本發(fā)明涉及自動化和儀器儀表技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種微小型慣性穩(wěn)定平臺實驗教學(xué)儀器。

背景技術(shù)：

我國正在大力推行“創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展”的戰(zhàn)略，而創(chuàng)新的主體是人才，所以人才培養(yǎng)是實現(xiàn)這一戰(zhàn)略的關(guān)鍵保障。目前科技普及和創(chuàng)新教育在全國廣泛開展，各大中專院校及中小學(xué)十分重視學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)，但總體上表現(xiàn)出缺乏先進的教學(xué)設(shè)備，大學(xué)往往以科研儀器代替，學(xué)生受益面較小，中小學(xué)更是匱乏，設(shè)備層次低，功能單一，集成度低，難以滿足當(dāng)前創(chuàng)新教育的需求，嚴(yán)重制約了國家的創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的實施，因此開發(fā)用于創(chuàng)新教育的教學(xué)儀器十分必要。

以慣性技術(shù)專業(yè)教育為例，三軸轉(zhuǎn)臺、搖擺臺、離心機是常用儀器，每個功能單一，但合起來其造價達(dá)百萬元以上，過于昂貴，并不利于實踐教學(xué)，與之相對的是，創(chuàng)新教育并不需要特別高的精確度，只重視科學(xué)原理的展示，其需求是低廉的價格，多功能一體化集成，讓每個學(xué)生都能夠動手使用，達(dá)到人手一臺，獨立操作。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了有效解決上述問題，本發(fā)明提供一種微小型慣性穩(wěn)定平臺實驗教學(xué)儀器，將穩(wěn)定平臺、三軸轉(zhuǎn)臺、搖擺臺、離心機的功能集成到一起，形成了功能完善、“一機多用”的慣性技術(shù)實驗教學(xué)儀器，功能完善、操作簡單。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：一種微小型慣性穩(wěn)定平臺實驗教學(xué)儀器，所述教學(xué)儀器包括三軸速率轉(zhuǎn)臺裝置、固定在三軸速率轉(zhuǎn)臺裝置上的慣組裝置、給三軸速率轉(zhuǎn)臺裝置提供擾動信號的二維擾動基座裝置、及上位機交互裝置、可伸縮展翼。

進一步地，所述三軸速率轉(zhuǎn)臺裝置包括轉(zhuǎn)臺內(nèi)轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)臺中框、轉(zhuǎn)臺外框、轉(zhuǎn)臺基座及分別控制轉(zhuǎn)臺內(nèi)轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)臺中框、轉(zhuǎn)臺外框旋轉(zhuǎn)的三個控制電機；

所述轉(zhuǎn)臺內(nèi)轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)臺中框、轉(zhuǎn)臺外框依次連接。

進一步地，所述三軸速率轉(zhuǎn)臺裝置還包括對裝置供電的轉(zhuǎn)臺供電裝置及轉(zhuǎn)臺通信模塊，所述控制電機通過所述轉(zhuǎn)臺通信模塊連接所述上位機交互裝置。

進一步地，所述轉(zhuǎn)臺內(nèi)轉(zhuǎn)子的任意相對兩端連接所述轉(zhuǎn)臺中框，并所述轉(zhuǎn)臺內(nèi)轉(zhuǎn)子可繞兩個轉(zhuǎn)臺內(nèi)轉(zhuǎn)子連接端的軸向方向上轉(zhuǎn)動；

所述轉(zhuǎn)臺中框非連接轉(zhuǎn)臺內(nèi)轉(zhuǎn)子的兩側(cè)連接所述轉(zhuǎn)臺外框，所述轉(zhuǎn)臺中框繞兩個轉(zhuǎn)臺中框連接端的軸向方向轉(zhuǎn)動；

所述轉(zhuǎn)臺外框整體為“U”型，底部連接基座，在基座上延伸出兩個連接轉(zhuǎn)臺中框的轉(zhuǎn)臺外框固定端。

進一步地，所述慣組裝置設(shè)置在轉(zhuǎn)臺內(nèi)轉(zhuǎn)子相反于置物平臺的一側(cè)面。

進一步地，所述MEMS慣性組件包括三個MEMS陀螺儀、三個MEMS加速度計、三個MEMS磁強計及主控芯片；三個所述MEMS陀螺儀的敏感軸相互正交，三個所述MEMS加速度計的敏感軸相互正交，三個所述MEMS磁強計的敏感軸相互正交，其中三個MEMS陀螺儀、三個MEMS加速度計、三個MEMS磁強計所構(gòu)成的三圍坐標(biāo)系為同一坐標(biāo)系；

