謝克峰，張 合，李豪杰，姚宗辰

（南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，南京 210094）

水面小尺度漂浮平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

謝克峰，張 合，李豪杰，姚宗辰

（南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，南京 210094）

針對(duì)水面便攜、易投放的小尺度漂浮平臺(tái)的需求，設(shè)計(jì)了一種基于漂浮系統(tǒng)和穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的水面小尺度漂浮平臺(tái)，詳細(xì)分析了水面小尺度漂浮平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)和工作原理，設(shè)計(jì)了二自由度的并聯(lián)穩(wěn)定機(jī)構(gòu)和基于慣性測(cè)量單元的位姿測(cè)量系統(tǒng)，建立了基于滑模變結(jié)構(gòu)原理的控制系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，完成了實(shí)驗(yàn)室搖擺臺(tái)實(shí)驗(yàn)和水池?fù)u擺實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，小尺度漂浮平臺(tái)能夠提供±0.2°的穩(wěn)定基座；水池?fù)u擺實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，小尺度漂浮平臺(tái)能夠提供±0.8°的穩(wěn)定基座；負(fù)載系統(tǒng)能夠有效地探測(cè)目標(biāo)。研究結(jié)果可為水面小尺度漂浮平臺(tái)的改進(jìn)提供基礎(chǔ)。

小尺度漂浮平臺(tái)；穩(wěn)定機(jī)構(gòu)；滑?？刂?；位姿測(cè)量

水面小尺度平臺(tái)是指漂浮在水面上的具有一定承載能力的米級(jí)平臺(tái)。對(duì)于安裝在水面平臺(tái)上的各種負(fù)載設(shè)備，如何確保其穩(wěn)定、可靠的工作，即保障設(shè)備不受外界波浪干擾是水面平臺(tái)的重要性能指標(biāo)之一。為了消除波浪運(yùn)動(dòng)對(duì)負(fù)載系統(tǒng)（如激光雷達(dá)）造成的影響，通常需要在水面平臺(tái)上安裝穩(wěn)定機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)基座穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行可靠、高精度的探測(cè)與搜索。水面平臺(tái)要實(shí)現(xiàn)基座穩(wěn)定，就必須實(shí)時(shí)的獲取平臺(tái)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)信息，并根據(jù)這些信息動(dòng)態(tài)調(diào)整基座狀態(tài)[1]。

目前常見的水面平臺(tái)研究主要集中在水面艦艇、風(fēng)電設(shè)備等[2-3]，石油鉆井平臺(tái)、風(fēng)電設(shè)備這些大尺度資源開采平臺(tái)平衡穩(wěn)定性都較好，但是大多具有根基，尺寸較大，控制起來相對(duì)復(fù)雜，機(jī)動(dòng)性和靈活性比較差。海上無人艦艇裝備有先進(jìn)的控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等，能夠進(jìn)行海洋偵察和反潛作戰(zhàn)，但是其一般都活動(dòng)在近海海域，整體系統(tǒng)比較復(fù)雜。針對(duì)水面小尺度平臺(tái)的研究較少出現(xiàn)，其中Gui Fukun[4]對(duì)水面小型浮動(dòng)養(yǎng)殖網(wǎng)箱動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了建模分析，Liu Fushun[5]對(duì)具有非零初始條件的海面平臺(tái)進(jìn)行了頻域內(nèi)的動(dòng)力學(xué)分析。

本文針對(duì)一種水面便攜、易投放的小尺度漂浮平臺(tái)開展了研究，分析了水面小尺度漂浮平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，設(shè)計(jì)了穩(wěn)定機(jī)構(gòu)、位姿測(cè)量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

1 水面小尺度漂浮平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)

水面小尺度漂浮平臺(tái)采用立柱式方案。平臺(tái)由浮囊系統(tǒng)（充氣浮囊、彈性連接件）、主體系統(tǒng)（系統(tǒng)電源、航行電機(jī)、配重等）、穩(wěn)定機(jī)構(gòu)（驅(qū)動(dòng)電機(jī)、支桿機(jī)構(gòu)、減速器）、負(fù)載系統(tǒng)（探測(cè)系統(tǒng)，搜索系統(tǒng)）、位姿測(cè)量系統(tǒng)和姿態(tài)控制與處理單元組成。水面小尺度漂浮平臺(tái)組成示意圖如圖1所示。

