车载惯导平台设计【优秀毕业论文 答辩通过】

西安工业大学北方信息工程学院 本科毕业设计 (论文 ) 题目 ： 车载惯导平台设计 系 别 ： 机电信息系 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 学 生： 张超 学 号： 指导教师： 贾培刚 2013 年 05 月 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 本科毕业设计 (论文 ) 题目 ： 车载惯导平台设计 系 别 ： 机电信息系 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 学 生： 学 号： 指导教师： 2013 年 05 月 需要购买对应 纸 咨询 14951605 I 车载惯导平台设计 摘 要 车载惯导平台是指车辆在道路上行驶时，路面的颠簸将会引起车辆发生俯仰、侧倾和横摆运动，。这些角运动的大小与车辆行驶速度和路面不平度具有密切关系。由于车辆行驶路况的种类很多，而且车速变化范围也很大，若将环境识别传感器直接安装于车体之上，则传感器的标定就必须随着车辆行驶路况的随机变化而实时改变。只有在传感器做出正确的标定之后，才能获取正确的车辆行驶环境信息。 关键词： 平台的设计 初始对准 需要购买对应 纸 咨询 14951605 to on is of a of is if on of is to of of to to he of 录 1 绪 论 . 1 惯性导航的基础知识 . 3 球形状及重力特性 . 3 球的自转和角速度 . 4 航用坐标系 . 4 联式和平台式惯导系统的主要区别 . 5 始 对准的分类 . 7 始对准的要求 . 7 扰观测与补偿 . 7 量恢复控制 . 8 载惯导平台的概述 . 9 像稳定平台的结构特点 . 11 2 车载惯导平台的整体形状及分析 . 12 载惯导平台的整体形状 . 12 定平台的性能要求 . 12 证是否满足所设计的要求 . 13 定平台稳像原理 . 13 载惯导平台方位驱动系统 . 13 载摄像稳定平台的传动方式 . 14 载摄像稳定平台俯仰驱动系统 . 14 像稳定平台纵、横摇驱动系统 . 15 3 制定车载惯导平台材料的选择和确定尺寸 . 16 体材料的的选择 . 16 定整体尺寸 . 16 个零件尺寸的确定 . 17 4 计算车在平 台惯性力矩和功率 . 21 机的作用 . 21 惯性力矩来确定电机的功率 . 21 机种类 . 21 率的计算 . 22 结 论 . 23 参考文献 . 24 谢 . 25 毕业设计（论文）知识产权声明 . 错误 !未定义书签。 毕业设计（论文）独创性声明 . 26 1 绪论 1 1 绪 论 进入 21 世纪，随着科学技本的迅猛发展，传统的制造技 术已进入现代制造技术的新阶段。 为保证和增强车载武器系统的快速机动性 ,现代先进的陆地作战车辆 ,如自行火炮、远程火箭炮、前线侦察车、射击指挥车、导弹发射车等 ,一般均配备有惯性定位定向系统。车载惯性定位定向系统的技术性能和可靠性与陆地作战车辆的战斗力和快速反应能力有着极为密切的关系。定位定向系统不仅要有较高的精度指标 ,还必须具备较高的工作可靠性 ,才能保证产品在恶劣的车载环境条件下全寿命可靠地工作。某型号车载惯性定位定向系统是专门为陆地作战车辆设计的一种导航及姿态参考系统 ,可为载体快速提供高精度的北向方位和姿态基准 ,并实时进行定位导航 ,引导车辆行驶。该系统由双轴陀螺平台、导航计算机、电子控制线路、里程计等部件组成 ,各部件之间的可靠性逻辑关系为串联形式。