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西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
題目：車載慣導(dǎo)平臺(tái)設(shè)計(jì)
系 別： 機(jī)電信息系
專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)： B090206
學(xué) 生： 張超
學(xué) 號(hào)： B09020631
指導(dǎo)教師： 賈培剛
2013年05月
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
題目：車載慣導(dǎo)平臺(tái)設(shè)計(jì)
系 別： 機(jī)電信息系
專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)：
學(xué) 生：
學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)教師：
2013年05月
車載慣導(dǎo)平臺(tái)設(shè)計(jì)
摘 要
車載慣導(dǎo)平臺(tái)是指車輛在道路上行駛時(shí)，路面的顛簸將會(huì)引起車輛發(fā)生俯仰、側(cè)傾和橫擺運(yùn)動(dòng)，。這些角運(yùn)動(dòng)的大小與車輛行駛速度和路面不平度具有密切關(guān)系。由于車輛行駛路況的種類很多，而且車速變化范圍也很大，若將環(huán)境識(shí)別傳感器直接安裝于車體之上，則傳感器的標(biāo)定就必須隨著車輛行駛路況的隨機(jī)變化而實(shí)時(shí)改變。只有在傳感器做出正確的標(biāo)定之后，才能獲取正確的車輛行駛環(huán)境信息。
關(guān)鍵詞：平臺(tái)的設(shè)計(jì) 初始對(duì)準(zhǔn)
Onboard inertial navigation platform design
Abstract
Onboard inertial navigation platform refers to the vehicle on the road, the road is bumpy will cause the vehicle pitch, roll and horizontal pendulum motion,. The angular motion and the size of the vehicle speed and road roughness has a close relationship. Because there are many kinds of vehicle driving road conditions, and the speed range is big, if the environment identification sensor installed directly on the body, the calibration of the sensor is to real-time change with random variation of vehicle driving road conditions. Only after the calibration of sensor to make the right to acquire the correct vehicle information environment.
Key Words:The design of the platform;Initial alignment
IV
目 錄
1 緒 論 1
1.2. 慣性導(dǎo)航的基礎(chǔ)知識(shí) 3
1.2.1地球形狀及重力特性 3
1.2.2地球的自轉(zhuǎn)和角速度 4
1.2.3 導(dǎo)航用坐標(biāo)系 4
1.3 捷聯(lián)式和平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的主要區(qū)別 5
1.4.1 初始對(duì)準(zhǔn)的分類 7
1.4.2 初始對(duì)準(zhǔn)的要求 7
1.4.3 干擾觀測(cè)與補(bǔ)償 7
1.4.4 質(zhì)量恢復(fù)控制 8
1.5 車載慣導(dǎo)平臺(tái)的概述 9
1.5.1 攝像穩(wěn)定平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 11
2 車載慣導(dǎo)平臺(tái)的整體形狀及分析 12
2.1 車載慣導(dǎo)平臺(tái)的整體形狀 12
2.1.1 穩(wěn)定平臺(tái)的性能要求 12
2.1.2 驗(yàn)證是否滿足所設(shè)計(jì)的要求 13
2.1.3 穩(wěn)定平臺(tái)穩(wěn)像原理 13
2.2 車載慣導(dǎo)平臺(tái)方位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 13
2.3 艦載攝像穩(wěn)定平臺(tái)的傳動(dòng)方式 14
2.3.1車載攝像穩(wěn)定平臺(tái)俯仰驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 14
2.3.2 攝像穩(wěn)定平臺(tái)縱、橫搖驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 15
3 制定車載慣導(dǎo)平臺(tái)材料的選擇和確定尺寸 16
3.1 整體材料的的選擇 16
3.2 制定整體尺寸 16
3.2.1 各個(gè)零件尺寸的確定 17
4 計(jì)算車在平臺(tái)慣性力矩和功率 21
4.1 電機(jī)的作用 21
4.2 由慣性力矩來(lái)確定電機(jī)的功率 21
4.2.1 電機(jī)種類 21
4.2.2 功率的計(jì)算 22
結(jié) 論 23
參考文獻(xiàn) 24
致 謝 25
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明 26
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明 27
1 緒論
1 緒 論
進(jìn)入21世紀(jì)，隨著科學(xué)技本的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的制造技術(shù)已進(jìn)入現(xiàn)代制造技術(shù)的新階段。為保證和增強(qiáng)車載武器系統(tǒng)的快速機(jī)動(dòng)性,現(xiàn)代先進(jìn)的陸地作戰(zhàn)車輛,如自行火炮、遠(yuǎn)程火箭炮、前線偵察車、射擊指揮車、導(dǎo)彈發(fā)射車等,一般均配備有慣性定位定向系統(tǒng)。車載慣性定位定向系統(tǒng)的技術(shù)性能和可靠性與陸地作戰(zhàn)車輛的戰(zhàn)斗力和快速反應(yīng)能力有著極為密切的關(guān)系。定位定向系統(tǒng)不僅要有較高的精度指標(biāo),還必須具備較高的工作可靠性,才能保證產(chǎn)品在惡劣的車載環(huán)境條件下全壽命可靠地工作。某型號(hào)車載慣性定位定向系統(tǒng)是專門為陸地作戰(zhàn)車輛設(shè)計(jì)的一種導(dǎo)航及姿態(tài)參考系統(tǒng),可為載體快速提供高精度的北向方位和姿態(tài)基準(zhǔn),并實(shí)時(shí)進(jìn)行定位導(dǎo)航,引導(dǎo)車輛行駛。該系統(tǒng)由雙軸陀螺平臺(tái)、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、電子控制線路、里程計(jì)等部件組成,各部件之間的可靠性邏輯關(guān)系為串聯(lián)形式。慣導(dǎo)平臺(tái)是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過(guò)測(cè)量載體在慣性參考系的加速度，將它對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，且把它變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，就能夠得到在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置等信息的測(cè)量平臺(tái)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，慣導(dǎo)平臺(tái)也有各種結(jié)構(gòu)形式，其中適合車載的慣導(dǎo)平臺(tái)一直是研究是熱點(diǎn)。本課題為智能車科研項(xiàng)目的一部分，以設(shè)計(jì)出測(cè)量智能車姿態(tài)的慣性導(dǎo)航平臺(tái)為目的，為控制其姿態(tài)的研究工作打下基礎(chǔ)。
慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱慣導(dǎo)系統(tǒng)）為一種利用加速度計(jì)測(cè)得的運(yùn)載體的運(yùn)動(dòng)加速度、經(jīng)過(guò)運(yùn)算求出運(yùn)載體即時(shí)位置的導(dǎo)航設(shè)備。慣性導(dǎo)航是二十世紀(jì)初才發(fā)展起來(lái)的一種導(dǎo)航方法。導(dǎo)航的本意就是引導(dǎo)航行的意思，所以導(dǎo)航就是引導(dǎo)運(yùn)載體在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)，按照計(jì)劃的航線，由起始地點(diǎn)航行到目的地。慣導(dǎo)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是不受外界干擾，隱蔽性好，能實(shí)時(shí)提供運(yùn)載體的三維姿態(tài)參數(shù)，這些參數(shù)都是艦艇與飛機(jī)上觀測(cè)系統(tǒng)和火控系統(tǒng)所必需的。慣導(dǎo)系統(tǒng)由于具有上述一系列優(yōu)點(diǎn)而受到海陸空軍，航天和交通運(yùn)輸?shù)炔块T的青睞和重視。目前，它已廣泛應(yīng)用于潛艇、水面艦艇、軍用飛機(jī)、戰(zhàn)略導(dǎo)彈與戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、戰(zhàn)車和人造衛(wèi)星等領(lǐng)域。慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能不斷提高，結(jié)構(gòu)類型日新月異。我們根據(jù)系統(tǒng)中有無(wú)機(jī)電式實(shí)體平臺(tái)分為平臺(tái)式和捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)與平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的區(qū)別，在于前者沒(méi)有實(shí)體的穩(wěn)定平臺(tái)，而代之以導(dǎo)航計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的數(shù)學(xué)平臺(tái)，陀螺儀和加速度計(jì)直接與運(yùn)載體固聯(lián)。慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能不斷提高，結(jié)構(gòu)類型日新月異。我們根據(jù)系統(tǒng)中有無(wú)機(jī)電式實(shí)體平臺(tái)分為平臺(tái)式和捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)與平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的區(qū)別，在于前者沒(méi)有實(shí)體的穩(wěn)定平臺(tái)，而代之以導(dǎo)航計(jì)算
3
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
機(jī)產(chǎn)生的數(shù)學(xué)平臺(tái)，陀螺儀和加速度計(jì)直接與運(yùn)載體固聯(lián)。導(dǎo)航系統(tǒng)是根據(jù)測(cè)得的運(yùn)載體的加速度，經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算求得速度與位置。為此，必須知道初始速度和初始位置。此外，以地理坐標(biāo)系為導(dǎo)航坐標(biāo)系的慣導(dǎo)系統(tǒng)中（包括平臺(tái)式和捷聯(lián)式），物理平臺(tái)和數(shù)學(xué)平臺(tái)都是測(cè)量加速度的基準(zhǔn)，而且平臺(tái)必須準(zhǔn)確的對(duì)準(zhǔn)和跟蹤地理坐標(biāo)系，以避免由平臺(tái)誤差引起的加速度測(cè)量誤差。初始對(duì)準(zhǔn)的精度直接關(guān)系到慣導(dǎo)系統(tǒng)的工作精度，初始對(duì)準(zhǔn)的時(shí)間是慣導(dǎo)系統(tǒng)的重要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)。因此，初始對(duì)準(zhǔn)是慣導(dǎo)系統(tǒng)最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。
慣性系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)的目的是在慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)入導(dǎo)航工作狀態(tài)之前建立起導(dǎo)航
坐標(biāo)系。對(duì)平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，就是控制平臺(tái)旋轉(zhuǎn)使之與要求的導(dǎo)航坐標(biāo)系重
合；對(duì)捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，就是計(jì)算出機(jī)體坐標(biāo)系到導(dǎo)航坐標(biāo)系的姿態(tài)矩陣。
初始對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中，一般還要求算出陀螺的偏置量，即測(cè)漂。
機(jī)載光電跟瞄平臺(tái)在飛機(jī)火力控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用, 它能夠在機(jī)載環(huán)境下迅速捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。由于機(jī)載環(huán)境下干擾嚴(yán)重, 而跟瞄平臺(tái)自身的跟蹤精度要求又較高, 所以平臺(tái)的穩(wěn)定性與跟蹤控制方法的優(yōu)劣直接決定著平臺(tái)的性能。為了精確的控制平臺(tái)光學(xué)系統(tǒng)的視軸, 使其在隔離擾動(dòng)的同時(shí)準(zhǔn)確跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo), 人們采用了多種控制方法。機(jī)載光電跟瞄平臺(tái)的功能是捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)飛機(jī)所處空域內(nèi)的目標(biāo), 如飛機(jī)、車輛、房屋等。平臺(tái)主要由光電探測(cè)器、跟蹤伺服平臺(tái)、電子設(shè)備和慣性元件組成。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種完全自主式的導(dǎo)航系統(tǒng),以其不依賴任何外界信息的優(yōu)勢(shì),被應(yīng)用于越來(lái)越多的場(chǎng)合,所以提高系統(tǒng)的導(dǎo)航精度變得日益重要。針對(duì)這一問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了慣導(dǎo)平臺(tái)車載試驗(yàn)的仿真系統(tǒng),并對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差模型參數(shù)的辨識(shí)方法進(jìn)行了研究。 介紹了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理和導(dǎo)航誤差方程,建立了慣導(dǎo)平臺(tái)車載試驗(yàn)仿真系統(tǒng)各仿真模塊的數(shù)學(xué)模型。