圖1 水面小尺度漂浮平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of offshore small floating platform

小尺度平臺(tái)在海面上自由漂浮，若將探測(cè)和搜索系統(tǒng)直接安裝在小尺度漂浮平臺(tái)的主體系統(tǒng)上，負(fù)載系統(tǒng)就必須隨著小尺度漂浮平臺(tái)的搖擺實(shí)時(shí)修正基座坐標(biāo)系，從而增加系統(tǒng)準(zhǔn)確探測(cè)的難度，降低打擊精度。同時(shí)穩(wěn)定的負(fù)載系統(tǒng)基座有利于探測(cè)與搜索系統(tǒng)獲取高質(zhì)量的外界目標(biāo)信息，進(jìn)而有利于減小算法的處理難度和時(shí)間。因此將負(fù)載系統(tǒng)安裝在可抑制海浪搖擺運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)上可大大提高負(fù)載系統(tǒng)的工作性能。

2 水面小尺度漂浮平臺(tái)工作原理

水面小尺度漂浮平臺(tái)工作原理如圖2所示。 平臺(tái)被發(fā)射后，在空中或者水下經(jīng)過一定時(shí)間飛行，到達(dá)水面后浮囊張開，通過彈性連接件與主體系統(tǒng)連接，提供一定的浮力和回復(fù)力，支撐主體系統(tǒng)漂浮在水面上，從而形成水面小尺度漂浮平臺(tái)。在海浪的擾動(dòng)下，主體系統(tǒng)和浮囊系統(tǒng)均產(chǎn)生一定的搖擺，引起負(fù)載系統(tǒng)基座的水平角度不斷變化。位姿測(cè)量系統(tǒng)通過慣性測(cè)量單元測(cè)量負(fù)載系統(tǒng)基座和主體系統(tǒng)的兩軸搖擺角度和角速度，基于誤差補(bǔ)償原理和四元數(shù)算法，采用Klaman融合算法估計(jì)負(fù)載系統(tǒng)基座當(dāng)前的擺動(dòng)姿態(tài)角。姿態(tài)控制與處理單元利用所估計(jì)的姿態(tài)角、角速度與系統(tǒng)的目標(biāo)指令進(jìn)行比較，通過變結(jié)構(gòu)滑?？刂扑惴ǐ@取電機(jī)控制量，傳輸?shù)椒€(wěn)定機(jī)構(gòu)。穩(wěn)定機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)將數(shù)字控制量轉(zhuǎn)化為機(jī)械位移，通過減速器和支桿機(jī)構(gòu)調(diào)整負(fù)載系統(tǒng)基座的姿態(tài)。負(fù)載系統(tǒng)基座姿態(tài)的改變由位姿測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋到姿態(tài)控制與處理單元，完成系統(tǒng)的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)水面小尺度漂浮平臺(tái)的目標(biāo)姿態(tài)控制指令。

圖2 水面小尺度漂浮平臺(tái)工作原理框圖Fig.2 Principle of offshore small floating platform

3 小尺度平臺(tái)的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

小尺度平臺(tái)系統(tǒng)通過抑制海洋波浪運(yùn)動(dòng)對(duì)負(fù)載系統(tǒng)基座形成的擾動(dòng)，控制負(fù)載系統(tǒng)基座在不同海洋波浪環(huán)境中保持穩(wěn)定的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載系統(tǒng)的準(zhǔn)確定位與目標(biāo)識(shí)別。