惯导平台是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息的测量平台。经过多年的发展，惯导平台也有各种结构形式，其中适合车载的惯导平台一直是研究是热点。本课题为智能车科研项目的一部分，以设计出测量智能车姿态的惯性导航平台为目的，为控制其姿态的研究工作打下基础。 惯性导 航系统（简称惯导系统）为一种利用加速度计测得的运载体的运动加速度、经过运算求出运载体即时位置的导航设备。惯性导航是二十世纪初才发展起来的一种导航方法。导航的本意就是引导航行的意思，所以导航就是引导运载体在预定的时间内，按照计划的航线，由起始地点航行到目的地。惯导系统的优点是不受外界干扰，隐蔽性好，能实时提供运载体的三维姿态参数，这些参数都是舰艇与飞机上观测系统和火控系统所必需的。惯导系统由于具有上述一系列优点而受到海陆空军，航天和交通运输等部门的青睐和重视。目前，它已广泛应用于潜艇、水面舰艇、军用飞机、战略 导弹与战术导弹、战车和人造卫星等领域。惯导系统的性能不断提高，结构类型日新月异。我们根据系统中有无机电式实体平台分为平台式和捷联式惯导系统。捷联式惯导系统与平台式惯导系统的区别，在于前者没有实体的稳定平台，而代之以导航计算机产生的数学平台，陀螺仪和加速度计直接与运载体固联。惯导系统的性能不断提高，结构类型日新月异。我们根据系统中有无机电式实体平台分为平台式和捷联式惯导系统。捷联式惯导系统与平台式惯导系统的区别，在于前者没有实体的稳定平台，而代之以导航计算毕业设计（论文） 2 机产生的数学平台，陀螺仪和加速度计直接与运载体固联。 导航系统是根据测得的运载体的加速度，经过积分运算求得速度与位置。为此，必须知道初始速度和初始位置。此外，以地理坐标系为导航坐标系的惯导系统中（包括平台式和捷联式），物理平台和数学平台都是测量加速度的基准，而且平台必须准确的对准和跟踪地理坐标系，以避免由平台误差引起的加速度测量误差。初始对准的精度直接关系到惯导系统的工作精度，初始对准的时间是惯导系统的重要战术技术指标。因此，初始对准是惯导系统最重要的关键技术之一。 惯性系统初始对准的目的是在惯导系统进入导航工作状态之前建立起导航 坐标系。对平台式惯导 系统来说，就是控制平台旋转使之与要求的导航坐标系重 合；对捷联式惯导系统来说，就是计算出机体坐标系到导航坐标系的姿态矩阵。 初始对准过程中，一般还要求算出陀螺的偏置量，即测漂。 机载光电跟瞄平台在飞机火力控制系统、导航系统中有广泛的应用 , 它能够在机载环境下迅速捕获、跟踪、瞄准运动目标。由于机载环境下干扰严重 , 而跟瞄平台自身的跟踪精度要求又较高 , 所以平台的稳定性与跟踪控制方法的优劣直接决定着平台的性能。为了精确的控制平台光学系统的视轴 , 使其在隔离扰动的同时准确跟踪运动目标 , 人们采用了多种控制方法。机 载光电跟瞄平台的功能是捕获、跟踪、瞄准飞机所处空域内的目标 , 如飞机、车辆、房屋等。平台主要由光电探测器、跟踪伺服平台、电子设备和惯性元件组成。 惯性导航系统是一种完全自主式的导航系统 ,以其不依赖任何外界信息的优势 ,被应用于越来越多的场合 ,所以提高系统的导航精度变得日益重要。针对这一问题 ,实现了惯导平台车载试验的仿真系统 ,并对惯性导航系统的误差模型参数的辨识方法进行了研究。 介绍了惯性导航系统的工作原理和导航误差方程 ,建立了惯导平台车载试验仿真系统各仿真模块的数学模型。论文重点完成了惯导平台车载试验仿真系统的 设计和实现 ,在设计上主要实现了以下功能 :它可根据用户需求完成外测数据 (即载车的航迹 )的生成、系统误差设置 ;提供了导航信息显示功能 ,可供用户直观地查看导航信息的变化情况。