动基座下确定当地地垂线方向的新方法 <一>技术领域：
本发明一种动基座下确定当地地垂线方向的新方法，是基于仿人控制倒立摆系统的控制机理，借助于高科技的控制技术，通过安装在动基座上的小车将一物理摆稳定在铅垂方向不动，这个方向就是当地地垂线方向，它提供了一种水平基准。这里动基座的动态行为可以理解为它可以作加速运动，也可以作俯仰运动等。也就是说即使动基座在这种复杂形式的运动下，物理摆仍保持在其铅垂方向不变。所以它在任何时刻都给出了当地地垂线方向。它是通过高科技控制手段准确地确定当地地垂线方向，属于控制理论与应用技术领域。
<二>背景技术：
确定当地地地垂线方法有许多种，比较简单比较常见的有：以重锤或液体开关为敏感元件的垂直陀螺仪(也称地平仪)，常用于普通的军用、民用飞机上。由于它们存在原理上的误差，所以其定位精度比较低，约在30角分以内；还有一种是以加速度计为敏感元件的惯性导航平台，它的定位精度较高，可以在10角分以内，但造价昂贵。
本发明的目的是提供一种动基座下确定当地地垂线方向的新方法，该方法定位精度高，无原理误差，实现简单，它的成功应用将可取代陀螺平台。
<三>发明内容：
本发明一种动基座下确定当地地垂线方向的新方法，是在仿人控制倒立摆系统的控制机理上延伸而成，其技术途径是通过建立倒立摆系统来完成确定当地地垂线方向，而该系统主要是由机械装置(被控对象)和控制器两大部分组成；
一.机械装置(被控对象)的组成是：
由于机械装置与被控对象紧密地联系在一起，因此通常将机械装置也统称为被控对象；其机械装置由真正的被控对象(小车3和物理摆5)、导轨13、左支架组件1、右支架组件16和工作台17(桌子)等几个主要部件组成；其中，连接关系是：导轨13的左右两端分别与左支架组件1上的支架20和右支架组件16上的支架20，通过内六角螺钉18相固连，而左支架组件1和右支架组件16则通过螺栓19分别固定在工作台17的台面两侧上；其中：
<1>、左支架组件1，由支承导轨13地支架20、一对轴承座组件25，皮带轮组件22和电位器支架26等主要部件组成；它们都被安装在左安装底板21上，其中支架20对导轨13的左端起支承作用，而左安装底板21则通过四个螺栓19固定在工作台17的左侧；
其中电位器支架26对测量小车位移电位器2起支承作用，电位器2通过档圈38和三个螺钉固定在电位器支架26上；
其中皮带轮组件22，由皮带轮15、心轴23和轴套24相互联结组成；它们被安装在一对轴承座组件25上，轴承座组件25对它们起支承作用；
其中皮带轮的心轴23即其旋转轴的两端被支承在轴承座组件25上，电位器2被支承在电位器支架26上，电位器2的旋转轴与心轴23在向一轴线方向，将电位器2的旋转轴通过轴套24与心轴23连成一体并用螺钉固紧，使电位器2的旋转轴与皮带轮15保持同轴转动；由于左端皮带轮15通过传动皮带14与小车3相连接的，因此，当小车3在导轨13上移动时，通过传动皮带14带动皮带轮15转动，同时也带动电位器2的旋转轴转动，此时电位器2旋转轴转过角度的大小与小车3在导轨13上的位移成正比，所以，电位器的输出便检测出小车3在导轨13上移动信号的大小。
<2>、右支架组件16，由支承导轨13的支架20、电机轴支座组件29、皮带轮组件22和电机座30等主要部件组成，且都被安装在电机安装底板27上，而电机安装底板27，则通过四个螺栓19固定在工作台17的右侧；其中支架20对导轨13的右端起支承作用；
其中电机连接轴28上有三个互成120°的通孔，通过三个螺钉将电机连接轴28与皮带轮15连成一体，因此，电机连接轴28也是皮带轮的旋转轴，即皮带轮轴，在电机连接轴28的下端沿其轴线方向镗有一圆孔，控制电机的旋转轴将插入此孔内，通过销钉将电机旋转轴与电机连接轴28连成一体；据此，电机连接轴28将控制电机与皮带轮15构成同轴转动；