在復(fù)雜的海浪環(huán)境下運(yùn)動(dòng)時(shí)，小尺度漂浮平臺(tái)可能產(chǎn)生繞x、y、z三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)和沿x、y、z三個(gè)方向的移動(dòng)[6]。因此，要完全補(bǔ)償負(fù)載系統(tǒng)基座的運(yùn)動(dòng)，需要6自由度的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)。但是，對(duì)于小尺度漂浮平臺(tái)的負(fù)載系統(tǒng)而言，其探測(cè)距離一般在 5～10 km，小尺度漂浮平臺(tái)橫搖和縱搖的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度一般不大于10 (°)/s，假設(shè)探測(cè)系統(tǒng)距離探測(cè)目標(biāo)為5 km，則目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)的線速度可以達(dá)到872 m/s，這會(huì)對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和快速性產(chǎn)生巨大影響。而小尺度漂浮平臺(tái)在海平面上的移動(dòng)速度一般在幾米每秒，同時(shí)z軸的平動(dòng)位移在±0.5 m內(nèi)，因此x、y、z三個(gè)方向的平動(dòng)位移對(duì)于探測(cè)系統(tǒng)的影響可以忽略。應(yīng)用較多的三自由穩(wěn)定機(jī)構(gòu)[7]能夠?qū)崟r(shí)補(bǔ)償負(fù)載系統(tǒng)在三個(gè)方向的姿態(tài)變化。但是，對(duì)于小尺度平臺(tái)，其尺寸空間有一定的限制，自由度數(shù)量的增加會(huì)引起機(jī)構(gòu)復(fù)雜且龐大，同時(shí)也會(huì)引起控制系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量急劇增加，嚴(yán)重影響了控制器的處理速度。在保證一定探測(cè)精度范圍時(shí)，補(bǔ)償小尺度漂浮平臺(tái)橫搖和縱搖的兩轉(zhuǎn)動(dòng)自由度是必要的。忽略回轉(zhuǎn)自由度的影響，回轉(zhuǎn)方向的角位移變化可以通過負(fù)載火力系統(tǒng)的隨動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。

因此，本文在保證探測(cè)系統(tǒng)精度的情況下，考慮空間限制和數(shù)據(jù)處理的速度，同時(shí)減小穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，采用二自由度（橫搖、縱搖）穩(wěn)定機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)負(fù)載系統(tǒng)基座的穩(wěn)定。常用二自由度穩(wěn)定機(jī)構(gòu)包括并聯(lián)式推桿結(jié)構(gòu) T-RPT-SPS、2-HUS/U和串聯(lián)結(jié)構(gòu)[8-10]等多種形式。由于小尺度漂浮平臺(tái)的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)主要安裝負(fù)載系統(tǒng)，要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，負(fù)載能力強(qiáng)，而2-HUS/U機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、空間緊湊，采用滾珠絲桿機(jī)構(gòu)，負(fù)載能力強(qiáng)。因此文中采用2-HUS/U結(jié)構(gòu)形式。穩(wěn)定機(jī)構(gòu)包括負(fù)載系統(tǒng)基座、支桿機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、齒輪箱和固定架構(gòu)成。固定架將穩(wěn)定機(jī)構(gòu)固定在主體系統(tǒng)上，同時(shí)支撐各傳動(dòng)部分。負(fù)載系統(tǒng)基座連接負(fù)載系統(tǒng)，是穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的輸出平臺(tái)，為負(fù)載系統(tǒng)提供穩(wěn)定的探測(cè)與搜索基座。支桿機(jī)構(gòu)由支撐桿和滾珠絲桿組成，滾珠絲桿轉(zhuǎn)軸由對(duì)應(yīng)的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過支桿即可實(shí)現(xiàn)負(fù)載系統(tǒng)基座在橫搖和縱搖兩個(gè)自由度方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)。

根據(jù)小尺度漂浮平臺(tái)的功能要求，穩(wěn)定平臺(tái)應(yīng)具有以下功能：1）抑制波浪產(chǎn)生的擾動(dòng)，保持安裝在穩(wěn)定機(jī)構(gòu)基座上的負(fù)載系統(tǒng)穩(wěn)定；2）根據(jù)不同海域波浪的波高特性，穩(wěn)定機(jī)構(gòu)具有一定角度的調(diào)節(jié)范圍；3）根據(jù)不同海域波浪的頻率特性，穩(wěn)定機(jī)構(gòu)具有一定頻率的調(diào)節(jié)速度。

4 小尺度平臺(tái)的位姿測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

小尺度漂浮平臺(tái)的位姿測(cè)量系統(tǒng)由一組加速度計(jì)、陀螺儀和磁強(qiáng)計(jì)組成，該組合測(cè)姿系統(tǒng)具有重量輕、體積小等特點(diǎn)。該系統(tǒng)可以輸出被測(cè)平臺(tái)的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)角度、角速度和角加速度等信息。系統(tǒng)采用DSP控制器和 Klaman融合算法，融合多個(gè)傳感器的原始測(cè)量數(shù)據(jù)，保證在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)環(huán)境中均能獲得最佳的性能。