在实现过程中 ,为了提高软件的开发效率 ,在分析比较了几种 C+之间混合编程方法的优缺点之后 ,该仿真平台决定采用 利用车载试验对惯性导航误差模型辨识时 ,首先建立了惯性导航系统的误差模型 ,然后用传统的经典最小二乘方法对误差模型参数进行了辨识 ,辨识效果不好 ,经分析原因是系统存在严重的复共线 性。因此采用偏最小二乘方法对误差模型参数进行辨识 ,得到更高的辨识精度。 惯导平台车载试验的仿真系统实现了分析平台系统误差及外测信号精度对导航精度影响的目的 ,可以直观地看出导航信息的实时变化。此仿真系统可供从事惯性导航系统研究、设计的工程技术人员使用 ,也可以供相关专业人员作学习仿真使用。 毕业设计（论文） 3 文研究的背景和目的 为加速度计提供一个准确的安装基准和测量基准，以保证不管载体姿态发生多大变化，平台相对于惯性参考坐标系的方向始终保持不变，即三个加速度计的空间指向是不变的。例如，某些飞机上的惯导系统要求这 个稳定平台在方位上要对正北向，在平面上要和当地水平面平行，使平台的三个轴正好指向东、北、西三个方向。能够实现这一要求的，只有陀螺仪，所以也叫陀螺稳定平台。陀螺也就成为稳定平台和惯性导航系统的核心部件。正因为有了这样一个基准平台，飞机相对该平台在方位上的偏角反映了航向，飞机相对该平台在水平两个轴向上的偏角反映了俯仰和倾斜（横滚）。所以稳定平台代替了地平仪、罗盘或航向姿态系统的功能 惯性导航的基础知识 地球表面有山脉河流陆地海洋，形成了高低起伏形状复杂的不同规则的 物理 实体，为了导航定位的需要，把地球近似为一个能用简单数学公式描述的几何球体。第二近似是把地球视为旋转椭球，如图 示。 图 似的地球数理模型 1222222 （ 式中 赤道平面内； 地球自转重合。 旋转的椭球的扁率为 毕业设计（论文） 4 = 已知其参数：长半轴 a = 短半轴 b = 球度 =1/295 球的自转和角速度 在惯性空间，地球绕本身的地轴自转，并绕太阳作公转。地球公转一周为一 年，需 365 天，实际上地球相对恒星转动了 366 次，因此地球在 24 小时内相对 恒星自转了 1,00274 周。太阳在惯性空间不是恒定不变，但它的旋转影响可以忽略不计。 地球的自转的角速度为 w = s 航用坐标系 宇宙间任何物体的运动都是相对 的，因此运载体的运动和导航定位，均需研 究它们相对坐标系的运动与位置。在惯性导航中常用的坐标系由下列 7种： (1) 地心惯性坐标系（简称 标系原点为 O,设在地球的中心， X i 轴在地球赤道平面内。 分点为天文测量中确定恒星时的起点。由此构成的右手直角坐标系 (2) 地球坐标系（简称 坐标系的原点取在地球中心，与地球固联， 此构成的右手直角坐标系 (3) 地理坐标系（简称 g 系）坐标系的原点取在运载体重心。 E； N； D。此时的地理坐标系常表示为右手直角坐标系 东北地坐标系。有时采用 北东天坐标系，篇论文除特别说明外，均采用 (4) 运载体坐标系（简称 坐标系的原点取在运载体重心，并与运载体固联。 向； 此构成的右手直角坐标系为运载 体坐标系，可简称为载体坐 标系。运载体为舰艇时 , (5) 平台坐标系（简称 惯导系统中的物理平台（平台式系统）或数学平台 (捷联式系统 )固联的右手直角坐标系 (6) 导航坐标系（简称 t 系） 导航坐标系为惯导系统在求解导航参数时所采用的坐标系。对平台式惯导系 统来说，理想的平台坐标系就是导航坐标系。指北半解析式惯导系统中平台的理 毕业设计（论文） 5 想指向为地理坐标系，则该系统中的导航坐标系即采用地理坐标系。对捷联式惯 导系统来说，导航参数并不一定在运载体坐标系内求解，可将加速度计的信号分 解到 某个求解导航参数较方便的坐标系内进行计算 . (7) 计算坐标系（简称 c 系）此种坐标系是为了便于研究惯导系统而人为引进的一种虚拟坐标系，是以计算所得的经纬度（ c,原点 与运载体实际位置 个坐标系之间的夹角为惯导系统的定位误差。