硕士论文光纤陀螺视线稳定系统的设计及工程实现第1章绪论.doc

第一章 绪论1.1 课题背景和意义陀螺稳定装置是惯性技术的重要组成部分，它在军事、政治、民用工业中有着广泛的应用。陀螺稳定装置是各种航天器姿态稳定中的关键部件1。武装直升飞机、坦克经常在极其恶劣的环境中作大机动运动，为了瞄准目标，确保作战性能，瞄准装置是必需的，而陀螺稳定随动系统是瞄准装置的核心子系统，其实现的主要功能是：隔离运载体对瞄准装置的角运动干扰，使瞄准装置的视线轴稳定、快速地盯住目标，并减小由于颤振引起的图像模糊，提高摄像质量234。防空雷达的天线体积庞大，经常受到各种各样的干扰，为了使其实现跟踪目标或按预定规律搜索的任务，也需要陀螺稳定装置来隔离这些干扰1。在民用场合，相机在各种领域获得了广泛的应用。但与此同时，应用场合对其提的要求也越来越苛刻。比如，在一些场合常常需要对高速景象作快速的拍摄，并且要求获得高清晰度的图像，这时，人一般很难完成，因而，需要稳定伺服装置，使相机机动地跟踪图像，并保证摄像机在基座振动的情况下获得良好的图像质量，因为这是视频跟踪的前提。在情报、政治领域，经常要对感兴趣的运动目标进行拍摄，所有操作可能需要远距离或者秘密地进行，这就要求将相机安装在一个运载体上，而运载体的振动将会导致图像的模糊，最终会使目标在视场中丢失。为了解决这个问题，精密、微型的陀螺稳定伺服装置是必需的关键组件。 用来测试导弹等空间飞行器轨迹的经纬仪如果加上陀螺，就可以安装在舰船上，不受基座振动的影响，从而扩大它的使用范围。所有这些表明，陀螺稳定装置获得了极其广泛的应用。在这些应用当中，它起到的基本功能是一致的：隔离运载体或基座的角运动运动干扰，使装载在运载体上的光学镜头或雷达天线（被稳定对象）在惯性空间的某几个指向保持稳定，并能根据指令要求，使被稳定对象在有干扰作用的情况下沿着一定规律转动1。对于陀螺稳定装置的研究，自1904年Otto Schlick提出直接式陀螺稳定装置起，已经有了近一百年的历史，其技术已经相当成熟1。但是，随着现代军事和工业生产的发展，传统的陀螺稳定装置越来越不能满足要求，主要原因在于：传统的陀螺稳定装置采用的关键部件陀螺为机械陀螺。一些机械陀螺的测角精度虽然相当高，但是，在一些应用场合，有一些不能容忍的缺点：难以制造，价格昂贵，重量、功耗大等，抗振、抗冲击能力弱，由于机械部件多，因而可靠性低，难以维护5。因而传统的陀螺稳定随动装置体积大，功耗高，价格昂贵，寿命短，一般只用在军事上，而且对环境的要求和维护相当苛刻，对于强调费用和使用寿命的民用场合则很难涉足。由于陀螺稳定装置应用场合特别广，因此，因此，解决这些问题，使稳定装置更新换代，将在军事和民用上具有重要的实用价值和广泛的应用前景。 陀螺稳定装置作为惯性技术的一个重要组成部分，一直是经久不衰的研究课题。它的更新换代主要取决于陀螺技术的进步和电子控制技术的发展。近年来，由于光纤陀螺进入实用阶段，以及微电子技术、 功率电子技术和伺服驱动技术的进步，稳定装置现在有了很大的发展。近年来，国外对陀螺稳定装置的研究取得了新的突破。装置的体积越来越小，正向数字化、集成化方向发展。然而可靠性一直是近来稳定平台发展的主线。主要体现在：l 关键部件陀螺由机械陀螺向可靠性更高的非转子陀螺如光学陀螺（主要指光纤陀螺）发展，其技术在国外已经相当成熟。稳定平台作为惯性技术的一部分，其发展主要取决于陀螺的进展。近20年作为无机械转子的光纤陀螺取得了很大进展。现在，在国外已经广泛用于航空、航天、军事、民用等领域。作为新型角速度传感器，与传统的机械陀螺相比，它有许多优点5：1) 由于光纤陀螺是光学传感器，无机械转子，因而寿命长，可靠性高，维护方便；2) 抗振、抗冲击能力好，输出与一些环境条件如加速度无关。故不像机械陀螺那样有加速度误差；3) 具有很高的动态测量范围，测角速度范围很宽；4) 带宽很宽，可达几百赫兹；5) 启动速度快，连续工作时间长，由于光学陀螺是一个光电系统，所以容易自检；6) 成本低。由于光纤陀螺有以上应用特点，因而它有着广阔的应用前景。但光纤陀螺本身也存在着以下一些问题，1) 一般来说，考虑成本，在面向惯性稳定的应用采用开环光纤陀螺，而开环结构的光纤陀螺标度因子线性度和可重复性较差；2) 由于光路中的噪声较大，造成光纤陀螺零漂和随机游走较大；3) 干扰源众多，对温度敏感，如不采取任何补偿措施，光纤陀螺会产生较大的漂移，严重影响参数稳定性和标度因子线性度。