位姿測(cè)量系統(tǒng)由初始對(duì)準(zhǔn)算法、信號(hào)修正、姿態(tài)更新、姿態(tài)角估計(jì)等組成。陀螺儀與加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)的信號(hào)之間具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性[11]。先采用陀螺儀信號(hào)進(jìn)行基礎(chǔ)解算，再利用加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)的實(shí)時(shí)解算信號(hào)修正陀螺儀的累積積分誤差，通過自適應(yīng)卡爾曼濾波算法，實(shí)現(xiàn)信息融合，最終獲得高精度的角度、角速度和角加速度信息的估計(jì)值。

位姿測(cè)量系統(tǒng)分別安裝在負(fù)載系統(tǒng)基座和主體系統(tǒng)上。安裝在負(fù)載系統(tǒng)基座上的位姿測(cè)量系統(tǒng)主要測(cè)量基座的擺動(dòng)角度，作為控制系統(tǒng)的重要反饋，完成系統(tǒng)的閉環(huán)控制。安裝在主體系統(tǒng)上的位姿測(cè)量系統(tǒng)主要測(cè)量主體系統(tǒng)的擺動(dòng)角速度。作為水面無根平臺(tái)，在穩(wěn)定機(jī)構(gòu)調(diào)平的過程中，負(fù)載系統(tǒng)基座達(dá)到目標(biāo)姿態(tài)，而主體系統(tǒng)由于受到調(diào)平過程中的反作用力，處于不斷擺動(dòng)的狀態(tài)。因此，穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的目標(biāo)并不是單純追求負(fù)載系統(tǒng)基座的最大穩(wěn)定精度，而必須融合主體系統(tǒng)的擺動(dòng)信息，在提高穩(wěn)定精度的同時(shí)，保證主體系統(tǒng)處于一種穩(wěn)定的可接受的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

5 小尺度平臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水面小尺度平臺(tái)的控制系統(tǒng)除了解決運(yùn)動(dòng)控制中常見的機(jī)械諧振、電機(jī)死區(qū)、電氣參數(shù)波動(dòng)等問題外[12]，海浪波動(dòng)引起的抖振、漂浮系統(tǒng)基座的運(yùn)動(dòng)等都會(huì)在信號(hào)傳輸、測(cè)量和轉(zhuǎn)換的過程中引入大量噪聲，降低控制系統(tǒng)的精度和分辨率。同時(shí)，負(fù)載系統(tǒng)探測(cè)和搜索目標(biāo)的響應(yīng)時(shí)間較短，因此要求控制系統(tǒng)具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高質(zhì)量的穩(wěn)定精度和對(duì)環(huán)境參數(shù)變化的自適應(yīng)能力，常規(guī)的PID算法很難達(dá)到理想的控制效果。

變結(jié)構(gòu)滑?？刂剖且环N特殊的非線性反饋控制系統(tǒng)，是解決有界不可測(cè)擾動(dòng)、系統(tǒng)變參數(shù)和模型不確定問題的有效方法。由于滑動(dòng)模態(tài)可以進(jìn)行設(shè)計(jì)且與環(huán)境參數(shù)和擾動(dòng)無關(guān)，使得滑模變結(jié)構(gòu)控制具有快速響應(yīng)、對(duì)參數(shù)變化不敏感等優(yōu)點(diǎn)。將其應(yīng)用到水面小尺度平臺(tái)系統(tǒng)中可以解決系統(tǒng)控制快速性和高精度之間的矛盾，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性[13]?；诨Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制的位姿閉環(huán)控制框圖如圖3所示。

圖3中，VSC為滑模變結(jié)構(gòu)控制器，d為海浪擾動(dòng)角，0θ為負(fù)載系統(tǒng)基座的目標(biāo)位置，pθ為負(fù)載系統(tǒng)基座的實(shí)時(shí)位置。

圖3 位姿閉環(huán)控制框圖Fig.3 Block diagram of closed-loop pose control

5.1 滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)

滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本思想就是強(qiáng)迫系統(tǒng)的狀態(tài)變量達(dá)到并沿著一條預(yù)先規(guī)定的相軌跡變化，達(dá)到系統(tǒng)平衡位置。定義系統(tǒng)的狀態(tài)變量x1和x2為