平台坐标系 。 平台坐标系 相对于计算坐标系 。 联式和平台式惯导系统的主要区别 从结构 上来说，捷联式和平台式惯导系统的主要区别是前者没有实体导航平 台，而后者有实体导航平台。在平台式惯导系统中，导航平台的主要功能是模拟 导航坐标系，把导航加速度计的测量轴稳定在导航坐标系轴向，使其能直接测量 载体在导航坐标系轴向的加速度，并且可以用几何的方法，从平台的框架轴上直 接拾取载体的姿态和航向信息。而捷联式惯性导航系统则不用实体导航平台，把 加速度计和陀螺直接安装在载体机体上，在计算机中实时的计算姿态矩阵，通过 姿态矩阵把导航加速度计测量的载体沿机体坐标系轴向的加速度信息变换到导 航坐标系，然后进行导 航计算。同时从姿态矩阵的元素中提取姿态和航向的信息。 由此可见，在捷联式惯导中，是用计算机来完成导航平台的功用。所以有时也说 捷联式惯导系统是采用“数学导航平台”。除此之外，其它导航计算则是基本相 同的。 毕业设计（论文） 6 图 平台式惯导系统原理 图 航加速度计和陀螺都安装在导航平台上，加速度计输出的信息，送到导航计算机，导航计算机 除计算飞行器位 置、速度等导航信息外，还要计算对陀螺的施矩信息。陀螺在施矩信息作用下， 通过平台稳定回路控制平台跟踪导航坐标系在惯导空间的角运动。而飞行器的姿 态和方位信息，则从平台的框架轴上直接测量得到。 图 航加速度计和陀螺直接安装在载体上，用陀螺测量的角速度信息减去计算的导航坐标系相对惯性空间的角速 度，则得到机体坐标系相对导航坐标系的角速度，利用这个信息进行姿态矩阵的 计算。有了姿态矩阵，就可以把机体坐标系轴向的加速度变换到导航坐标系轴向， 然后进行导航计 算。同时利用姿态矩阵的元素，提取姿态和航向信息。所以，姿 态矩阵的计算、加速度信息的坐标变换、姿态航向角的计算。这三项功能实际上 代替了导航平台的功能，因此，计算机的这三项功能也就是所谓的“数学平台”。 而计算的导航坐标系的角速度信息则相当于导航平台上的陀螺施矩信息。 图 联式惯导系统原理 毕业设计（论文） 7 导系统的初始对准 始对准的分类 (1) 按对准的阶段来分惯导系统的初始对准一般分为两个阶段：第一个阶段为粗对准，对平台进行 水平与方位粗调，要求尽快地将平台对准在一定精度范围内，为后继的对准提供基础，所以要求速度快，精度可以低一些。第二阶段为精对准，是在粗对准的基础上进行，要求在保证对准精度的前提下尽量快。 (2) 按对准的轴系来分取地理坐标系为导航坐标系的情况下，初始对准可分为水平对准和方位对准。在平台式惯导系统中，物理平台通常先进行水平对准，然后进行平台的水平与方位对准。捷联式惯导系统中的数学平台，一般情况下水平对准与方位对准是同时进行的。 (3) 按基座的运动状态来分按照安装惯导系统所在基座的运动状态可分为静基座对 准和动基座对准。动基座对准通常是在载体运动状态下进行的。 (4) 按对准时对外信息的需求来分惯导系统只依靠重力矢量和地球速率矢量通过解析方法实现的初始对准称为自主式对准，此时不需要其它外部信息，自主性强、但精度不高。非自主式对准可通过机电和光学方法将外部参考坐标系引入系统，使平台对准至导航坐标系。在捷联式惯性系统的粗对准阶段，可引入主惯导系统的航向信息，迅速将数学平台对准导航坐标系，减少初始失调角。在精对准阶段，可采用受控对准方法，利用其它导航设备（如 程仪等）提供的信息（如位置和速度等）作为观 测信息，通过卡尔曼滤波实现精对准。 