所述主控芯片通過驅(qū)動電路連接所述控制電機；

進一步地，所述二維擾動基座裝置包括擾動基座上底板、擾動基座下底板、X軸擾動裝置、Y軸擾動裝置；

所述擾動基座上底板中心處通過魚眼軸承連接所述擾動基座下底板，并在X軸方向上設(shè)置X軸擾動裝置，在Y軸方向上設(shè)置Y軸擾動裝置，所述X軸擾動裝置Y軸擾動裝置均為上端鉸接在擾動基座上底板上，下端固定在擾動基座下底板上。

進一步地，所述二維擾動基座裝置還包括對二維擾動基座裝置供電的擾動供電裝置及擾動通信裝置，所述X軸擾動裝置、Y軸擾動裝置通過擾動通信裝置連接所述上位機交互裝置。

進一步地，所述教學(xué)儀器還包括可伸縮展翼裝置；

所述可伸縮展翼裝置包括連接在轉(zhuǎn)臺外框上的基礎(chǔ)展翼、旋轉(zhuǎn)展翼組件及一個可固定加速度計的合頁端；所述合頁端通過旋轉(zhuǎn)展翼組件連接基礎(chǔ)展翼；

所述旋轉(zhuǎn)展翼數(shù)量為2-6或8個，依次連接，并尺寸自連接基礎(chǔ)展翼的一端至連接合頁端的另一端依次減??；將加速度計安裝在展翼上，通過上位機給轉(zhuǎn)臺外框輸入已知轉(zhuǎn)速，提供向心力標(biāo)定加速度計。

任意兩個相連的所述旋轉(zhuǎn)展翼通過卡槽式結(jié)構(gòu)固定連接；

任意兩個相連的所述旋轉(zhuǎn)展翼中的大尺寸旋轉(zhuǎn)展翼包括一個基礎(chǔ)翼板、及在翼板兩側(cè)延伸出的與翼板構(gòu)成凹槽結(jié)構(gòu)的限定板；

小尺寸的所述旋轉(zhuǎn)展翼的置于所述翼板及凹槽結(jié)構(gòu)構(gòu)成的空間內(nèi)。

進一步地，所述上位機交互裝置可以實現(xiàn)姿態(tài)顯示與存儲又可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺控制和擾動基座控制。

進一步地，當(dāng)速率轉(zhuǎn)臺切換到穩(wěn)定平臺模式下后，慣組解算出姿態(tài)實時傳輸給內(nèi)轉(zhuǎn)子電機、中框電機、外框電機進行姿態(tài)穩(wěn)定控制，實現(xiàn)穩(wěn)定平臺功能。

附圖說明

圖1三軸穩(wěn)定平臺示意圖；

圖2擾動基座正視圖；

圖3擾動基座俯視圖；

圖4慣組原理框圖；

圖5平臺穩(wěn)定原理圖；

圖6上位機交互界面示意圖；

圖7實驗教學(xué)儀器系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合說明書附圖及具體實施方式對本發(fā)明做進一步解釋。

如圖1所示，為本發(fā)明中提出的三軸速率轉(zhuǎn)臺裝置1，所述三軸速率轉(zhuǎn)臺裝置1包括基座11、轉(zhuǎn)臺外框12、轉(zhuǎn)臺中框13、轉(zhuǎn)臺內(nèi)轉(zhuǎn)子14、上位機及電源接口15、中框電機16、內(nèi)轉(zhuǎn)子電機17、內(nèi)轉(zhuǎn)子軸承18、可伸縮展翼19、MEMS慣性組件110，其中外框電機在基座內(nèi)部。為了方便教學(xué)演示，三軸轉(zhuǎn)臺整體尺寸為400*500*500mm左右，但不局限于此。轉(zhuǎn)臺內(nèi)轉(zhuǎn)子14、轉(zhuǎn)臺中框13、轉(zhuǎn)臺外框12彼此正交，通過電機和軸承相連接?？赏ㄟ^上位機軟件實現(xiàn)位置控制和速率控制，功能上能實現(xiàn)陀螺儀的動靜態(tài)標(biāo)定。

