基于接触网动态检测的三轴稳定平台

戴星 汤世友

摘要：接触网动态检测中CCD相机固定在检测车顶部，检测车运行时振动影响了测量精度。隔离检测车运行振动保持CCD相机视轴相对地面稳定是提高测量精度的有效方式。为有效隔离检测车振动，以已有三轴陀螺稳定平台研究为基础，对稳定平台环架式机械结构和伺服控制回路进行了设计，环架驱动信号得到了有效分配，双速度环控制回路提高了伺服系统的抗干扰性和鲁棒性。稳定平台能有效隔离检测车振动。

关键词：接触网；动态检测；陀螺稳定平台；双速度环

1引言

接触网是列车获得动力的主要途径，接触网暴露在空气中受自然环境影响，状态变化大。需要定期的对接触网的运行状态做检测。传统的人工定点检测与检测车例行巡检的范式难以满足高速铁路检测的要求，对于高速铁路的检测主要采取动态检测的方式。在车顶安装高速摄像机将接触网的动态图像拍摄下来，经过图像采集设备转换为数字信号，然后通过处理得出接触线的高度和拉出值。因此摄像机拍摄的图像质量就直接影响了测试结果。高速相机固定在机车顶部，受检测车运行振动的影响，导致图像质量不高[1]。

为提高动态检测车测量精度需安装稳定平台[2]对相机进行有效的隔振处理。稳定平台在航空航天、工业控制、军事及民用船舶中都具有比较广泛的用途，航空拍摄、机载光电火控系统、机载光电侦察装置、舰载导弹安装与发射台等[3-6]。

2总体设计

陀螺稳定平台根据可稳定轴的数量可分为单轴、双轴和三轴。完全隔离载体的振动须采用三轴的陀螺稳定平台或采用两轴四环的稳定平台[7]。

根据列车运行时安装产生的振动及体积和机动性要求，选择外装式环架结构三轴稳定平台以稳定顶部的CCD相机。外装式环架结构三轴稳定平台负载框架由方位、俯仰、横滚三环的环架结构构成，每个负载框架均由轴承、电机、旋转变压器以及负载平台上的陀螺仪和光电跟踪设备构成。用角加速度传感器测量三个轴姿态变化情况并反馈给力矩电机指导其运转，通过轴的转动达到稳定负载平台的相对稳定。

伺服控制部分主要接受图像处理计算机、主控计算机、陀螺仪、跟踪设备、旋转变压器的指令、状态和误差信号，然后综合处理，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，从而实现光电跟踪设备视轴的稳定和对目标的准确跟踪[8]。稳定平台的系统连接关系如图1。

3稳定平台设计

3.1平台结构

稳定平台由方位、俯仰、横滚三大轴系以及其相应速度陀螺仪构成。负载框架环架由内向外依次为方位环、俯仰环、横滚环如图2。

3.2机械谐振分析

稳定平台工作时执行电机驱动轴转动产生振动。若外界振动频率接近系统频率时，将会产生机械谐振，对机械系统的影响非常大，甚至损坏精密的光电测量设备和耦合轴系。根据机械装置的结构、尺寸、材料以及受力情况将在使执行轴转角和负载转角之间产生一个二阶振荡环节的机械谐振。根据推算，平台谐振频率由结构刚度、弹性系数和负载的转动惯量决定，提高系统的弹性系数可以提高系统的谐振频率。

3.3角速度耦合关系和环架信号分配

简单的安装陀螺仪方式并不能使稳定平台正常工作，必须在方位坐标分解器和俯仰正割分解器中对信号进行合理分配才能让系统正常工作。根据坐标变换和哥氏定理各环的角速度为式1。

（1）

其中 为环架系统几何关系阵，平台系统通过该矩阵将环架角速度传递给台体， 为基座角运动的几何约束耦合矩阵，平台系统通过该矩阵将基座角速度传递给台体， ， 基座角速度。三轴平台信息处理流程如图3。