始对准的要求 惯导系统不论用于运载体导航和武器弹药中的制导，还是用于观测系统与火 控系统的航向姿态基准，均要求初始对准保证必需的准确性与快速性。用于舰船 与飞机的惯导系统，对准时间可略长些，如装备民航飞机用的惯导系统的对准时 间容许为 15 20分钟。平台式惯导系统的水平对准精度达到 10以内，方位对 准精度达 2 5以内。用于舰炮武器系统的捷联式航姿系统，基于对其快速反应的要求，静基座对准时间要求在 10分钟左右，动基座对准时间要求在 20分 钟左右。 为了达到初始对准精而快的要求，陀螺仪与加速度计必须具有足够高的精度 和稳定性，系统的鲁棒性要好，对外界的干扰不敏感。 扰观测与补偿 抑制干扰是稳定回路的主要任务。如果干扰量可测 , 就能通过前馈补偿的方式来抑制 , 但光电跟瞄平台的干扰输入一般无法直接测量。可以采用基于状态空间 毕业设计（论文） 8 的干扰观测器观测扰动并进行前馈补偿 , 具体方法是对干扰信号的模型进行合理假设 , 将干扰作为系统的增广状态变量 , 把干扰模型加入到原系统中构成增广系统 ,用常规的极点配置设计方法设计状态观测器和状态反馈控制器 , 从而同时实 现干扰补偿和跟踪控制。采用此方法设计了跟瞄平台稳定控制回路 , 经仿真验证 , 稳态跟踪误差从 011 至 0104 上方法在进行模型假设时 ,将干扰看作确定性信号 ,而实际跟瞄平台所受的干扰很复杂 ,只能获得它的随机统计模型 ,因此上述方法具有一定局限 , 特别是当扰动发生变化时抗扰性能会降低。 量恢复控制 质量恢复技术的提出是为了解决光学元件跟踪结构的干扰抑制问题。图 频振动通过摩擦耦合与几何耦合产生的力矩扰动 , 它的频带较宽 , 是引起 跟踪误差的主要因素。为了抑制粗、精跟踪回路中的高频力矩干扰 ,常规的设计思想是 , 用精跟踪回路对粗跟踪回路的跟踪误差进行前馈补偿 ,通过提高精跟踪回路的带宽 , 实现对宽带干扰的主动抑制。由于精跟踪回路的带宽受到惯性反馈元件的带宽限制无法提得很高 , 所以惯性元件带宽以外的干扰无法抑制。质量恢复控制的设计思想与常规相反 : 首先断开精跟踪回路的参考输入 , 使图 的 K =0,同时通过设计反射镜光路使 = 1 ,此时精跟踪回路仅仅起随动粗跟踪回路的作用 , 通过尽量降低精跟踪回路的带宽 , 可以有效的滤除粗跟踪回路 输出信号中由于扰动产生的高频噪声 ,这种类似低通滤波的干扰抑制方法不受惯性反馈元件的带宽限制 , 能获得很高的稳定精度。使用此方法的前提是跟踪指令具有低频特性 (5 3 , 适用于跟踪指令频带较窄而干扰严重的机载跟瞄平台。德州仪器公司生产的图像稳定平台和西安应用光学研究 所 设 计 的 光 电 跟 瞄 系 统 原 理 样 机 都 采 用 了 这 种 设 计 思 想 。 图 量恢复的控制原理图 毕业设计（论文） 9 联式与平台式惯导系统初始对准的区别 在平台式惯导系统中，平台的误差方程是研究初始对准的基础。平台误差方 程描述了平台系相对地理坐标系的误差变化率与系统误差源之间的关系。平台式 惯导系统是利用加速度计输出信息作为对准修正信息。对准的本质是将重力加速 度的方向作为水平对准的基准，其对准精度主要取决于两个加速度计的精度。作 为方向对准的罗经准则是利用了罗经效应，其本质则是将地球角速率向量的方向 （北向分量）作为方位对准的基准，其对准精度主要取决于东向陀螺漂移。捷联式惯导系统的初始对准的基础是数学平台的误差方程。对准的修正信息，除了加速度计的输出信息外，还利用了陀螺仪的输出信息。其水平对准精度同样取决于加速度计的测量精度；方位对准精度取决于等效东向陀螺漂移。因此，为了提高捷联式惯导系统的初始对准精度，有必要建立惯性器件的误差方程，并对其误差补偿，为提高初始对准精度提供必要的条件。