論文重點(diǎn)完成了慣導(dǎo)平臺(tái)車載試驗(yàn)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),在設(shè)計(jì)上主要實(shí)現(xiàn)了以下功能:它可根據(jù)用戶需求完成外測(cè)數(shù)據(jù)(即載車的航跡)的生成、系統(tǒng)誤差設(shè)置;提供了導(dǎo)航信息顯示功能,可供用戶直觀地查看導(dǎo)航信息的變化情況。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,為了提高軟件的開(kāi)發(fā)效率,在分析比較了幾種Matlab與VC++之間混合編程方法的優(yōu)缺點(diǎn)之后,該仿真平臺(tái)決定采用Matcom來(lái)實(shí)現(xiàn)Matlab之間的混合編程。在利用車載試驗(yàn)對(duì)慣性導(dǎo)航誤差模型辨識(shí)時(shí),首先建立了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差模型,然后用傳統(tǒng)的經(jīng)典最小二乘方法對(duì)誤差模型參數(shù)進(jìn)行了辨識(shí),辨識(shí)效果不好,經(jīng)分析原因是系統(tǒng)存在嚴(yán)重的復(fù)共線性。因此采用偏最小二乘方法對(duì)誤差模型參數(shù)進(jìn)行辨識(shí),得到更高的辨識(shí)精度。 慣導(dǎo)平臺(tái)車載試驗(yàn)的仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了分析平臺(tái)系統(tǒng)誤差及外測(cè)信號(hào)精度對(duì)導(dǎo)航精度影響的目的,可以直觀地看出導(dǎo)航信息的實(shí)時(shí)變化。此仿真系統(tǒng)可供從事慣性導(dǎo)航系統(tǒng)研究、設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員使用,也可以供相關(guān)專業(yè)人員作學(xué)習(xí)仿真使用。
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
1.1 本文研究的背景和目的
為加速度計(jì)提供一個(gè)準(zhǔn)確的安裝基準(zhǔn)和測(cè)量基準(zhǔn)，以保證不管載體姿態(tài)發(fā)生多大變化，平臺(tái)相對(duì)于慣性參考坐標(biāo)系的方向始終保持不變，即三個(gè)加速度計(jì)的空間指向是不變的。例如，某些飛機(jī)上的慣導(dǎo)系統(tǒng)要求這個(gè)穩(wěn)定平臺(tái)在方位上要對(duì)正北向，在平面上要和當(dāng)?shù)厮矫嫫叫校蛊脚_(tái)的三個(gè)軸正好指向東、北、西三個(gè)方向。能夠?qū)崿F(xiàn)這一要求的，只有陀螺儀，所以也叫陀螺穩(wěn)定平臺(tái)。陀螺也就成為穩(wěn)定平臺(tái)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心部件。正因?yàn)橛辛诉@樣一個(gè)基準(zhǔn)平臺(tái)，飛機(jī)相對(duì)該平臺(tái)在方位上的偏角反映了航向，飛機(jī)相對(duì)該平臺(tái)在水平兩個(gè)軸向上的偏角反映了俯仰和傾斜（橫滾）。所以穩(wěn)定平臺(tái)代替了地平儀、羅盤(pán)或航向姿態(tài)系統(tǒng)的功能
1.2. 慣性導(dǎo)航的基礎(chǔ)知識(shí)
1.2.1地球形狀及重力特性
地球表面有山脈河流陸地海洋，形成了高低起伏形狀復(fù)雜的不同規(guī)則的物理
實(shí)體，為了導(dǎo)航定位的需要，把地球近似為一個(gè)能用簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)公式描述的幾何球體。第二近似是把地球視為旋轉(zhuǎn)橢球，如圖 1.1所示。
圖 1.1 近似的地球數(shù)理模型
（1.1）
式中 a-----為長(zhǎng)短軸，在赤道平面內(nèi)；
b-----短半軸，與地球自轉(zhuǎn)重合。
旋轉(zhuǎn)的橢球的扁率為
ξ = （1.2）
已知其參數(shù)：長(zhǎng)半軸 a = 6378.206km
短半軸 b = 6356.586km
橢球度 ξ=1/295
1.2.2地球的自轉(zhuǎn)和角速度
在慣性空間，地球繞本身的地軸自轉(zhuǎn)，并繞太陽(yáng)作公轉(zhuǎn)。地球公轉(zhuǎn)一周為一
年，需365 天，實(shí)際上地球相對(duì)恒星轉(zhuǎn)動(dòng)了366 次，因此地球在24 小時(shí)內(nèi)相對(duì)
恒星自轉(zhuǎn)了1,00274 周。太陽(yáng)在慣性空間不是恒定不變，但它的旋轉(zhuǎn)影響可以忽略不計(jì)。
地球的自轉(zhuǎn)的角速度為 w = 7.2921158x10*-5rad/s
1.2.3 導(dǎo)航用坐標(biāo)系
宇宙間任何物體的運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)的，因此運(yùn)載體的運(yùn)動(dòng)和導(dǎo)航定位，均需研
究它們相對(duì)坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)與位置。在慣性導(dǎo)航中常用的坐標(biāo)系由下列7種：
(1) 地心慣性坐標(biāo)系（簡(jiǎn)稱i系）坐標(biāo)系原點(diǎn)為O,設(shè)在地球的中心，X i軸和Yi 軸在地球赤道平面內(nèi)。Xi軸指向春分點(diǎn)，Zi軸指向地球極軸。春分點(diǎn)為天文測(cè)量中確定恒星時(shí)的起點(diǎn)。由此構(gòu)成的右手直角坐標(biāo)系OXYZ即為地心慣性坐標(biāo)系。
(2) 地球坐標(biāo)系（簡(jiǎn)稱e系）
坐標(biāo)系的原點(diǎn)取在地球中心，與地球固聯(lián)，Ze軸指向地球極軸,Xe軸和Ye軸位于赤道平面，且Xe軸通過(guò)零子午線。由此構(gòu)成的右手直角坐標(biāo)系OXYZ即為地球坐標(biāo)系。
(3) 地理坐標(biāo)系（簡(jiǎn)稱g 系）坐標(biāo)系的原點(diǎn)取在運(yùn)載體重心。 Yg軸指向東，即E；Yg軸指向北，即N；Zg軸指向地，即D。此時(shí)的地理坐標(biāo)系常表示為右手直角坐標(biāo)系OEND，即東北地坐標(biāo)系。有時(shí)采用ONEZ坐標(biāo)系，即北東天坐標(biāo)系，Zg軸指向天頂。本篇論文除特別說(shuō)明外，均采用OEND坐標(biāo)系。
(4) 運(yùn)載體坐標(biāo)系（簡(jiǎn)稱b系）
坐標(biāo)系的原點(diǎn)取在運(yùn)載體重心，并與運(yùn)載體固聯(lián)。Yb軸指向運(yùn)載體的縱軸方
向；Zb軸指向運(yùn)載體的豎軸方向，由此構(gòu)成的右手直角坐標(biāo)系為運(yùn)載
體坐標(biāo)系，可簡(jiǎn)稱為載體坐標(biāo)系。運(yùn)載體為艦艇時(shí),b系即為艦艇坐標(biāo)系。
(5) 平臺(tái)坐標(biāo)系（簡(jiǎn)稱p系）與慣導(dǎo)系統(tǒng)中的物理平臺(tái)（平臺(tái)式系統(tǒng)）或數(shù)學(xué)平臺(tái)(捷聯(lián)式系統(tǒng))固聯(lián)的右手直角坐標(biāo)系 OXYZ稱為平臺(tái)坐標(biāo)系.
(6) 導(dǎo)航坐標(biāo)系（簡(jiǎn)稱t 系）
導(dǎo)航坐標(biāo)系為慣導(dǎo)系統(tǒng)在求解導(dǎo)航參數(shù)時(shí)所采用的坐標(biāo)系。對(duì)平臺(tái)式慣導(dǎo)系
統(tǒng)來(lái)說(shuō)，理想的平臺(tái)坐標(biāo)系就是導(dǎo)航坐標(biāo)系。指北半解析式慣導(dǎo)系統(tǒng)中平臺(tái)的理
想指向?yàn)榈乩碜鴺?biāo)系，則該系統(tǒng)中的導(dǎo)航坐標(biāo)系即采用地理坐標(biāo)系。對(duì)捷聯(lián)式慣
導(dǎo)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，導(dǎo)航參數(shù)并不一定在運(yùn)載體坐標(biāo)系內(nèi)求解，可將加速度計(jì)的信號(hào)分
解到某個(gè)求解導(dǎo)航參數(shù)較方便的坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行計(jì)算.