其中电机轴支座组件29是为安装电机连接轴28所用，电机连接轴28的上端通过轴承安装在其上，它对电机连接轴28起到支承作用；
其中电机座30对控制电机起支承作用，电机座30下端设有两个通孔，通过两个螺钉将其固定在电机安装底板27上；其上端也设有两个通孔，当控制电机被安放在电机座30上时，电机压板31通过上述二通孔，用两个螺钉将控制电机固紧在电机座30上。如此，控制电机已经被固定且与皮带轮15保持同轴转动，当控制电机轴转动时，便带动右皮带轮15作相应的转动，右端皮带轮15通过其上的传动皮带14带动小车3在导轨13上移动，小车3便通过测量物理摆角位移电位器支架12带动物理摆5作相应的运动。
<3>、小车3，是由两块小车侧板32和两块上、下小车垫板34、35组成的；小车3组装成以后，从其外形上看是一个中间为空心的薄壁长方体，导轨13正好从其中心穿过，因而，使小车3正好被支承在导轨13上；小车组件有以下几个主要部分组成，具体组成详述如下：
两块小车侧板32位于小车3的左右两侧，且分别与导轨13两侧平行，在它的外侧开有四个安装小车轴33的通孔，在它的内侧也有四个小的通孔，分别用于固定上、下小车垫板34、35；
小车轴33共有四根，每根轴的两端均安装上滚珠轴承，四根轴的两端分别与小车两侧的小车侧板32上外侧的四个孔通过螺母相固连成为一体而构成了小车3的外形，它是一个中间空心的长方体，小车3通过滚珠轴承被支承在导轨13上，据此，小车3可以在导轨13上来回地运动，这里的滚珠轴承起支承和减小摩擦的作用；
上、下两块小车垫板34、35，它们的两侧均有螺纹孔，通过螺钉将两块上、下小车垫板34、35分别与两块小车侧板32的上、下两边相固连，这样两块小车垫板34、35分别成为小车3的顶部和底部；
小压板36上开有四个小通孔，它们都是用于固定传动皮带14之用，传动皮带14的右端向上绕过右支架组件16上的右端皮带轮15以后，用两个螺钉螺母连同小压板36一起被固定在下小车垫板35的右侧；传动皮带14的左端向上绕过左支架组件1上的左端皮带轮15以后，同样用两个螺钉螺母固定在下小车垫板35的左侧；据此，通过传动皮带14将小车3和左右支架组件1、16上的左右端皮带轮15连系在一起，因此当控制电机转动时，便带动左右端皮带轮15和传动皮带14使小车3在导轨13上运动(左右端皮带轮形状尺寸是一样的)；
<4>、物理摆5的安装联接是：测量物理摆5角位移的电位器支架12(图15)，其上有三个互成120°的通孔，测量物理摆5角位移的电位器10通过这三个孔用螺钉固定其上，电位器支架12的下端有二个螺钉孔，通过螺钉将其固定在小车3的上小车垫板34上。物理摆5的上端有一通孔，测量其角位移的电位器10的转轴将穿过它，并用螺钉与之固联成一体而随之转动。这样，在控制电机作用下，物理摆5便随小车3在导轨上自由运动。
<5>、图2中的重物6、滑轮7、吊杆8、尼龙绳9和支承杆11等提供一参考地垂线方向。
二、控制器的组成及其功能如下：
该控制器由信号检测装置41、信号处理装置42(包括模拟信号处理装置和数字信号处理装置)、信号放大装置43、控制电机和控制箱44五大部分组成；
该控制器设有“模拟一数字转换控制开关K”装置45，其中信号检测装置41、模拟信号处理装置42和信号放大装置43等以印刷电路板组装成插件的形式被安装在控制箱44内，数字信号处理装置由计算机控制实现；
信号检测装置41通过插头P4与模拟信号处理装置42的插座L4相连，插头L4与信号放大装置43相连，信号放大装置43与控制电机的输入端相连；模拟信号处理装置42中的输出插头L1与计算机内的数字信号处理装置相连；
控制箱44上的控制面板47上设置安装有：电源开关46、“模拟一数字转换控制开关K”装置45、信号零位调节器48、增益调节器49及信号测量孔50。