平台式惯导系统的初始对准是由惯性器件输出的信息，经计算机中的对准程序处理产生控制信号，施矩于陀螺仪，从而迫使平台在陀螺的 控制下自动趋向于地理系。而捷联式惯导系统的初始对准，则是由惯性敏感元件的输出信息，经过计算机的实时运算（按对准程序），不断的将数学平台变换到能精确的描述理想载体系到地理系（导航系）的方向余弦矩阵。这两种惯导系统初始对准的主要区别在于惯性器件安装的环境不同，捷联式惯导系统的初始对准精度受载体的干扰运动的影响比较严重，因此，滤波技术的应用比平台式惯导系统显得重要。 载惯导平台的概述 摄像稳定平台的结构通常由方位转台、双轴稳定框架及俯仰叉架组成。它安装在汽车的顶部。由于汽车顶部的摄像机受道路路况的干 扰而产生纵、横摇及上下坡，侧倾运动 ,使方位水平基准不断地发生变化 ,摄像机受道路的影响而不稳定 ,常使被摄像目标丢失 ,所以摄像机必须架设在稳定平台上 ,通过稳定平台的纵摇和横摇驱动系统补偿汽车的摇摆运动 ,使摄像机保持水平状态 ,另外通过方位及俯仰的人为控制实现对被摄目标的捕捉。 定平台的种类 稳定平台有多种结构型式 :按转轴的数目可以分为一轴、二轴、三轴、四轴。 毕业设计（论文） 10 一般来讲搜索、引导雷达在垂直方向上波瓣较宽或者垂直方向是电扫描的 ,只要求天线在方位上转动 ,就能覆盖预定的空间 ;卫星通信地球站和射电望远镜 ,通常采 用圆抛物面天线 ,波束窄 ,必须使天线在方位和俯仰上同时转动才能扫掠整个空域 ;雷达为了补偿汽车纵、横摇摆影响 ,常采用三轴或四轴的天线座见图 图 线座结构图 纵横摇框架、摄像机俯仰叉架组成见图 图 像稳定平台结构图 基座安装于汽车顶部 ,横摇轴与舰首尾线平行。 图 基座安装于汽车上 ;纵、横摇框架架设在方位旋转叉架上 ;纵、横摇 毕业设计（论文） 11 框架由 轴的两个摇摆环组成一个平面 ,这两个摇摆环均为高精度随动系统 ,能快速准确地消除汽车摇摆 ,使摄像机始终保持水平。摄像机安装在俯仰叉架上并悬挂于纵 /横摇框架下 ,通过方位及俯仰驱动 ,实现对目标的跟踪摄像。 像稳定平台的结构特点 因摄像机的尺寸较大 ,迎风面积大 ,重量重 ,如按传统的设计思想 ,将方位俯仰轴置于 轴摇摆环之上 ,会带来稳定平台输出功率大、重心高、附加配重等现象 ,使得整个稳定平台的重量无法满足总体指标 的要求 ;同时 ,由于摄像机受其他负荷的扰动较大 ,摄像稳定精度较低。因此我们选择了摄像机下置方式。具体特点如下 : (1) 不需造价昂贵的方位水平仪提供稳定的基准信号 ,而是自带陀螺仪置于稳定平台的平面内 ,这对无方位水平仪的中小汽车极为合适。 (2) 由于采用重力平台 ,当汽车震动时 ,平台本身有自回零的能力 ,因此纵、横摇驱动电机只是克服其重力惯性。由此需要的电机驱动功率将减小 ,这样纵、横摇有可能采用直接驱动 ,从而可消除齿隙误差 ,保证稳定平台的稳定精度。 (3) 由于提供汽车信号的陀螺仪置于平台内 ,从结构上 构成了位置闭环 ,不需旋转变压器对接来构成位置闭环。这样消除了对接误差 ,提高了稳定平台的稳定精度。 (4) 重力平台对安装平面没有严格的要求 ,不象间接平台的安装平面一定要与方位水平仪安装平面保持水平且要平行于顶部线 ,否则将造成很大的安装误差。这样不但提高精度 ,而且给现场安装带来很大的方便。 (5) 由于传动回差小 ,使其工作过程极为平衡 ,确保了摄像过程无抖动 ,确保图像质量良好。 2 车载惯导平台的整体形状及分析 12 2 车载惯导平台的整体形状及分析 载惯导平台的整体形状 图 台的整体结构 零件 的实际形状如上图所示， 从零件图上看，该零件是典型的零件，结构比较简单 。基本的设计思路已初步完成。 