(7) 計(jì)算坐標(biāo)系（簡(jiǎn)稱c 系）此種坐標(biāo)系是為了便于研究慣導(dǎo)系統(tǒng)而人為引進(jìn)的一種虛擬坐標(biāo)系，是以計(jì)算所得的經(jīng)緯度（λc,Lc）為原點(diǎn)O建立起來(lái)的地理坐標(biāo)系OXYZc，它與運(yùn)載體實(shí)際位置O點(diǎn)上建立的地理坐標(biāo)系OXYZg不一致。兩個(gè)坐標(biāo)系之間的夾角為慣導(dǎo)系統(tǒng)的定位誤差。平臺(tái)坐標(biāo)系OXYZp相對(duì)于地理坐標(biāo)系 OXYZg的夾角為平臺(tái)的姿態(tài)角Φ。平臺(tái)坐標(biāo)系OXYZp 相對(duì)于計(jì)算坐標(biāo)系 OXYZc的夾角稱為Ψ 。
1.3 捷聯(lián)式和平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的主要區(qū)別
從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，捷聯(lián)式和平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的主要區(qū)別是前者沒(méi)有實(shí)體導(dǎo)航平
臺(tái)，而后者有實(shí)體導(dǎo)航平臺(tái)。在平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)中，導(dǎo)航平臺(tái)的主要功能是模擬
導(dǎo)航坐標(biāo)系，把導(dǎo)航加速度計(jì)的測(cè)量軸穩(wěn)定在導(dǎo)航坐標(biāo)系軸向，使其能直接測(cè)量
載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系軸向的加速度，并且可以用幾何的方法，從平臺(tái)的框架軸上直
接拾取載體的姿態(tài)和航向信息。而捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)則不用實(shí)體導(dǎo)航平臺(tái)，把
加速度計(jì)和陀螺直接安裝在載體機(jī)體上，在計(jì)算機(jī)中實(shí)時(shí)的計(jì)算姿態(tài)矩陣，通過(guò)
姿態(tài)矩陣把導(dǎo)航加速度計(jì)測(cè)量的載體沿機(jī)體坐標(biāo)系軸向的加速度信息變換到導(dǎo)
航坐標(biāo)系，然后進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算。同時(shí)從姿態(tài)矩陣的元素中提取姿態(tài)和航向的信息。
由此可見(jiàn)，在捷聯(lián)式慣導(dǎo)中，是用計(jì)算機(jī)來(lái)完成導(dǎo)航平臺(tái)的功用。所以有時(shí)也說(shuō)
捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)是采用“數(shù)學(xué)導(dǎo)航平臺(tái)”。除此之外，其它導(dǎo)航計(jì)算則是基本相
同的。
圖 1.2 平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)原理
圖1.2是平臺(tái)式導(dǎo)航系統(tǒng)的原理示意圖，導(dǎo)航加速度計(jì)和陀螺都安裝在導(dǎo)航平臺(tái)上，加速度計(jì)輸出的信息，送到導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)除計(jì)算飛行器位
置、速度等導(dǎo)航信息外，還要計(jì)算對(duì)陀螺的施矩信息。陀螺在施矩信息作用下，
通過(guò)平臺(tái)穩(wěn)定回路控制平臺(tái)跟蹤導(dǎo)航坐標(biāo)系在慣導(dǎo)空間的角運(yùn)動(dòng)。而飛行器的姿
態(tài)和方位信息，則從平臺(tái)的框架軸上直接測(cè)量得到。
圖 1.3是捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的原理示意圖。導(dǎo)航加速度計(jì)和陀螺直接安裝在載體上，用陀螺測(cè)量的角速度信息減去計(jì)算的導(dǎo)航坐標(biāo)系相對(duì)慣性空間的角速
度，則得到機(jī)體坐標(biāo)系相對(duì)導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度，利用這個(gè)信息進(jìn)行姿態(tài)矩陣的
計(jì)算。有了姿態(tài)矩陣，就可以把機(jī)體坐標(biāo)系軸向的加速度變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系軸向，
然后進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算。同時(shí)利用姿態(tài)矩陣的元素，提取姿態(tài)和航向信息。所以，姿
態(tài)矩陣的計(jì)算、加速度信息的坐標(biāo)變換、姿態(tài)航向角的計(jì)算。這三項(xiàng)功能實(shí)際上
代替了導(dǎo)航平臺(tái)的功能，因此，計(jì)算機(jī)的這三項(xiàng)功能也就是所謂的“數(shù)學(xué)平臺(tái)”。
而計(jì)算的導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度信息則相當(dāng)于導(dǎo)航平臺(tái)上的陀螺施矩信息。
圖 1.3 捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)原理
1.4 慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)
1.4.1 初始對(duì)準(zhǔn)的分類
(1) 按對(duì)準(zhǔn)的階段來(lái)分慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)一般分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段為粗對(duì)準(zhǔn)，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行水平與方位粗調(diào)，要求盡快地將平臺(tái)對(duì)準(zhǔn)在一定精度范圍內(nèi)，為后繼的對(duì)準(zhǔn)提供基礎(chǔ)，所以要求速度快，精度可以低一些。第二階段為精對(duì)準(zhǔn)，是在粗對(duì)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，要求在保證對(duì)準(zhǔn)精度的前提下盡量快。
(2) 按對(duì)準(zhǔn)的軸系來(lái)分取地理坐標(biāo)系為導(dǎo)航坐標(biāo)系的情況下，初始對(duì)準(zhǔn)可分為水平對(duì)準(zhǔn)和方位對(duì)準(zhǔn)。在平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)中，物理平臺(tái)通常先進(jìn)行水平對(duì)準(zhǔn)，然后進(jìn)行平臺(tái)的水平與方位對(duì)準(zhǔn)。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)平臺(tái)，一般情況下水平對(duì)準(zhǔn)與方位對(duì)準(zhǔn)是同時(shí)進(jìn)行的。
(3) 按基座的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)分按照安裝慣導(dǎo)系統(tǒng)所在基座的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為靜基座對(duì)準(zhǔn)和動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)。動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)通常是在載體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行的。
(4) 按對(duì)準(zhǔn)時(shí)對(duì)外信息的需求來(lái)分慣導(dǎo)系統(tǒng)只依靠重力矢量和地球速率矢量通過(guò)解析方法實(shí)現(xiàn)的初始對(duì)準(zhǔn)稱為自主式對(duì)準(zhǔn)，此時(shí)不需要其它外部信息，自主性強(qiáng)、但精度不高。非自主式對(duì)準(zhǔn)可通過(guò)機(jī)電和光學(xué)方法將外部參考坐標(biāo)系引入系統(tǒng)，使平臺(tái)對(duì)準(zhǔn)至導(dǎo)航坐標(biāo)系。在捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)的粗對(duì)準(zhǔn)階段，可引入主慣導(dǎo)系統(tǒng)的航向信息，迅速將數(shù)學(xué)平臺(tái)對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)航坐標(biāo)系，減少初始失調(diào)角。在精對(duì)準(zhǔn)階段，可采用受控對(duì)準(zhǔn)方法，利用其它導(dǎo)航設(shè)備（如GPS、記程儀等）提供的信息（如位置和速度等）作為觀測(cè)信息，通過(guò)卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)精對(duì)準(zhǔn)。