所述轉(zhuǎn)臺內(nèi)轉(zhuǎn)子14、轉(zhuǎn)臺中框13、轉(zhuǎn)臺外框12分別由內(nèi)轉(zhuǎn)子電機17、中框電機16及外框電機控制，所述轉(zhuǎn)臺內(nèi)轉(zhuǎn)子14、轉(zhuǎn)臺中框13、轉(zhuǎn)臺外框12依次連接。所述三軸速率轉(zhuǎn)臺裝置1還包括對裝置供電的轉(zhuǎn)臺供電裝置及轉(zhuǎn)臺通信模塊，上述的內(nèi)、中、外框電機通過所述轉(zhuǎn)臺通信模塊連接所述上位機交互裝置。

具體為所述轉(zhuǎn)臺內(nèi)轉(zhuǎn)子14的任意相對兩端連接所述轉(zhuǎn)臺中框13，并所述轉(zhuǎn)臺內(nèi)轉(zhuǎn)子14可繞兩個轉(zhuǎn)臺內(nèi)框連接端的軸向方向上轉(zhuǎn)動；

所述轉(zhuǎn)臺中框13非連接轉(zhuǎn)臺內(nèi)轉(zhuǎn)子14的兩側(cè)連接所述轉(zhuǎn)臺外框12，所述轉(zhuǎn)臺中框13繞兩個轉(zhuǎn)臺中框連接端的軸向方向轉(zhuǎn)動；

所述轉(zhuǎn)臺外框12整體為“U”型，轉(zhuǎn)臺外框12的底部連接基座11，在所述轉(zhuǎn)臺外框12的底部上延伸出兩個連接轉(zhuǎn)臺中框13的轉(zhuǎn)臺外框固定端。

此外轉(zhuǎn)臺內(nèi)轉(zhuǎn)子14與轉(zhuǎn)臺中框13的連接處裝配有導(dǎo)電滑環(huán)，轉(zhuǎn)臺中框13與轉(zhuǎn)臺外框14的連接處裝配有導(dǎo)電滑環(huán)，轉(zhuǎn)臺外框12與基座11的連接處裝有導(dǎo)電滑環(huán)，方便電信號的傳輸。

如圖2及圖3所示，為本發(fā)明提供的二維擾動基座裝置2，所述二維擾動基座裝置2包括擾動基座上底板21、擾動基座下底板22、X軸推桿電機23、Y軸推桿電機25、魚眼軸承24。所述二維擾動基座裝置2可提供X軸、Y軸傾斜角度。傾斜角度可通過上位機軟件給出。二維擾動基座裝置2可作為穩(wěn)定平臺干擾信號源。X軸、Y軸相互正交且互不影響?；系装?1用于承載三軸轉(zhuǎn)臺，面積大于三軸轉(zhuǎn)臺基座11。

所述擾動基座上底板21中心處通過魚眼軸承24連接所述擾動基座下底板22，并在X軸方向上設(shè)置X軸推桿電機23，在Y軸方向上設(shè)置Y軸推桿電機25，所述X軸推桿電機23及Y軸推桿電機25均為上端鉸接在擾動基座上底板21上，下端固定在擾動基座下底板22上。

所述二維擾動基座裝置2還包括對二維擾動基座裝置2供電的擾動供電裝置及擾動通信裝置，所述X軸推桿電機23及Y軸推桿電機25通過擾動通信裝置連接所述上位機交互裝置。

如圖4所示，為本發(fā)明提供的MEMS慣性組件110，所述MEMS慣性組件其中包括：X軸MEMS陀螺、Y軸MEMS陀螺、Z軸MEMS陀螺，三個陀螺相互正交；X軸MEMS加表、Y軸MEMS加表、Z軸MEMS加表，三個加表相互正交；X軸MEMS磁強計、Y軸MEMS磁強計、Z軸MEMS磁強計，三個磁強計相互正交。9通道ADC將傳感器模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后輸送到主控制器進行姿態(tài)解算得到航向角、俯仰角、橫滾角。