初始角速度为ω，陀螺组件KG，环架及电机组件W，则T2实现了环架驱动信号的分配，T1将环架信号转换到方位环上，要获得驱动环架的合适驱动信号，就是要确定出T2。

平台设计中取 ，为保证平台准确跟踪角速度， 。依平台处理流程，经过环架驱动信号分配矩阵处理后的信号为：

（2）

实际的平台系统中，俯仰正割分解器采用计算电路实现，kSR为电路的传递系数，kACR=k1k2为方位坐标分解器的变换系数。则陀螺输出信号经分配后输入伺服网络的信号为：

（3）

4控制系统

4.1控制系统的力矩刚度

平台力矩刚度是指伺服控制系统抵抗外界干扰力矩的能力。因此在设计中应该尽量提高系统力矩刚度，而控制回路的参数对力矩刚度的大小起到了决定性作用。由于陀螺频带远比稳定平台的频带宽，所以可以不考虑陀螺的过渡过程。平台力矩刚度响应频率为惯性力矩刚度和伺服系统力矩刚度之矢量和。伺服系统力矩刚度越大，系統的力矩刚度就越大，惯性力矩刚度则相反。

当角速度为零时，力矩刚度为静态力矩刚度，其值越大将有效降低基座作角振荡时对平台的干扰。

4.2双速度环稳定回路

稳定平台控制系统的设计中，常采用单速度环控制的方法。但是在接触网检测车运行的过程中，稳定平台受到机械摩擦、轴间力矩耦合以及陀螺仪传感器自身的漂移和噪声的影响较大，要得到较好的稳定效果，采用了具有更高抗干扰性和鲁棒性的双速度环控制系统[9]。

双速度环控制方式将抗摩擦力矩干扰功能和隔离载体扰动功能分开以提高控制系统的抗干扰性和鲁棒性[10]，由速度内环和速度外环组成，数学模型如图4。速度内环抑制稳定平台轴系间摩擦力矩的影响，用测速机或光栅、角编码器等同轴测量装置测量轴系转动速率作为速率反馈；速度外环抑制列车扰动角速度的影响，用速率陀螺测量平台惯性空间内扰动速率作为速率反馈。内外环均有自己的校正函数，系统采用的是串级校正方法[11]，也叫做双内环串级控制法。

ωb为载体运动给稳定平台带来的扰动角速度，将轴系摩擦力矩给电机转速带来的影响等效为一种扰动力矩ud[10]。ωin为稳定回路的输入指令角速度，ωout为平台框架角速度，Ka/d为陀螺信号A/D转换环节等效增益；Kf为滤波环节等效增益；Kg为陀螺自身比例因子的等效增益；Kc为光栅角度差分环节等效增益；Kpwm为PWM功放电路等效增益。ωout的变化取决于ωin和ωb、ud以及伺服回路传递函数，稳定环等效传递函数如式5。

从上式可以看出，ωb的抑制只由稳定环的校正函数G1（S）完成，不受系统特性参数变化的影响。由于稳定平台特性参数变化对稳定精度不产生影响，使系统鲁棒性较传统的单速度环系统有所增强。同时，轴系摩擦力矩的克服和对载体扰动的隔离可以实现分层设计，分别由内环校正环节G2（S）和外环校正环节G1（S）进行调节，两者不存在互相牵制，系统的抗干扰性能更强，可以更好地提高稳定精度。

5结论

陀螺稳定平台在惯性导航领域的应用已久，但在接触网动态检测中应用较少。基于有效隔离检测车振动对CCD相机的影响，对三轴稳定平台的结构和控制系统进行了设计：

（1）稳定平台的应用将减轻检测车运行振动对CCD相机拍照的影响，对于测量精度的提高发挥了重要作用。

（2）稳定平台在接触网动态检测中的结合，扩大了稳定平台的应用领域。

参考文献：

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[11]李志俊，包启亮，毛耀，唐涛，陈兴龙.惯性平台稳定回路多闭环串级控制[J].光电工程，2010，05：19-24.

作者简介：

戴星（1982-），女，重庆人，副教授，主要从事传感器设计及应用、机械设计与制造，检测技术与自动化装备研究

汤世友（1972.02-），男，汉族，四川安岳人，讲师工程师，本科，主要从事主要从事检测技术与自动化装备研究。

*基金项目：《基于紫外光诱导荧光技术的溢油无线监测系统》，绵阳职业技术学院院级科研项目，ZRYJ151