定平台质心动态配平装置，参照图1所示，动态配平装置安装于光电稳定平台内环，动态配平装置包括X向动态配平机构1、Y向动态配平机构2、三轴陀螺3、外部控制器4，X向动态配平机构1的方向平行于传感器光轴方向；Y向动态配平机构2的方向垂直于传感器光轴方向；三轴陀螺3的Z轴与平台俯仰轴重合，Z轴安装在内环光具座垂直靠面上；外部控制器4控制X向动态配平机构1、Y向动态配平机构2进行动态配平。[0035] 本实施例中，X向动态配平机构1和Y向动态配平机构2的结构完全相同，仅安装位置不同，下面以X向动态配平机构1为例，对其结构进行介绍。[0036] 图2为X向动态配平机构结构示意图，X向动态配平机构包括：X向配重单元1‑1、X向丝杠1‑2、X向固定支架1‑3、X向电机1‑4、X向滑轨1‑5；X向固定支架1‑3有两个，位置相对地固定在内环左右两侧上，X向滑轨1‑5两端分别固定在两个X向固定支架1‑3上，X向滑轨1‑5方向平行于传感器光轴方向；左侧的X向固定支架1‑3上开设盲孔，右侧的X向固定支架1‑3上开设与传感器光轴方向平行的螺纹孔，X向丝杠1‑2左端间隙配合嵌入盲孔中，右端螺纹配合穿过螺纹孔，且右端端部同轴固定连接X向电机1‑4输出轴，X向配重单元1‑1螺纹配合安装在X向丝杠1‑2上，X向配重单元1‑1底部与X向滑轨1‑5配合安装，且能够在X向滑轨1‑5上滑动。在外部振动条件下，通过X向电机1‑4带动X向丝杠1‑2转动，同时带动X向配重单元1‑1沿X向滑轨1‑5在X向丝杠1‑2上发生运动，三轴陀螺3敏感到光电稳定平台的角速度信息，测量出X向配重单元1‑1在X向丝杠1‑2上发生运动过程中角速度最小的位置，即作为配重位置，实现光电稳定平台质心动态配平。[0037] Y向动态配平机构2中的Y向滑轨与X向滑轨1‑5安装位置正交，Y向动态配平机构2的安装方式与X向动态配平机构1的安装方式一致。[0038] 外部控制器4采集X向电机1‑4和Y向动态配平机构2中的Y向电机在它们所对应的滑轨上的位置信息，并控制电机转动及方向。[0039] 依照附图3的流程图，基于上述光电稳定平台质心动态配平装置，本实施例光电稳定平台质心动态配平方法具体步骤如下：[0040] 步骤一：在光电稳定平台内环安装上述质心动态配平装置，使之处于工作状态，保证动态配平装置的配重单元运动在对应丝杠上的极限位置时，产生的偏心距分别分布在光电稳定平台的旋转运动轴两侧。[0041] 步骤二：将光电稳定平台固定在振动台上，振动台提供外部振动环境。[0042] 步骤三：开始X向配平[0043] 首先在X向滑轨上选择十个角速度测量点，起始点和终点为X向滑轨左、右极限位，相邻两个测量点之间距离相同，X向电机带动X向配重单元在X向滑轨上运动，在每个测量点上停留五秒，采集每个测量点的陀螺信息，采样频率为1KHz，采集时间为3秒，每个点的采集样本量为3000个数据。[0044] 步骤四：计算每个测量点对应的角速度统计值，即先对每个点的陀螺数据求标准差，参照公式(1)：[0045][0046] 其中：[0047] ΔS(j)为第j个测量点的角速度统计值；[0048] 为第j个测量点的平均角速度值；[0049] X(j,i)为第j个测量点第i个数据；[0050] N为第j个测量点总样本量。[0051] 步骤五：在十个测量点的角速度统计值中找出数值最小的测量点Xa，选取Xa前一个测量点Xa‑1和后一个测量点Xa+1为新的测量区间，在区间中选择新的十个测量点，每相邻两个点之间距离相同，重复步骤三和步骤四，计算每个测量点对应的角速度统计值。[0052] 步骤六：在新的十个测量点的角速度统计值中找出数值最小的测量点，先判断是否符合配平精度要求，如果不符合则重复步骤五，直到符合配平精度要求；如果符合，角速度统计值数值最小的测量点即为X向配平位置，X向配平结束；[0053] 步骤七：按照步骤三至步骤六的过程，完成Y向配平。[0054] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

专利地区：陕西

专利申请日期：2021-10-09

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN113945321B