定平台的性能要求 车载摄像稳定平台必须满足下述性能要求 : （ 1） 由于稳定平台架设在汽车上 ,基座是不稳定的。这是因为汽车在航行时会发生震动，倾斜等运动。根据汽车的摇摆幅度和周期 ,稳定平台的纵摇和横摇驱动系统必须满足架设在方位转台上的摄像机所需的摇摆范围、摇摆角速度和角加速度 ,毕业设计（论文） 13 补偿汽车震动的摇摆运动。一般稳定平台纵、横摇的 工作角度和周期为 :纵摇工作范围 ?4b、周期 3 s(保精度 );横摇工作范围 ?10b、周期 4 s(保精度 )。 (2) 稳定平台的纵、横摇驱动系统以及方位、俯仰驱动系统应具有良好的传动性能 ,工作可靠 ,维护方便。 (3) 稳定平台应具有足够的稳定精度 :纵横摇工作稳定精度 1 (4) 稳定平台应具有足够的强度和刚度 ,布局要合理 ,结构要紧凑。 (5) 尽量减轻稳定平台的重量 ,以利于降低舰艇的重心 ,提高舰艇的稳定性。 (6) 稳定平台应具有方位锁定功能、机械限收位保护功能和自动归零功能。 证是否满足所设计的要求 要求为满足 车辆在道路上行驶时，路面的颠簸将会引起车辆发生俯仰、侧倾和横摆运动，。这些角运动的大小与车辆行驶速度和路面不平度具有密切关系。由于车辆行驶路况的种类很多，而且车速变化范围也很大，若将环境识别传感器直接安装于车体之上，则传感器的标定就必须随着车辆行驶路况的随机变化而实时改变。只有在传感器做出正确的标定之后，才能获取正确的车辆行驶环境信息。因此需要满足两个自由度旋转的自由控制，通过两个独立的电机来分别控制操作X 和 Y 方向的旋转，使其 向避免相互干扰，此结构正 好满足所设计的以上要求。 定平台稳像原理 光学系统随车体发生抖动，要实现对该抖动量进行补偿，需要感知该抖动量。然后进行补偿。本文选用两轴稳定平台来实现视轴的稳定。两轴稳定平台以隔离原理为理论基础 最终实现视轴在惯性空间的稳定。两轴稳定平台由方位环和俯仰环构成，以实现在方位与俯仰方向的稳定。方位环和俯仰环稳定回路均采用陀螺仪作为惯性敏感元件，敏感载体运动在方位上产生角误差 ;该角误差信号以相应极性和线性比例的电压信号形式输出 ;经过预处理的电压信号通过控制器在直流 力矩电机轴上产生反作用稳定力矩，从而实现对视轴扰动的抑制、保持视轴在惯性空间的相对稳定。 载惯导平台方位驱动系统 车载摄像稳定平台方位驱动系统原先采用的是步进电机加一级减速 (i=10)驱动。在实际运用过程中 ,发现步进电机的驱动力矩在高速下略显不足 ,产生失步现象。另外步进电机的脉冲驱动方式降低了摄像的稳定性。因此在后续产品中 ,将方位驱动改成了直流伺服机组加 2 级减速 (i=40)的驱动。由于减速比的增大 ,在选择电机时 ,可选择输出力矩小一级的电机 ,同时结构的重量也减轻了。 毕业设计（论文） 14 由于平台在结构上基本对称 于平台的方位轴 ,因此在方位上主要考虑附加震动力矩的影响。实际运用过程中 ,方位轴所需的输出力矩为 250 位电机的输出扭矩应不小于下面公式计算所得 :T =T/i=250/40=m(1)式中 :T 为方位电机输出扭矩 ;平台方位负荷 ;i 为传动比。 载摄像稳定平台的传动方式 舰载摄像稳定平台由方位驱动系统、俯仰驱动系统、纵横摇驱动系统组成。纵摇驱动系统带动纵摇轴摆动 ,横摇驱动系统带动横摇轴摆动。 像稳定平台传动示意图 载摄像稳定平台俯仰驱动系统 车载摄像稳定平台俯仰驱动系统由原来的扇齿轮传动机构改为滚珠丝杠机构。滚珠丝杠机构又称为滚动螺旋机构 ,是一种可将旋转运动变为直线运动 ,又可以将直线运动变为旋转运动的机构。它具有速比大、体积小、重量轻、摩擦损耗小、传动精度高等特点。