設(shè)計(jì)控制器使?fàn)顟B(tài)變量x1和x2趨于0，選取一階滑模面：

穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程經(jīng)過變換后可以表示為

則將式(3)帶入滑模面的微分方程：

以下利用李雅普諾夫理論[14]來計(jì)算控制律，取李雅普諾夫函數(shù)為則：

基于式(5)，設(shè)計(jì)控制律為

由于機(jī)械結(jié)構(gòu)和電機(jī)響應(yīng)在時(shí)間和空間上的滯后，滑動(dòng)模態(tài)會(huì)伴隨一定的抖振。為了削弱抖振，采用飽和函數(shù)sat(s)代替理想函數(shù)sgn(s)的準(zhǔn)滑模動(dòng)態(tài)控制，飽和函數(shù)sat(s)定義為

其中N稱為“邊界層”厚度。則相應(yīng)的控制律轉(zhuǎn)化為

5.2 穩(wěn)定性的分析

滑模運(yùn)動(dòng)過程中分為趨近模態(tài)和滑動(dòng)模態(tài)，因此只要滿足趨近階段，進(jìn)入滑動(dòng)模態(tài)后保持穩(wěn)定，則可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。

將控制律(8)帶入李雅普諾夫函數(shù)(5)得：

在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，只要Γ取得足夠大，可以保證VSC趨近模態(tài)達(dá)到條件V˙＜0，即能保證系統(tǒng)進(jìn)入滑動(dòng)模態(tài)。在滑模面內(nèi)，若s=0，則系統(tǒng)滿足全局漸進(jìn)穩(wěn)定。結(jié)合滑模面方程(2)，得：

進(jìn)一步得：

式中，c0為常數(shù)。t趨于無窮時(shí)，x1趨近于 0，小尺度平臺(tái)負(fù)載系統(tǒng)基座的實(shí)際位姿無限趨近于目標(biāo)位姿，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定。其快速性和魯棒性主要由滑模面參數(shù)c決定，受外界的擾動(dòng)和參數(shù)影響較小，因此系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

6 原理樣機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

按照以上設(shè)計(jì)，研制了水面小尺度漂浮平臺(tái)原理樣機(jī)。已研制的水面小尺度漂浮平臺(tái)原理樣機(jī)具有2個(gè)穩(wěn)定自由度，由2個(gè)并聯(lián)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在負(fù)載系統(tǒng)基座和固定架軸向位置上安裝位姿測(cè)量系統(tǒng)。平臺(tái)目標(biāo)位姿設(shè)置為 0°，即基座保持水平穩(wěn)定。該平臺(tái)主要用于實(shí)現(xiàn)兩軸的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)平，采用文中設(shè)計(jì)的位姿閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，各構(gòu)件的估計(jì)參數(shù)由三維建模軟件獲得。

對(duì)原理樣機(jī)分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室搖擺臺(tái)實(shí)驗(yàn)和水面搖擺實(shí)驗(yàn)。水面搖擺實(shí)驗(yàn)在6 m×6 m×3 m實(shí)驗(yàn)水池中進(jìn)行，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)室搖擺臺(tái)實(shí)驗(yàn)在單軸搖擺架上進(jìn)行，為了測(cè)試兩軸調(diào)平穩(wěn)定的效果，在安裝小尺度平臺(tái)時(shí)，將穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸對(duì)準(zhǔn)穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的兩個(gè)調(diào)平軸的角平分線方向，通過搖擺臺(tái)人工輸入一定頻率和幅度的搖擺搖動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。探測(cè)設(shè)備采用紅外探測(cè)，被探測(cè)目標(biāo)距離小尺度平臺(tái) 200 m，人工輸入擾動(dòng)模擬由海浪引起的小尺度平臺(tái)擺動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖5為小尺度漂浮平臺(tái)的搖擺臺(tái)運(yùn)動(dòng)曲線，從圖中可以看出，x軸和y軸輸入擾動(dòng)曲線的搖擺角度為4°和6°，頻率為0.12 Hz，經(jīng)過穩(wěn)定機(jī)構(gòu)后，負(fù)載系統(tǒng)基座的穩(wěn)態(tài)精度為±0.2°，有效抑制了輸入擾動(dòng)；圖6為小尺度漂浮平臺(tái)的水面運(yùn)動(dòng)曲線，從圖中可以看出，x軸和y軸輸入擾動(dòng)曲線的搖擺角度分別為8°和6°，頻率為0.4 Hz，經(jīng)過浮囊系統(tǒng)和穩(wěn)定機(jī)構(gòu)后，負(fù)載系統(tǒng)基座的穩(wěn)態(tài)搖擺角度為±0.8°，在一定程度上抑制了輸入搖動(dòng)，但是與搖擺臺(tái)實(shí)驗(yàn)相比，小尺度平臺(tái)的水面穩(wěn)態(tài)搖擺角度增大，原因是小尺度漂浮平臺(tái)在水面上漂浮時(shí)，屬于無根系統(tǒng)，其穩(wěn)定過程要更加復(fù)雜，同時(shí)其各項(xiàng)參數(shù)真實(shí)值的獲取也更加困難。因此，同一套控制系統(tǒng)，在水面實(shí)驗(yàn)的精度要比在實(shí)驗(yàn)室搖擺臺(tái)上低。同時(shí)，在穩(wěn)定搖擺角度為0.8°的基座上，負(fù)載系統(tǒng)紅外探測(cè)系統(tǒng)能夠有效探測(cè)到200 m處的目標(biāo)，滿足系統(tǒng)的探測(cè)需求。