以上有关光纤陀螺问题是应用中将要突出考虑的问题。下表1是三种典型陀螺：机械陀螺、光纤陀螺、振动陀螺的性能比较5：表1-1 各种速率陀螺性能的比较Table 1-1 Comparison of gyro technology for angle rate sensors特性机械陀螺光纤陀螺Coriolis振动陀螺可靠性低高很高温度特性好很好（补偿后）较差环境敏感度G或g2敏感单轴速率传感g或g2敏感，但抗冲击成本高并呈上升趋势低并呈下降趋势大量时很低尺寸小较大很小目前，在国外，中低精度的干涉型光纤陀螺（IFOG）已经广泛进入各种应用领域，如导航、机器人、精密指北系统等67。已经分别成功用于民用和军事的负载稳定8。图11是利用Ecore2000系列光纤陀螺做成的相机视线稳定系统8。l 伺服驱动装置有了很大进步。集成化的驱动器和精密、微型化的伺服电机使整个装置的微型化成为可能。为了适应机电系统高性能、小型化、低成本和高可靠的要求，从80年代初开始，国外已经开始开发功率集成电路模块，该模块将半导体功率器件与驱动、逻辑、控制、检测、自诊断、保护电路集成在同一个芯片上或一个混合模块里。同时，现代控制电机技术与微电子技术、电力电子技术结合产生了一批新型混和式电机，如无刷直流电机、步进电机、交流伺服电机、开关磁阻电机等，这种电机的电动机部分和电子功率集成控制、驱动部分结合成一个有机的整体，形成一个子系统，使整个电机系统集成度、微型化、可靠性大大提高。现在，单纯的电机控制已发展成复杂的运动控制，运动控制系统使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，以及这些被控机械量的综合控制，加上嵌入式微处理器在电机控制系统中的应用，使各种先进的控制策略在电机控制中得到了应用，极大的提高了整个运动驱动控制系统的综合性能9。l 全数字电子控制电路使陀螺稳定装置的可靠性、集成化程度、精度的进一步提高成为现实。一般来说，利用模拟PID控制可以实现高增益的平滑控制，所以，在国内，现有的光电跟踪双轴稳定平台的稳定回路的全部采用是模拟电子调节（如清华大学设计的摄像机瞄准线稳定系统10以及哈尔滨工业大学设计的挂飞平台11），跟踪回路则采用数字控制，以适合和CCD相机的数字图像处理接口。采用模拟电路虽然调节速度快，实时性好，但是抗干扰性差，且当系统的复杂度增加时，需要相应地制作相当复杂的模拟控制电路板和模拟信号处理板，以实现复杂的调节与补偿算法。最近几年，随着微电子技术的快速发展，数字电路的集成度、速度越来越高。特别是可编程器件和微处理器技术的发展，控制电路的进一步集成化、模块化成为现实，若稳定平台的稳定和跟踪采用全数字控制，不仅有利用减小电路的体积，还可以利用各种复杂控制算法和监控手段，使稳定系统的精度和可靠性进一步得到提高。图1-1 采用Ecore2000光纤陀螺设计的视线稳定系统Figure 1-1 Line of sight stabilized system using Ecore2000 FOG正是因为这三个方面的技术进展，使陀螺稳定装置在国外有了新的突破。目前，陀螺稳定装置需要重点解决的问题有：1） 设计体制的模块化和系列化。从机械设计角度来说，模块化是指在两轴平台的基础之上，第三轴配置是可以拆卸的。也就是说：模块化是指平台既可以进行三轴配置，又可以作为两轴配置。最终将实现稳定装置的通用性和多功能。传统的平台面向特定的应用领域，当稳定的负载改变时，平台的设计（包括机械结构设计和控制系统）都需要作重大的调整，这样设计出来的平台没有通用性，造成了系统的重复开发，提高了开发成本，降低了平台系统的开放性。采用模块化设计，并针对不同档次的负载进行系列化处理，从而最终实现平台系统的通用性。但模块化同时带来了一系列的问题，一是保精度的机械设计的难度大大增加；另外，更重要的是要求稳定平台的控制系统在负载大变动时具有适应性，以维持性能要求。这尤其难做到，原因在于，对于一个机械系统，负载的变化不仅仅导致对象特性的改变（包括转动惯量、谐振模态），而且干扰参数也将随之改变，这就需要控制系统在适应对象参数变化以保证对参数变化的鲁棒稳定性的同时，保持对干扰的抑制度，以确保系统能达到其所能应用的精度。这些都是需要重点解决的问题。2） 容错处理。稳定系统作为一种高精密的运动控制系统，在很多地方都是起着关键作用的核心部件，一旦出现运行故障，轻则使系统丧失功能，重则使系统零部件受损。所以对控制系统的容错性要求极高。