该控制器具有模拟信号控制功能和计算机数字控制功能，因此设有“模拟一数字转换控制开关K”装置45，数字信号处理装置由计算机控制软件实现；
由测量小车3位移电位器2、测量物理摆5角位移电位器10，所检测出的位移信号通过引线和插头P5输入到信号检测装置41中的插座P2，然后对它们进行整形和零位调节；
信号检测装置41的输出信号，通过其上的插头P4输入到模拟信号处理装置42的插座L4，然后对信号进行变换处理，经变换处理后的信号分两路进行输出，一路是经过插头L4输出到信号放大装置43的输入端P6，进行信号的功率放大，经放大后的信号由其输出端P7输出到控制电机的输入端，去控制被控对象(小车3和物理摆5)的运动；另一路则是通过模拟信号处理装置42中的输出插头L1，将变换处理后的信号输入到数字计算机内的数字信号处理装置中，对这些信号进行数字处理，它将由计算机控制软件实现；
控制箱44上的控制面板47，相当于控制台，起到操作和控制作用，其中，电源开关46、“模拟一数字转换控制开关K”装置45、信号零位调节器48、增益调节器49以及信号测量孔50等都安装在该面板上，上述各种功能也是在该面板上来实现。
本发明一种动基座下确定当地地垂线方向的新方法，是基于一种仿人控制倒立摆系统，其优点是：不需要进行精确的数学建模，而是集控制理论、计算机科学技术与人工智能为一体的仿人控制方法(即模仿杂技演员顶杆的技艺)，其特点是只需要人的少量的直觉知识，以规则的形式形成控制律而构成闭环控制系统。它能将物理摆稳定在铅垂方向，使之不动，是控制方法中一种新的技术途径。可以这样说，这里所提出的仿人控制，无论是从控制机理上的探讨、控制方法的提出以及其实现技术，都具有自己的独特的创意和风格。
<四>附图说明：
图1本发明总体方框图。
图2本发明所属机械装置结构示意图。
图3A、B本发明所属机械装置的主视图和俯视图。
图4A、B本发明所属机械装置中的导轨主视图和侧视图。
图5A、B左支架组件主视图和俯视图。
图6A、B右支架组件主视图和俯视图。
图7A、B皮带轮组件主视图和俯视图。
图8A、B、C小车组件主视图、俯视图和侧视图。
图9信号检测装置线路图。
图10模拟信号处理装置线路图。
图11信号放大装置线路图。
图12控制箱示意图。
图13A、B电机轴支座组件主视图、俯视图.
图14a物理摆(又称正摆或下摆)示意图。
图14b倒摆(又称反摆或一级倒立摆)示意图。
图14c倒立摆示意图。
图15测量物理摆角位移电位器支架图。
图中标号如下：
1左支架组件 2电位器(测量小车位移)
3小车 4质量块
5物理摆或物理摆摆杆 6重物
7滑轮 30电机座
8吊钩 31电机压板
9尼龙绳 32小车侧板
10电位器(测量物理摆角位移) 33小车轴
11支承杆 34上小车垫板
12电位器支架(支承电位器10) 35下小车垫板
13导轨 36小压板
14传动皮带 37支座
15皮带轮 38挡圈
16右支架组件 39电位器压板
17工作台(桌子) 40压紧螺钉
18内六角螺钉 41信号检测装置
19螺栓 42模拟信号处理装置
20支架 43信号放大装置
21左安装底板 44控制箱
22皮带轮组件 45“模拟一数字转换控制开关K”装
23心轴 置
24轴套 46电源开关
25轴承座组件 47控制面板
26电位器支架(支承电位器2) 48零位调节器
27电机安装底板 49增益调节器
28电机连接轴 50信号测量孔
29电机轴支座组件
<五>具体实施方式：
在举实施例前先说明一下“物理摆”和“倒摆”的概念：首先参阅图14a、b、c所示：
(1)物理摆，也称为正摆或下摆，其支点在上，摆杆或质量块m在下，如图14a所示。
(2)倒摆，其支点在下，摆杆或质量块m在上，如图14b所示。