相比以往扇齿轮传动机构 ,选择滚珠丝杠机构作为传动机构是比较台理的 ,它具有以下优点 : (1) 因为摄像机重量大 ,虽然俯仰轴基本安装在摄像机的型心位置 ,但在运动过程中 ,惯性较大 ,同时摄像机的焦距大 ,俯仰角度变化要求小 ,所以要求传动功率大 ,速比大。而滚 珠丝杠副的导程小 ,降速比大 ,如要得到相同的牵引力 (2) 滚珠丝杠机构体积小、重量轻 ,有利于减轻整个稳定平台的重量及纵、横电机的输出扭矩 ;而且丝杠机构本身就具备限位和缓冲功能。 毕业设计（论文） 15 (3) 滚珠丝杠机构的精度高 ,有利于提高整个平台的精度。由于摄像机俯仰范围小 ,丝杠的有效行程很短 ,丝杠轴向间隙可以控制。 (4) 滚珠丝杠机构运动平稳 ,无颤动 ,低速运行无爬行 ,传动效率高 ,适合小容量伺服电机。由于摄像机的配重较好 ,俯仰轴所考虑的力矩主要是摄像机迎风时的上下形状不规则所产 生的风力矩 ,加上其他因素 ,俯仰轴所需的输出力矩为 25 仰电机的输出扭矩应不小于下面公式计算所得 : =m(2)式中 :俯仰电机输出扭矩 ;滚珠丝杠轴 向负荷 ;l 为滚珠丝杠导程等于 为正效率为 像稳定平台纵、横摇驱动系统 车载摄像稳定平台纵、横摇驱动系统是整个平台的关键所在 ,它直接影响到平台的稳定精度。因此我们采用了直流力矩电机、测速机直接驱动的方式。在图 ,平台上部由 X 和 Y 轴的 2 个摇摆环 (纵摇、横摇 )组成一个平面 ,这 2 个摇摆环均为高精度随动系统 ,能快速准确地消除船体摇摆 ,使摄像机始终保持水平。 3 制定车载惯导平台材料的选择和确定尺寸 16 3 制定车载惯导平台材料的选择和确定尺寸 体材料的的选择 车载惯导平台要求具有较高强度，耐磨性，耐热性及减振性，由于承受较大应力和要求耐磨零件，以及经济适用性，所以选其材料为 材料为灰铸铁。 定整体尺寸 图 载惯导平台的整体尺寸公差 毕业设计（论文） 17 个零件尺寸的确定 图 台底座基本尺寸 毕业设计（论文） 18 图 台支撑架基本尺寸 毕业设计（论文） 19 图 台外框基本尺寸 毕业设计（论文） 20 图 框基本尺寸 4 计算车在平台惯性力矩和功率 21 4 计算车在平台惯性力矩和功率 机的作用 执行元件影响着被控对象的运动状况与系统精度。通常选用电机作为稳定平台伺服控制系统的执行元件。目前使用的电机有 :直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电机以及直流力矩电机等。根据平台稳定系统低转速、大转矩的工作要求，选用直流力矩电机作为稳定平台伺服系统的执行元件 。 惯性力矩来确定电机的功率 机种类 （ 1） 按工作电源种类工作电源种类工作电源种类工作电源种类划分可分为直流电机直流电机直流电机直流电机和交流电机交流电机交流电机交流电机。 （ 2） 按结构和工作原理结构和工作原理结构和工作原理结构和工作原理划分可分为直流电机直流电机直流电机直流电机、异步电机异步电机异步电机异步电机、同步电机同步电 . （ 3） 按起动与运行方式起动与运行方式起动与运行方式起动与运行方式划分电容起动式单相异步电机、电容运转式单相异步电机电容运转式单相异步电机电容运转式单相异步电机电容运转式单相异步电机、电容起动运电容起动运电容起动运电容起动运转式单相异步电机转式单相异步电机转式单相异步电机 转式单相异步电机和分相式单相异步电机分相式单相异步电机分相式单相异步电机分相式单相异步电机。 （ 4） 按用途用途用途用途划分驱动用电机驱动用电机驱动用电机驱动用电机和控制用电机控。 （ 5） 按转子的结构转子的结构转子的结构转子的结构划分笼型感应电机笼型感应电机笼型感应电机笼型感应电机旧标准称为鼠笼型异 步电机鼠笼型异步电机鼠笼型异步电机鼠笼型异步电机和绕线转子感应电机绕线转子感应电机绕