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专利号: 2016101988629
申请人: 山东理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2023-10-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种直升机载激光雷达平台三维姿态角复杂振动实时补偿装置,其特征在于包括直升机载平台(1)、高频激光脉冲测距仪(2)、一维扫描摆动振镜系统(3)、三维高精度陀螺仪(4)、三维姿态角振动补偿装置(5)、被测地形(6);在所述三维姿态角振动补偿装置(5)上,安装了一面大尺寸反射镜(501);所述高频激光脉冲测距仪(2)、一维扫描摆动振镜系统(3)、三维高精度陀螺仪(4)和三维姿态角振动补偿装置(5)均固定安装在所述直升机载平台(1)上;由所述高频激光脉冲测距仪(2)发出的激光脉冲,经所述一维扫描摆动振镜系统(3)反射后射向所述三维姿态角振动补偿装置(5),经所述三维姿态角振动补偿装置(5)上的所述大尺寸反射镜(501)反射后照向所述被测地形(6);由所述三维高精度陀螺仪(4)获得所述直升机载平台(1)的实时三维姿态角振动信息,提供给所述三维姿态角振动补偿装置(5)的控制器,使所述三维姿态角振动补偿装置(5)上的所述大尺寸反射镜(501)在所述直升机载平台(1)的三轴方向上做与姿态角振动角度相关的反向转动;在所述直升机载平台(1)的滚动角和俯仰角转动方向上,所述三维姿态角振动补偿装置(5)上的所述大尺寸反射镜(501)的转动状态为反向旋转所述直升机载平台(1)的滚动角和俯仰角振动值的一半;

而在所述直升机载平台(1)的偏航角方向上,所述三维姿态角振动补偿装置(5)上的所述大尺寸反射镜(501)的转动状态为实时反向旋转所述直升机载平台(1)的偏航角振动值相同角度,从而可实时高精度的补偿掉所述直升机载平台(1)三维姿态角振动,使所述高频激光脉冲测距仪(2)发出的经所述一维扫描摆动振镜系统(3)反射后的激光扫描分布完全免受所述直升机载平台(1)的三维姿态角振动的不利影响。

2.按照权利要求1所述的一种直升机载激光雷达平台三维姿态角复杂振动实时补偿装置,其特征在于所述大尺寸反射镜(501)的长宽为100mm×100mm,采用大尺寸激光反射镜面可有效获取地面反射的激光回波,有利于直升机载激光雷达的远距离探测;所述大尺寸反射镜(501)的镜面支撑杆(502)由四根组成,采用钛合金材料制造,质量轻强度高,两两垂直均匀分布在一个平面内,并与小半球体(530)切平面紧固焊接;所述小半球体(530)是高度略低于球半径的半球体,其采用不锈钢制成,支撑凹球面立柱(522)采用磁性钢做成,可将所述小半球体(530)的球面紧紧吸住,因此所述小半球体(530)的球表面和所述支撑凹球面立柱(522)的支撑凹球面立柱相互配合,形成滑动球面接触,并且在强磁吸力的作用下,结合紧密不易分离,之间没有缝隙,可灵活的绕x和y轴自由转动,因此其运动结构相当于一个磁性球面万向轴承;所述大尺寸反射镜(501)的中心点(529)与所述小半球体(530)的球心位置始终重合,因此当所述小半球体(530)和所述支撑凹球面立柱(522)组成的磁性球面万向轴承绕x和y轴转动时,所述大尺寸反射镜(501)的所述中心点(529)的空间位置相对于机载平台始终保持不变。