本发明一种动基座下确定当地地垂线方向的新方法，是通过建立倒立摆系统来完成确定当地地垂线方向，而该系统主要是由机械装置(被控对象)和控制器两大部分组成。现将它们分别述如下；
一.机械装置(被控对象)的组成及其功能说明如下：
由于机械装置与被控对象紧密地联系在一起，因此通常将机械装置也称为被控对象。其机械装置由真正的被控对象(小车3和物理摆5)、导轨13、左支架组件1、右支架组件16和工作台17(桌子)等几个主要部件组成。
机械装置的结构形式如图3A、B所示。其中，图3A为该装置的主视图，而图3B为其俯视图。需要说明的是：被控对象中的物理摆5以及控制电机等在图中均未示出。
图3A中导轨13(图4示)的两端分别与左支架组件1(图5示)上的支架20和右支架组件16(图6示)上的支架20，通过内六角螺钉18相固连。而左支架组件1和右支架组件16则通过螺栓19分别固定在工作台17的台面两侧上。现将它们的组成及功能分述如下：
<1>左支架组件1(如图5所示)由支承导轨13的支架20、一对轴承座组件25、皮带轮组件22和电位器支架26等主要部件组成。它们都被安装在左安装底板21上，其中支架20对导轨13的左端起支承作用，而左安装底板21则通过四个螺栓19固定在工作台17的左侧(螺栓19图中未示出，只示出螺栓孔的位置)。
其中电位器支架26对测量小车位移电位器2起支承作用。电位器2通过档圈38和三个螺钉固定在其上。
其中皮带轮组件22(图7示)由皮带轮15、心轴23和轴套24相互联结组成，它们被安装在上述(图5示)的一对轴承座组件25上，轴承座组件25对它们起支承作用。
请参阅图5所示，皮带轮的心轴23即其旋转轴的两端被支承在轴承座组件25上，电位器2(图中未示出)被支承在电位器支架26上，由图5B不难看出，电位器2的旋转轴与心轴23在同一轴线方向。将电位器2的旋转轴通过轴套24与心轴23连成一体并用螺钉固紧。这样，电位器2的旋转轴与皮带轮15就能保持同轴转动。由图2左端可以看出，由于左端皮带轮15通过传动皮带14与小车3相连接的，因此，当小车3在导轨13上移动时，通过传动皮带14带动皮带轮15转动，同时也带动电位器2的旋转轴转动，此时电位器2旋转轴转过角度的大小与小车3在导轨13上的位移成正比，所以，电位器的输出便检测出小车3在导轨上移动信号的大小。
<2>右支架组件16(如图6所示)由支承导轨13的支架20、电机轴支座组件29(图13示)皮带轮组件22和电机座30等主要部件组成，且都被安装在电机安装底板27上，而电机安装底板27，则通过四个螺栓19(图中只示出四个螺栓孔)固定在工作台17的右侧。它们之间的相互关系如图6所示。
图6A中支架20对导轨13的右端起支承作用。
图6B中电机连接轴28，其上有三个互成120°的通孔，通过三个螺钉将电机连接轴28与皮带轮15连成一体。因此，电机连接轴28也是皮带轮的旋转轴，即皮带轮轴。电机连接轴28在其下端沿其轴线方向镗了一个圆孔(图6B中剖面图所示)，控制电机(图中未示出)的旋转轴将插入此孔内，通过销钉将电机旋转轴与电机连接轴28连成一体。这样，电机连接轴28就将控制电机与皮带轮15构成同轴转动。
图中电机轴支座组件29是为安装电机连接轴28所用，电机连接轴28的上端将通过轴承安装在其上，它对电机连接轴28起到支承作用。
图6A中电机座30，它对控制电机(图中未示出)起支承作用，电机座下端有两个通孔，通过两个螺钉将其固定在电机安装底板27上；其上端也有两个通孔。当控制电机安放在电机座30上时，电机压板31通过上述二通孔，用两个螺钉将控制电机固紧在电机座30上。由图6B可看出，控制电机已经被固定且与皮带轮15保持同轴转动，因此，当控制电机轴转动时，便带动皮带轮15作相应的转动，又由图2右端可以看出，右端皮带轮15通过其上的传动皮带14带动小车3在导轨13上移动，小车3便通过测量物理摆5角位移电位器10的旋转轴带动物理摆5作相应的运动。