1.4.2 初始對(duì)準(zhǔn)的要求
慣導(dǎo)系統(tǒng)不論用于運(yùn)載體導(dǎo)航和武器彈藥中的制導(dǎo)，還是用于觀測(cè)系統(tǒng)與火
控系統(tǒng)的航向姿態(tài)基準(zhǔn)，均要求初始對(duì)準(zhǔn)保證必需的準(zhǔn)確性與快速性。用于艦船
與飛機(jī)的慣導(dǎo)系統(tǒng)，對(duì)準(zhǔn)時(shí)間可略長(zhǎng)些，如裝備民航飛機(jī)用的慣導(dǎo)系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)時(shí)
間容許為15～20分鐘。平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的水平對(duì)準(zhǔn)精度達(dá)到10″以內(nèi)，方位對(duì)
準(zhǔn)精度達(dá)2′～5′以內(nèi)。用于艦炮武器系統(tǒng)的捷聯(lián)式航姿系統(tǒng)，基于對(duì)其快速反應(yīng)的要求，靜基座對(duì)準(zhǔn)時(shí)間要求在10分鐘左右，動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)時(shí)間要求在20分
鐘左右。
為了達(dá)到初始對(duì)準(zhǔn)精而快的要求，陀螺儀與加速度計(jì)必須具有足夠高的精度
和穩(wěn)定性，系統(tǒng)的魯棒性要好，對(duì)外界的干擾不敏感。
1.4.3 干擾觀測(cè)與補(bǔ)償
抑制干擾是穩(wěn)定回路的主要任務(wù)。如果干擾量可測(cè), 就能通過(guò)前饋補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)抑制, 但光電跟瞄平臺(tái)的干擾輸入一般無(wú)法直接測(cè)量。可以采用基于狀態(tài)空間的干擾觀測(cè)器觀測(cè)擾動(dòng)并進(jìn)行前饋補(bǔ)償, 具體方法是對(duì)干擾信號(hào)的模型進(jìn)行合理假設(shè), 將干擾作為系統(tǒng)的增廣狀態(tài)變量, 把干擾模型加入到原系統(tǒng)中構(gòu)成增廣系統(tǒng),用常規(guī)的極點(diǎn)配置設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)狀態(tài)觀測(cè)器和狀態(tài)反饋控制器, 從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)干擾補(bǔ)償和跟蹤控制。采用此方法設(shè)計(jì)了跟瞄平臺(tái)穩(wěn)定控制回路, 經(jīng)仿真驗(yàn)證, 穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差從011 mrad 降至0104 mrad。以上方法在進(jìn)行模型假設(shè)時(shí),將干擾看作確定性信號(hào),而實(shí)際跟瞄平臺(tái)所受的干擾很復(fù)雜,只能獲得它的隨機(jī)統(tǒng)計(jì)模型,因此上述方法具有一定局限, 特別是當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生變化時(shí)抗擾性能會(huì)降低。
1.4.4 質(zhì)量恢復(fù)控制
質(zhì)量恢復(fù)技術(shù)的提出是為了解決光學(xué)元件跟蹤結(jié)構(gòu)的干擾抑制問(wèn)題。圖1.4控制回路中的擾動(dòng)主要是飛機(jī)的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)、高頻振動(dòng)通過(guò)摩擦耦合與幾何耦合產(chǎn)生的力矩?cái)_動(dòng), 它的頻帶較寬, 是引起跟蹤誤差的主要因素。為了抑制粗、精跟蹤回路中的高頻力矩干擾,常規(guī)的設(shè)計(jì)思想是, 用精跟蹤回路對(duì)粗跟蹤回路的跟蹤誤差進(jìn)行前饋補(bǔ)償,通過(guò)提高精跟蹤回路的帶寬, 實(shí)現(xiàn)對(duì)寬帶干擾的主動(dòng)抑制。由于精跟蹤回路的帶寬受到慣性反饋元件的帶寬限制無(wú)法提得很高, 所以慣性元件帶寬以外的干擾無(wú)法抑制。質(zhì)量恢復(fù)控制的設(shè)計(jì)思想與常規(guī)相反: 首先斷開(kāi)精跟蹤回路的參考輸入, 使圖1.4 中的K =0,同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)反射鏡光路使λ = 1 ,此時(shí)精跟蹤回路僅僅起隨動(dòng)粗跟蹤回路的作用, 通過(guò)盡量降低精跟蹤回路的帶寬, 可以有效的濾除粗跟蹤回路輸出信號(hào)中由于擾動(dòng)產(chǎn)生的高頻噪聲,這種類似低通濾波的干擾抑制方法不受慣性反饋元件的帶寬限制, 能獲得很高的穩(wěn)定精度。使用此方法的前提是跟蹤指令具有低頻特性(5～3 Hz) , 適用于跟蹤指令頻帶較窄而干擾嚴(yán)重的機(jī)載跟瞄平臺(tái)。德州儀器公司生產(chǎn)的圖像穩(wěn)定平臺(tái)和西安應(yīng)用光學(xué)研究所設(shè)計(jì)的光電跟瞄系統(tǒng)原理樣機(jī)都采用了這種設(shè)計(jì)思想。
圖 1.4 質(zhì)量恢復(fù)的控制原理圖
1.4.5 捷聯(lián)式與平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)的區(qū)別
在平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)中，平臺(tái)的誤差方程是研究初始對(duì)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。平臺(tái)誤差方
程描述了平臺(tái)系相對(duì)地理坐標(biāo)系的誤差變化率與系統(tǒng)誤差源之間的關(guān)系。平臺(tái)式
慣導(dǎo)系統(tǒng)是利用加速度計(jì)輸出信息作為對(duì)準(zhǔn)修正信息。對(duì)準(zhǔn)的本質(zhì)是將重力加速
度的方向作為水平對(duì)準(zhǔn)的基準(zhǔn)，其對(duì)準(zhǔn)精度主要取決于兩個(gè)加速度計(jì)的精度。作
為方向?qū)?zhǔn)的羅經(jīng)準(zhǔn)則是利用了羅經(jīng)效應(yīng)，其本質(zhì)則是將地球角速率向量的方向
（北向分量）作為方位對(duì)準(zhǔn)的基準(zhǔn)，其對(duì)準(zhǔn)精度主要取決于東向陀螺漂移。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)的基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)平臺(tái)的誤差方程。對(duì)準(zhǔn)的修正信息，除了加速度計(jì)的輸出信息外，還利用了陀螺儀的輸出信息。其水平對(duì)準(zhǔn)精度同樣取決于加速度計(jì)的測(cè)量精度；方位對(duì)準(zhǔn)精度取決于等效東向陀螺漂移。因此，為了提高捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)精度，有必要建立慣性器件的誤差方程，并對(duì)其誤差補(bǔ)償，為提高初始對(duì)準(zhǔn)精度提供必要的條件。平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)是由慣性器件輸出的信息，經(jīng)計(jì)算機(jī)中的對(duì)準(zhǔn)程序處理產(chǎn)生控制信號(hào)，施矩于陀螺儀，從而迫使平臺(tái)在陀螺的控制下自動(dòng)趨向于地理系。而捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)，則是由慣性敏感元件的輸出信息，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)算（按對(duì)準(zhǔn)程序），不斷的將數(shù)學(xué)平臺(tái)變換到能精確的描述理想載體系到地理系（導(dǎo)航系）的方向余弦矩陣。這兩種慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)的主要區(qū)別在于慣性器件安裝的環(huán)境不同，捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)精度受載體的干擾運(yùn)動(dòng)的影響比較嚴(yán)重，因此，濾波技術(shù)的應(yīng)用比平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)顯得重要。
1.5 車載慣導(dǎo)平臺(tái)的概述