圖4 小尺度漂浮平臺(tái)水面測(cè)試實(shí)驗(yàn)Fig.4 Water surface test experiment of small floating platform

圖5 小尺度漂浮平臺(tái)的搖擺臺(tái)運(yùn)動(dòng)曲線Fig.5 Motion curves of small floating platform on sway platform

圖6 小尺度漂浮平臺(tái)水面運(yùn)動(dòng)曲線Fig.6 Motion curves of small floating platform on water surface

7 結(jié) 論

基于便攜、易投放的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了可有效隔離海面波動(dòng)和提供穩(wěn)定基座的水面小尺度漂浮平臺(tái)，詳細(xì)分析了小尺度漂浮平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理。通過分析海浪對(duì)負(fù)載設(shè)備探測(cè)精度的影響，基于2-HUS/U結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了并聯(lián)穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，綜合慣性測(cè)量單元和Klaman融合算法設(shè)計(jì)了位姿測(cè)量系統(tǒng)，根據(jù)穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程設(shè)計(jì)了滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，為驗(yàn)證小尺度漂浮平臺(tái)的基座穩(wěn)定性，開展了實(shí)驗(yàn)室搖擺臺(tái)和水面調(diào)平實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在搖擺臺(tái)上，小尺度漂浮平臺(tái)能夠提供±0.2°的穩(wěn)定基座，在水池中能夠提供±0.8°的穩(wěn)定基座，同時(shí)負(fù)載系統(tǒng)能夠有效地探測(cè)目標(biāo)。研究結(jié)果可為水面小尺度漂浮平臺(tái)的改進(jìn)提供參考。

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Design and experiment of offshore small floating platform

XIE Ke-feng, ZHANG He, LI Hao-jie, YAO Zong-chen
(Ministerial Key Laboratory of Zhi Neng Dan Yao, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

An offshore small floating platform based on floating system and stabilizing mechanism was designed which is offshore portable and easily thrown. Its overall structure and principle were analyzed,and a 2-D parallel stabilizing mechanism and an IMU-based pose measurement system were designed. The control system with sliding mode variable structure was set up. Based on these, the swing platform experiment and offshore swing experiment were carried out. Experiment results show that the small floating platform can provide a stable base with ±0.2° precision, the small floating platform can provide a stable base with ±0.8° precision, and the load system can effectively detect the target. The study results provide a basis for the improvement of the offshore small floating platform.

small floating platform; stabilizing mechanism; sliding mode control; position and attitude measurement

TJ67；TH122

A

1005-6734(2016)05-0595-05

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2016.05.007

2016-06-12；

2016-09-13

國(guó)家自然科學(xué)基金（51475243）；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃（KYLX15-0340）

謝克峰（1988—），男，博士研究生，從事水面小尺度漂浮平臺(tái)姿態(tài)穩(wěn)定控制研究。E-mail: xiekefeng.ok@163.com

聯(lián) 系 人：張合（1957—），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail: hezhangz@mail.njust.edu.cn