<3>小车3(图8所示)，它是由两块小车侧板32和两块上、下小车垫板34、35组成的。小车3组装成以后，从其外形上看是一个中间为空心的薄壁长方体。导轨13正好从其中心穿过，因而，使小车3正好被支承在导轨13上。小车组件有以下几个主要部分组成。具体组成分述如下：
图8B中两块小车侧板32位于小车3的左右两侧，且分别与导轨13两侧平行。在它们的外侧(图8A示)开有四个安装四根小车轴33的通孔，在它们的内侧也开有四个小的通孔，分别用于固定上、下小车垫板34、35。
图8B中小车轴33共有四根，每根轴的两端均安装上滚珠轴承。四根轴的两端分别与小车两侧的小车侧板32上的四个通孔通过螺母相固连成为一体而构成了小车3的外形，它是一个中间空心的长方体，小车通过滚珠轴承被支承在导轨13上，这样小车3就可以在导轨13上来回地运动，这里的滚珠轴承起支承和减小摩擦的作用。
图8C中有上、下两块小车垫板34、35，它们的两侧均有螺纹孔，通过螺钉将两块小车垫板34、35分别与两块小车侧板32的上、下两边相固连，这样两块小车垫板34、35分别成为小车2的顶部和底部。如图8C所示。
图8C中小压板36上开有四个小通孔，它们都是用于固定传动皮带14之用。由图2可以看出，传动皮带14的右端向上绕过右支架组件16上的右端皮带轮15以后，用两个螺钉螺母连同小压板36一起被固定在下小车垫板35的右侧；传动皮带14的左端向上绕过左支架组件1上的左端皮带轮15以后，同样用两个螺钉螺母固定在下小车垫板35的左侧。这样，通过传动皮带14将小车3和左右支架组件1、16上的左右端皮带轮15连系在一起，因此当控制电机转动时，便带动左右端皮带轮15和传动皮带14使小车3在导轨13上运动。(左右端皮带轮形状尺寸是一样的)
<4>物理摆5的安装：物理摆5的上端有一通孔，测量其角位移的电位器10的旋转轴将穿过它并用螺钉与之相连接。电位器10通过螺钉固定在电位器支架12上，而电位器支架12则通过螺钉固定在小车3的上小车垫板34上。
二、控制器的组成及其功能说明如下：
控制器包括信号检测装置41、信号处理装置42(包括模拟信号处理装置和数字信号处理装置)、信号放大装置43、控制电机(图中未示)和控制箱44(图12示)五大部分组成，它们之间的信号传递关系如图1所示。本控制器具有模拟信号控制功能和计算机数字信号控制功能。因此在图12中还示出了“模拟一数字转换控制开关K”装置45。其中信号检测装置41、模拟信号处理装置42和信号放大装置43的线路图分别如图9、图10和图11所示。它们都是以印刷电路板组装成插件的形式，并且被安装在一个控制箱44内。数字信号处理装置由计算机软件控制实现。
图2中，测量小车3位移电位器2、测量物理摆5角位移电位器10，它们所检测出的位移信号通过图12中的引线和插头P5输入到信号检测装置41中的插座P2，然后对它们进行整形和零位调节等。
图12中的信号检测装置41的输出信号通过其上的插头P4输入到模拟信号处理装置42线路图的插座L4，然后对信号进行变换处理。经变换处理后的信号分两路进行输出。一路是经过插头L4输出到信号放大装置43的输入端P6进行信号的功率放大，经放大后的信号由其输出端P7输出到控制电机的输入端去控制被控对象(小车3和物理摆5)的运动；另一路则是通过模拟信号处理装置42中的输出插头L1将变换处理后的信号输入到数字计算机内的数字信号处理装置中对这些信号进行数字处理，它将由计算机软件控制实现。它们之间信号传递关系如图12中箭头方向所示。控制箱44上的控制面板47，相当于控制台，起到操作和控制作用。其中，电源开关46、“模拟一数字转换控制开关K”装置45、信号零位调节器48、增益调节器49以及信号测量孔50等都安装在该面板上，上述各种功能也在该面板上来实现。