攝像穩(wěn)定平臺(tái)的結(jié)構(gòu)通常由方位轉(zhuǎn)臺(tái)、雙軸穩(wěn)定框架及俯仰叉架組成。它安裝在汽車的頂部。由于汽車頂部的攝像機(jī)受道路路況的干擾而產(chǎn)生縱、橫搖及上下坡，側(cè)傾運(yùn)動(dòng),使方位水平基準(zhǔn)不斷地發(fā)生變化,攝像機(jī)受道路的影響而不穩(wěn)定,常使被攝像目標(biāo)丟失,所以攝像機(jī)必須架設(shè)在穩(wěn)定平臺(tái)上,通過(guò)穩(wěn)定平臺(tái)的縱搖和橫搖驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)補(bǔ)償汽車的搖擺運(yùn)動(dòng),使攝像機(jī)保持水平狀態(tài),另外通過(guò)方位及俯仰的人為控制實(shí)現(xiàn)對(duì)被攝目標(biāo)的捕捉。
1.5.1 穩(wěn)定平臺(tái)的種類
穩(wěn)定平臺(tái)有多種結(jié)構(gòu)型式:按轉(zhuǎn)軸的數(shù)目可以分為一軸、二軸、三軸、四軸。一般來(lái)講搜索、引導(dǎo)雷達(dá)在垂直方向上波瓣較寬或者垂直方向是電掃描的,只要求天線在方位上轉(zhuǎn)動(dòng),就能覆蓋預(yù)定的空間;衛(wèi)星通信地球站和射電望遠(yuǎn)鏡,通常采用圓拋物面天線,波束窄,必須使天線在方位和俯仰上同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)才能掃掠整個(gè)空域;雷達(dá)為了補(bǔ)償汽車縱、橫搖擺影響,常采用三軸或四軸的天線座見(jiàn)圖1.5。
圖 1.5 天線座結(jié)構(gòu)圖
縱橫搖框架、攝像機(jī)俯仰叉架組成見(jiàn)圖1.6。
圖 1.6 攝像穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖
基座安裝于汽車頂部,橫搖軸與艦首尾線平行。
圖1.5中,基座安裝于汽車上;縱、橫搖框架架設(shè)在方位旋轉(zhuǎn)叉架上;縱、橫搖框架由X和Y軸的兩個(gè)搖擺環(huán)組成一個(gè)平面,這兩個(gè)搖擺環(huán)均為高精度隨動(dòng)系統(tǒng),能快速準(zhǔn)確地消除汽車搖擺,使攝像機(jī)始終保持水平。攝像機(jī)安裝在俯仰叉架上并懸掛于縱/橫搖框架下,通過(guò)方位及俯仰驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤攝像。
1.5.2 攝像穩(wěn)定平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
因攝像機(jī)的尺寸較大,迎風(fēng)面積大,重量重,如按傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想,將方位俯仰軸置于X軸Y軸搖擺環(huán)之上,會(huì)帶來(lái)穩(wěn)定平臺(tái)輸出功率大、重心高、附加配重等現(xiàn)象,使得整個(gè)穩(wěn)定平臺(tái)的重量無(wú)法滿足總體指標(biāo)的要求;同時(shí),由于攝像機(jī)受其他負(fù)荷的擾動(dòng)較大,攝像穩(wěn)定精度較低。因此我們選擇了攝像機(jī)下置方式。具體特點(diǎn)如下:
(1) 不需造價(jià)昂貴的方位水平儀提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)信號(hào),而是自帶陀螺儀置于穩(wěn)定平臺(tái)的平面內(nèi),這對(duì)無(wú)方位水平儀的中小汽車極為合適。
(2) 由于采用重力平臺(tái),當(dāng)汽車震動(dòng)時(shí),平臺(tái)本身有自回零的能力,因此縱、橫搖驅(qū)動(dòng)電機(jī)只是克服其重力慣性。由此需要的電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率將減小,這樣縱、橫搖有可能采用直接驅(qū)動(dòng),從而可消除齒隙誤差,保證穩(wěn)定平臺(tái)的穩(wěn)定精度。
(3) 由于提供汽車信號(hào)的陀螺儀置于平臺(tái)內(nèi),從結(jié)構(gòu)上構(gòu)成了位置閉環(huán),不需旋轉(zhuǎn)變壓器對(duì)接來(lái)構(gòu)成位置閉環(huán)。這樣消除了對(duì)接誤差,提高了穩(wěn)定平臺(tái)的穩(wěn)定精度。
(4) 重力平臺(tái)對(duì)安裝平面沒(méi)有嚴(yán)格的要求,不象間接平臺(tái)的安裝平面一定要與方位水平儀安裝平面保持水平且要平行于頂部線,否則將造成很大的安裝誤差。這樣不但提高精度,而且給現(xiàn)場(chǎng)安裝帶來(lái)很大的方便。
(5) 由于傳動(dòng)回差小,使其工作過(guò)程極為平衡,確保了攝像過(guò)程無(wú)抖動(dòng),確保圖像質(zhì)量良好。
28
2 車載慣導(dǎo)平臺(tái)的整體形狀及分析
2 車載慣導(dǎo)平臺(tái)的整體形狀及分析
2.1 車載慣導(dǎo)平臺(tái)的整體形狀
圖 2.1 平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)
零件的實(shí)際形狀如上圖所示，從零件圖上看，該零件是典型的零件，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。基本的設(shè)計(jì)思路已初步完成。
2.1.1 穩(wěn)定平臺(tái)的性能要求
車載攝像穩(wěn)定平臺(tái)必須滿足下述性能要求:
（1）由于穩(wěn)定平臺(tái)架設(shè)在汽車上,基座是不穩(wěn)定的。這是因?yàn)槠囋诤叫袝r(shí)會(huì)發(fā)生震動(dòng)，傾斜等運(yùn)動(dòng)。根據(jù)汽車的搖擺幅度和周期,穩(wěn)定平臺(tái)的縱搖和橫搖驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須滿足架設(shè)在方位轉(zhuǎn)臺(tái)上的攝像機(jī)所需的搖擺范圍、搖擺角速度和角加速度,
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
補(bǔ)償汽車震動(dòng)的搖擺運(yùn)動(dòng)。一般穩(wěn)定平臺(tái)縱、橫搖的工作角度和周期為:縱搖工作范圍?4b、周期3 s(保精度);橫搖工作范圍?10b、周期4 s(保精度)。
(2) 穩(wěn)定平臺(tái)的縱、橫搖驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及方位、俯仰驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具有良好的傳動(dòng)性能,工作可靠,維護(hù)方便。
(3) 穩(wěn)定平臺(tái)應(yīng)具有足夠的穩(wěn)定精度:縱橫搖工作穩(wěn)定精度1 mrd;
(4) 穩(wěn)定平臺(tái)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度,布局要合理,結(jié)構(gòu)要緊湊。
(5) 盡量減輕穩(wěn)定平臺(tái)的重量,以利于降低艦艇的重心,提高艦艇的穩(wěn)定性。
(6) 穩(wěn)定平臺(tái)應(yīng)具有方位鎖定功能、機(jī)械限收位保護(hù)功能和自動(dòng)歸零功能。
2.1.2 驗(yàn)證是否滿足所設(shè)計(jì)的要求
要求為滿足車輛在道路上行駛時(shí)，路面的顛簸將會(huì)引起車輛發(fā)生俯仰、側(cè)傾和橫擺運(yùn)動(dòng)，。這些角運(yùn)動(dòng)的大小與車輛行駛速度和路面不平度具有密切關(guān)系。由于車輛行駛路況的種類很多，而且車速變化范圍也很大，若將環(huán)境識(shí)別傳感器直接安裝于車體之上，則傳感器的標(biāo)定就必須隨著車輛行駛路況的隨機(jī)變化而實(shí)時(shí)改變。只有在傳感器做出正確的標(biāo)定之后，才能獲取正確的車輛行駛環(huán)境信息。因此需要滿足兩個(gè)自由度旋轉(zhuǎn)的自由控制，通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的電機(jī)來(lái)分別控制操作X和Y方向的旋轉(zhuǎn)，使其X.Y方向避免相互干擾，此結(jié)構(gòu)正好滿足所設(shè)計(jì)的以上要求。
2.1.3 穩(wěn)定平臺(tái)穩(wěn)像原理
光學(xué)系統(tǒng)隨車體發(fā)生抖動(dòng)，要實(shí)現(xiàn)對(duì)該抖動(dòng)量進(jìn)行補(bǔ)償，需要感知該抖動(dòng)量。然后進(jìn)行補(bǔ)償。本文選用兩軸穩(wěn)定平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)視軸的穩(wěn)定。兩軸穩(wěn)定平臺(tái)以隔離原理為理論基礎(chǔ).選用現(xiàn)代控制元件為執(zhí)行元件.最終實(shí)現(xiàn)視軸在慣性空間的穩(wěn)定。兩軸穩(wěn)定平臺(tái)由方位環(huán)和俯仰環(huán)構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)在方位與俯仰方向的穩(wěn)定。方位環(huán)和俯仰環(huán)穩(wěn)定回路均采用陀螺儀作為慣性敏感元件，敏感載體運(yùn)動(dòng)在方位上產(chǎn)生角誤差;該角誤差信號(hào)以相應(yīng)極性和線性比例的電壓信號(hào)形式輸出;經(jīng)過(guò)預(yù)處理的電壓信號(hào)通過(guò)控制器在直流力矩電機(jī)軸上產(chǎn)生反作用穩(wěn)定力矩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)視軸擾動(dòng)的抑制、保持視軸在慣性空間的相對(duì)穩(wěn)定。