目前，提高容错行的主要办法是：a) 采用可靠的元器件。例如采用无刷直接驱动电机作为执行电机，采用无机械转子的光纤陀螺作为稳定的传感器。无刷电机和光纤陀螺的平均无故障时间远比有刷电机和机械陀螺要长，维护也简单，对工作环境的要求低。这样可以基本上免除维护，提高系统的平均无故障时间。b) 机械结构设计保证。从机械设计上就可靠的安全保护措施，如采用滑刷实现平台外环连续旋转，这样可以从根本上防止平台在意外情况下出现安全事故。当出现事故时，从硬件上考虑使系统自动停止运动伺服，从而使事故造成的损坏降低到最低程度。c) 控制系统容错设计和完善的软件故障诊断陀螺稳定装置在国外有了相当的进展，图1-1正是以色列Xybion公司研制成功的数字控制负载自适应光纤陀螺稳定系统8。与传统的机械陀螺稳定装置比，与传统的稳定平台相比，它有以下优点：采用模块化设计和数字自适应控制，这样即使负载改变时也能实现很好的控制效果，具有高度的负载自适应性；由于采用了光纤陀螺和无刷电机，它们的平均无故障时间（MTTR）远比机械陀螺和有刷电机要高得多，因而可靠性高。最后是成本大幅度降低，具有以前稳定装置不可比拟的优点。在国内，对陀螺稳定装置的主要研究仍处在“一个平台实现一个特定负载稳定”的步子上，并且由于光纤陀螺仪研制进度缓慢，还远没有达到实用阶段，稳定装置的主要传感器仍是机械陀螺，就公开的资料来说，还没有有关用光纤陀螺用作负载稳定的例子。1.2 课题来源本课题来源于香港科技大学高科技创新主题。课题分成两部分，前期是预研，主要是实现光纤陀螺稳定系统（Fiber Optic Gyro Stabilized System，FOGSS）（已经完成并已交付用户），后期是在前期的基础之上，实现相机瞄准线的稳定和跟踪功能，并达到预定的性能要求，使之成为一个实用的产品。1.3 设计要求从相机视线稳定系统的稳定目的来看，稳定系统的实现的任务主要有两方面12，包括：（1）在有基座允许振动和陀螺噪声存在的条件下，相机的视线轴（Line of sight，以下简称LOS）稳定性或“颤动”必须保持在允许的范围之内（通常是几个毫弧度或者几分之毫弧度）；（2）LOS必须尽可能忠实的反映输入的指令角速度。因而，控制系统设计必须考虑干扰环境，可能的输入指令范围、测量噪声和允许控制力矩的环架对象特性。于是控制系统的基本要求就是产生一个控制，以在干扰抑制、指令跟随、噪声耦合以及考虑在所有标定的工作条件和电机的控制力矩选择之间作一个合理的折中。预研中的工程项目FOGSS期望达到的指标有：1）隔离度(SD)：指稳定平台对于基座的干扰角速度的隔离程度。其数学表述可为：= 100，其中AMsinwt为基座的干扰角速度，APsinwt实际设计时，反映在闭环力矩刚度(开环增益)这个指标上。力矩刚度等于干扰力矩与其所引起的平台偏差角之比，它表征了平台系统在干扰力矩作用下保持方位稳定的能力。在本课题前期工作中，取 =1% （当AM3deg，w=1.3rad/s或f =0.2Hz时）。3） 长期漂移：1小时内平均漂移为0.01deg/s。预研工程中对指令跟踪没有要求。1.4 技术问题1) FOGSS的设计是一种典型的高精度伺服系统设计问题，其基本特点在于：窄带，高增益。即在限制系统的带宽的同时，需要设法提高系统的刚度，以保证系统的隔离度满足性能的要求，同时，采用全数字控制时，由于采样引入滞后限制了系统的带宽，降低了系统的稳定裕度，严重影响了系统的性能。后面将会看到，这种矛盾尖锐的反应在工程设计当中。2) 由于光纤陀螺处于系统反馈传感环节，光纤陀螺输出信号中频率较低的零漂引起的台体漂移将是1：1的。在现有的光纤陀螺中，开环IFOG制作容易，价格低廉，但是受温度的影响极大。实际上，温漂是限制光纤陀螺精度的一个主要原因，光纤陀螺的一些主要性能指标都与温度有关，并且是一个随环境条件变化的复杂随机过程。补偿温度特性对光纤陀螺的影响，是当前低档开环光纤陀螺应用的一个重要前提。3) FOGSS是一个典型的运动控制系统，它用于相机视线的稳定。与所有运动控制一样，环架中存在的摩擦是一个突出的问题。一般的，平台在大多数情况下工作在极低速状态，摩擦非线性对系统的主要影响是低速性能，其主要产生原因在于动静摩擦的差异。它带来的危害有：引起系统静态误差，在系统低速跟踪和小阻尼时引起所谓的“滞滑”跳动，从而降低系统的分辨率和重复精度，使相机视线产生颤振，导致图像质量的下降。故从技术上分析摩擦摩擦非线性对系统的影响，有利于为稳定平台的摩擦补偿打下良好的