三個所述MEMS陀螺、三個所述MEMS加表及三個所述MEMS磁強計同時集成在微小型敏感頭上，所述敏感頭尺寸在(10-50)*(10-50)mm，所述敏感頭表面面積為內(nèi)框面積的1/10-1/2，在該尺寸下，陀螺儀、加表及磁強計能夠準(zhǔn)確測量采集數(shù)據(jù)，并反饋，保證在微小型穩(wěn)定平臺實驗教學(xué)儀器小尺寸下，同時實現(xiàn)高精度姿態(tài)測量。

MEMS慣性組件用于平臺穩(wěn)定中的姿態(tài)信息獲取。如圖5所示，獲取姿態(tài)信息后傳輸給內(nèi)框電機、中框電機、外框電機，輸出俯仰、橫滾、航向的調(diào)整，進行姿態(tài)校正，達(dá)到平臺穩(wěn)定目的。

本發(fā)明還可以實現(xiàn)離心機與速率轉(zhuǎn)臺的自由切換，切換的重要裝置為可伸縮展翼，如圖1中19所示，一套可伸縮展翼由三塊長方形金屬版和兩個合葉組成，分別安裝在速率轉(zhuǎn)臺外框左右兩側(cè)。當(dāng)標(biāo)定加速度計時，伸開展翼，將加速度計固定安裝在展翼末端。并通過上位機控制外框電機以一定速度旋轉(zhuǎn)，提供加速度計標(biāo)定所需的向心力。當(dāng)不需要標(biāo)定加速度計時，將展翼收縮回速率轉(zhuǎn)臺外框壁上。

在另一實施例中，所述可伸縮展翼裝置可替換為包括連接在轉(zhuǎn)臺外框上的基礎(chǔ)展翼、旋轉(zhuǎn)展翼組件及一個可固定加速度計的合頁端；所述合頁端通過旋轉(zhuǎn)展翼組件連接基礎(chǔ)展翼；

所述旋轉(zhuǎn)展翼數(shù)量為2-6或8個，依次連接，并尺寸自連接基礎(chǔ)展翼的一端至連接合頁端的另一端依次減?。粚⒓铀俣扔嫲惭b在展翼上，通過上位機給轉(zhuǎn)臺外框輸入已知轉(zhuǎn)速，提供向心力標(biāo)定加速度計。

任意兩個相連的所述旋轉(zhuǎn)展翼通過卡槽式結(jié)構(gòu)固定連接；

任意兩個相連的所述旋轉(zhuǎn)展翼中的大尺寸旋轉(zhuǎn)展翼包括一個基礎(chǔ)翼板、及在翼板兩側(cè)延伸出的與翼板構(gòu)成凹槽結(jié)構(gòu)的限定板；

小尺寸的所述旋轉(zhuǎn)展翼的置于所述翼板及凹槽結(jié)構(gòu)構(gòu)成的空間內(nèi)。

如圖6所示，為本發(fā)明提出的上位機交互界面，其中包括：姿態(tài)存儲顯示部分和轉(zhuǎn)臺控制部分。姿態(tài)顯示部分包括3D顯示、曲線顯示和數(shù)字顯示，顯示與存儲通過串口開關(guān)選通或關(guān)閉。轉(zhuǎn)臺控制部分包括陀螺儀標(biāo)定、加表標(biāo)定和擾動基座控制。其中陀螺儀標(biāo)定，可通過上位機控制三軸轉(zhuǎn)臺內(nèi)轉(zhuǎn)子、中框、外框轉(zhuǎn)到任意位置或以任意速度運行任意時間，還可工作在變速模式和搖擺模式下。加速度計標(biāo)定及通過轉(zhuǎn)臺外框旋轉(zhuǎn)，提供已知向心力。擾動基座控制部分可控制基座X軸、Y軸推桿電機，實現(xiàn)俯仰、橫滾的擾動效果。

通過本發(fā)明，可實現(xiàn)實驗教學(xué)儀器的小型化，實現(xiàn)人手一臺的教學(xué)實驗?zāi)繕?biāo)。