2.2 車載慣導(dǎo)平臺(tái)方位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
車載攝像穩(wěn)定平臺(tái)方位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原先采用的是步進(jìn)電機(jī)加一級(jí)減速(i=10)驅(qū)動(dòng)。在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩在高速下略顯不足,產(chǎn)生失步現(xiàn)象。另外步進(jìn)電機(jī)的脈沖驅(qū)動(dòng)方式降低了攝像的穩(wěn)定性。因此在后續(xù)產(chǎn)品中,將方位驅(qū)動(dòng)改成了直流伺服機(jī)組加2級(jí)減速(i=40)的驅(qū)動(dòng)。由于減速比的增大,在選擇電機(jī)時(shí),可選擇輸出力矩小一級(jí)的電機(jī),同時(shí)結(jié)構(gòu)的重量也減輕了。
由于平臺(tái)在結(jié)構(gòu)上基本對(duì)稱于平臺(tái)的方位軸,因此在方位上主要考慮附加震動(dòng)力矩的影響。實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中,方位軸所需的輸出力矩為250 Nm方位電機(jī)的輸出扭矩應(yīng)不小于下面公式計(jì)算所得:T =T/i=250/40=6.25 Nm(1)式中:T為方位電機(jī)輸出扭矩;T1為平臺(tái)方位負(fù)荷;i為傳動(dòng)比。
2.3 艦載攝像穩(wěn)定平臺(tái)的傳動(dòng)方式
艦載攝像穩(wěn)定平臺(tái)由方位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、俯仰驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、縱橫搖驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成?？v搖驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)縱搖軸擺動(dòng),橫搖驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)橫搖軸擺動(dòng)。詳細(xì)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.7
圖 2.2 攝像穩(wěn)定平臺(tái)傳動(dòng)示意圖
2.3.1 車載攝像穩(wěn)定平臺(tái)俯仰驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
車載攝像穩(wěn)定平臺(tái)俯仰驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由原來(lái)的扇齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)改為滾珠絲杠機(jī)構(gòu)。滾珠絲杠機(jī)構(gòu)又稱為滾動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu),是一種可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng),又可以將直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。它具有速比大、體積小、重量輕、摩擦損耗小、傳動(dòng)精度高等特點(diǎn)。相比以往扇齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu),選擇滾珠絲杠機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是比較臺(tái)理的,它具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1) 因?yàn)閿z像機(jī)重量大,雖然俯仰軸基本安裝在攝像機(jī)的型心位置,但在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,慣性較大,同時(shí)攝像機(jī)的焦距大,俯仰角度變化要求小,所以要求傳動(dòng)功率大,速比大。而滾珠絲杠副的導(dǎo)程小,降速比大,如要得到相同的牽引力.所需的扭矩與扇齒輪傳動(dòng)相比較要小。
(2) 滾珠絲杠機(jī)構(gòu)體積小、重量輕,有利于減輕整個(gè)穩(wěn)定平臺(tái)的重量及縱、橫電機(jī)的輸出扭矩;而且絲杠機(jī)構(gòu)本身就具備限位和緩沖功能。
(3) 滾珠絲杠機(jī)構(gòu)的精度高,有利于提高整個(gè)平臺(tái)的精度。由于攝像機(jī)俯仰范圍小,絲杠的有效行程很短,絲杠軸向間隙可以控制。
(4) 滾珠絲杠機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),無(wú)顫動(dòng),低速運(yùn)行無(wú)爬行,傳動(dòng)效率高,適合小容量伺服電機(jī)。由于攝像機(jī)的配重較好,俯仰軸所考慮的力矩主要是攝像機(jī)迎風(fēng)時(shí)的上下形狀不規(guī)則所產(chǎn)生的風(fēng)力矩,加上其他因素,俯仰軸所需的輸出力矩為25 Nm。俯仰電機(jī)的輸出扭矩應(yīng)不小于下面公式計(jì)算所得:
Ta=Fal/2πη=0.25 Nm(2)式中:Ta為俯仰電機(jī)輸出扭矩;Fa為滾珠絲杠軸
向負(fù)荷;l為滾珠絲杠導(dǎo)程等于0.004;η為正效率為0.9。
2.3.2 攝像穩(wěn)定平臺(tái)縱、橫搖驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
車載攝像穩(wěn)定平臺(tái)縱、橫搖驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是整個(gè)平臺(tái)的關(guān)鍵所在,它直接影響到平臺(tái)的穩(wěn)定精度。因此我們采用了直流力矩電機(jī)、測(cè)速機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式。在圖 2.7中,平臺(tái)上部由X和Y軸的2個(gè)搖擺環(huán)(縱搖、橫搖)組成一個(gè)平面,這2個(gè)搖擺環(huán)均為高精度隨動(dòng)系統(tǒng),能快速準(zhǔn)確地消除船體搖擺,使攝像機(jī)始終保持水平。
3 制定車載慣導(dǎo)平臺(tái)材料的選擇和確定尺寸
3 制定車載慣導(dǎo)平臺(tái)材料的選擇和確定尺寸
3.1 整體材料的的選擇
車載慣導(dǎo)平臺(tái)要求具有較高強(qiáng)度，耐磨性，耐熱性及減振性，由于承受較大應(yīng)力和要求耐磨零件，以及經(jīng)濟(jì)適用性，所以選其材料為HT200，該材料為灰鑄鐵。
3.2 制定整體尺寸
圖 3.1 車載慣導(dǎo)平臺(tái)的整體尺寸公差
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
3.2.1 各個(gè)零件尺寸的確定
圖 3.2 平臺(tái)底座基本尺寸
圖 3.3 平臺(tái)支撐架基本尺寸
圖 3.4 平臺(tái)外框基本尺寸
圖3.5 內(nèi)框基本尺寸
4 計(jì)算車在平臺(tái)慣性力矩和功率
4 計(jì)算車在平臺(tái)慣性力矩和功率
4.1 電機(jī)的作用
執(zhí)行元件影響著被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)狀況與系統(tǒng)精度。通常選用電機(jī)作為穩(wěn)定平臺(tái)伺服控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件。目前使用的電機(jī)有:直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電機(jī)以及直流力矩電機(jī)等。根據(jù)平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的工作要求，選用直流力矩電機(jī)作為穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件。
4.2 由慣性力矩來(lái)確定電機(jī)的功率
4.2.1 電機(jī)種類
（1） 按工作電源種類工作電源種類工作電源種類工作電源種類劃分可分為直流電機(jī)直流電機(jī)直流電機(jī)直流電機(jī)和交流電機(jī)交流電機(jī)交流電機(jī)交流電機(jī)。
（2） 按結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理劃分可分為直流電機(jī)直流電機(jī)直流電機(jī)直流電機(jī)、異步電機(jī)異步電機(jī)異步電機(jī)異步電機(jī)、同步電機(jī)同步電.