3.按照权利要求2所述的一种直升机载激光雷达平台三维姿态角复杂振动实时补偿装置,其特征在于所述镜面支撑杆(502)的四个端部各安装了万向连杆轴承(503);所述大尺寸反射镜(501)绕x轴的转动是由x轴直动电机(524)通过x轴驱动连杆2(525)驱动,由x轴光栅尺位移测量传感器(523)测出所述x轴直动电机(524)的实际位移,通过计算可获得所述大尺寸反射镜(501)绕x轴的实际转角;在与安装所述x轴直动电机(524)支撑杆相对方向的支撑杆上,安装了x轴弹性恢复弹簧(505)和x轴阻尼器(506),与x轴驱动连杆1(504)相连,并通过x轴单轴连杆轴(507)与所述大尺寸反射镜(501)相连接,其目的是获得x轴控制系统的最优固有频率和阻尼比,改善所述大尺寸反射镜(501)绕x轴的动态转动特性;同样,所述大尺寸反射镜(501)绕y轴的转动是由y轴直动电机(527)通过y轴驱动连杆2(528)驱动,由y轴光栅尺位移测量传感器(526)测出所述y轴直动电机(527)的实际位移,通过计算可获得所述大尺寸反射镜(501)绕y轴的实际转角;在与安装所述y轴直动电机(527)支撑杆相对方向的支撑杆上,安装了y轴弹性恢复弹簧(509)和y轴阻尼器(510),与y轴驱动连杆1(511)相连,并通过y轴单轴连杆轴(512)与所述大尺寸反射镜(501)相连接,其目的是获得y轴控制系统的最优固有频率和阻尼比,改善所述大尺寸反射镜(501)绕y轴的动态转动特性;x轴和y轴的直动电机和弹簧阻尼器是由驱动支撑杆(508)支撑,共由四根组成,其两两垂直,均匀分布在一个平面内,并与所述支撑凹球面立柱(522)紧固焊接。

4.按照权利要求3所述的一种直升机载激光雷达平台三维姿态角复杂振动实时补偿装置,其特征在于所述支撑凹球面立柱(522)与立柱转动轴(521)紧固连接,具有同一转动轴,在所述立柱转动轴(521)上安装有大齿轮(514),同时所述立柱转动轴(521)的端部安装了立式滚动轴承(516),所述立式滚动轴承(516)安装在轴承座(517)中;所述三维姿态角振动补偿装置(5)由姿态角振动补偿装置控制系统(513)实现控制;所述大尺寸反射镜(501)绕z轴的转动是由z轴直流力矩电机(519)驱动的,所述z轴直流力矩电机(519)首先带动小齿轮(520)转动,进而所述小齿轮(520)驱动大齿轮(514)旋转,使整个镜面系统绕z轴转动,采用z轴电容式转角测量传感器(518)测量所述z轴直流力矩电机(519)的实时转角,实现所述大尺寸反射镜(501)绕z轴转动的闭环控制;所述姿态角振动补偿装置控制系统(513)、z轴电容式转角测量传感器(518)和轴承座(517)均固定安装在安装底板(515)上;所述安装底板(515)在四个垂直侧面上可实现扩展,形成一个箱体,将整个系统包围起来,从而起保护、支撑和防尘作用。

5.按照权利要求4所述的一种直升机载激光雷达平台三维姿态角复杂振动实时补偿装置,其特征在于所述姿态角振动补偿装置控制系统(513)的硬件部分是基于ARM控制器进行控制实现;通过串口1获得所述三维高精度陀螺仪(4)采集的直升机三维姿态角振动数据,作为三个姿态角振动补偿控制的理想输入值,采用前馈+反馈的复合控制方式以及模糊PID控制策略,对所述大尺寸反射镜(501)的三轴转角进行控制;由D/A输出口1控制所述x轴直动电机(524)运动,由所述x轴光栅尺位移测量传感器(523)获得所述x轴直动电机(524)的实时位移,通过串口2返回ARM控制器,通过计算可获得所述大尺寸反射镜(501)绕x轴的实时转角,形成闭环反馈控制,使所述大尺寸反射镜(501)绕x轴逆向转动直升机载荷平台的滚动角实时振动值的一半,从而完全补偿直升机载荷平台在滚动角方向上对激光雷达测量点云的不利影响;由D/A输出口2控制所述y轴直动电机(527)运动,由所述y轴光栅尺位移测量传感器(526)获得所述y轴直动电机(527)的实时位移,通过串口3返回ARM控制器,通过计算获得所述大尺寸反射镜(501)绕y轴的实时转角,形成闭环反馈控制,使所述大尺寸反射镜(501)逆向转动直升机载荷平台的俯仰角实时振动值的一半,从而可完全补偿直升机载荷平台在俯仰角方向上对激光雷达测量点云的不利影响;由D/A输出口3控制所述z轴直流力矩电机(519)转动,由所述z轴电容式转角测量传感器(518)获得所述z轴直流力矩电机(519)的实时转角,通过串口4返回ARM控制器,通过闭环反馈控制,使所述大尺寸反射镜(501)逆向转动直升机载荷平台的偏航角实时振动值的相同值,从而可完全补偿直升机载荷平台在偏航角方向上对激光雷达测量点云的不利影响。