（3） 按起動(dòng)與運(yùn)行方式起動(dòng)與運(yùn)行方式起動(dòng)與運(yùn)行方式起動(dòng)與運(yùn)行方式劃分電容起動(dòng)式單相異步電機(jī)電容起動(dòng)式單相異步電機(jī)電容起動(dòng)式單相異步電機(jī)電容起動(dòng)式單相異步電機(jī)、電容運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電機(jī)電容運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電機(jī)電容運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電機(jī)電容運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電機(jī)、電容起動(dòng)運(yùn)電容起動(dòng)運(yùn)電容起動(dòng)運(yùn)電容起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電機(jī)轉(zhuǎn)式單相異步電機(jī)轉(zhuǎn)式單相異步電機(jī) 轉(zhuǎn)式單相異步電機(jī)和分相式單相異步電機(jī)分相式單相異步電機(jī)分相式單相異步電機(jī)分相式單相異步電機(jī)。
（4） 按用途用途用途用途劃分驅(qū)動(dòng)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)用電機(jī)和控制用電機(jī)控。
（5）按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)劃分籠型感應(yīng)電機(jī)籠型感應(yīng)電機(jī)籠型感應(yīng)電機(jī)籠型感應(yīng)電機(jī)舊標(biāo)準(zhǔn)稱為鼠籠型異步電機(jī)鼠籠型異步電機(jī)鼠籠型異步電機(jī)鼠籠型異步電機(jī)和繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)繞線轉(zhuǎn)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
子感應(yīng)電機(jī)繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)舊標(biāo)準(zhǔn)稱為繞線型異步電機(jī)繞線型異步電機(jī)繞線型異步電機(jī)繞線型異步電機(jī)。
（6） 按運(yùn)轉(zhuǎn)速度運(yùn)轉(zhuǎn)速度運(yùn)轉(zhuǎn)速度運(yùn)轉(zhuǎn)速度劃分高速電動(dòng)機(jī)高速電動(dòng)機(jī)高速電動(dòng)機(jī)高速電動(dòng)機(jī)、低速電動(dòng)機(jī)低速電動(dòng)機(jī)低速電動(dòng)機(jī)低速電動(dòng)機(jī)、恒速電動(dòng)機(jī)恒速電動(dòng)機(jī)恒速電動(dòng)機(jī)恒速電動(dòng)機(jī)、調(diào)速電動(dòng)機(jī)調(diào)速電動(dòng)機(jī)調(diào)速電動(dòng)機(jī)調(diào)速電動(dòng)機(jī)。
4.2.2 功率的計(jì)算
內(nèi)外框的質(zhì)量分別是0.8kg、1kg。所以有公式可得 G = mg （4.1）
內(nèi)框重量 G1 = 0.8*9.8 = 7.84 N （4.2）
外框重量 G2 = 1*9.8 = 9.8 N （4.3）
已知各摩擦系數(shù)μ= 0.36 則可得其內(nèi)外框的力為 f1 = 2.8224 N
外框力為 f2 = 3.528 N
由公式 = FV就可以計(jì)算功率太小，所以選擇最小的步進(jìn)電機(jī)足以滿足其設(shè)計(jì)要求，即選擇步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為：
表 4.1
電機(jī)型號(hào)
步距角
機(jī)身長(zhǎng)
相電壓
相電流
相電阻
相電感
靜力矩
定位
力矩
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
引線數(shù)
57BYGH7610
1.8
76mm
8.6v
1.0A
8.6Ω
18mH
2N.M
6N.cm
480
6
結(jié)論
結(jié) 論
機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)是我們?cè)趯W(xué)完了大學(xué)的全部基礎(chǔ)課，專業(yè)基礎(chǔ)課以及專業(yè)課后進(jìn)行的。這是進(jìn)行了生產(chǎn)實(shí)習(xí)之后的一項(xiàng)重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，也是在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)之前對(duì)所學(xué)的各科課程一次深入的綜合性總復(fù)習(xí)，和一次理論聯(lián)系實(shí)際的訓(xùn)練。因此，它在我們的大學(xué)四年生活中占有重要的地位。
就我個(gè)人而言，我希望通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)自己未來(lái)將從事的工作進(jìn)一步適應(yīng)性的訓(xùn)練，希望自己在設(shè)計(jì)中能鍛煉自己的分析問(wèn)題、解決問(wèn)題、查資料的能力 ，為以后的工作打下良好的基礎(chǔ)。
這次畢業(yè)設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用完美以前學(xué)習(xí)過(guò)的專業(yè)知識(shí)，聯(lián)系實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中所學(xué)習(xí)到的知識(shí)，獨(dú)立分析問(wèn)題，解決問(wèn)題；根據(jù)技術(shù)參數(shù)及相關(guān)要求，對(duì)一些基本的機(jī)械結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)，完成設(shè)計(jì)方案，達(dá)到預(yù)期的目的；同時(shí)也是一次熟悉和查閱相關(guān)手冊(cè)、圖標(biāo)、文獻(xiàn)的機(jī)會(huì)，以及設(shè)計(jì)、計(jì)算、交合的系統(tǒng)化的演練。
由于能力有限、時(shí)間有限，設(shè)計(jì)尚有很多不足之處，希望各位老師給予指導(dǎo)。
參考文獻(xiàn)
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致謝
致 謝
本論文的所有研究工作從論文的選題、實(shí)現(xiàn)條件到論文的寫(xiě)作等階段都是在賈導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下完成的。賈老師以其嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風(fēng)和大膽創(chuàng)新的進(jìn)取精神對(duì)我產(chǎn)生重要影響。他淵博的知識(shí)、開(kāi)闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。賈老師經(jīng)常到寢室來(lái)悉心指導(dǎo)我的學(xué)習(xí)，在我設(shè)計(jì)遇到難題時(shí)，是他給了我信心，使我能夠順利地完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。在此謹(jǐn)向賈老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。
感謝我的同班同學(xué)們，從遙遠(yuǎn)的家來(lái)到這個(gè)陌生的城市里，是你們和我共同維系著彼此之間兄弟般的感情，維系著寢室那份家的融洽。四年了，仿佛就在昨天。也祝愿離開(kāi)學(xué)校的兄弟們開(kāi)開(kāi)心心，我們?cè)谝黄鸬娜兆?，我?huì)記一輩子的。
在論文即將完成之際，我的心情無(wú)法平靜，從開(kāi)始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的老師、同學(xué)、朋友給了我無(wú)言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長(zhǎng)大含辛茹苦的父母，謝謝你們!
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明
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秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)與優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的成果，不包含他人已申請(qǐng)學(xué)位或其他用途使用過(guò)的成果。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了致謝。
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