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毕业设计论文
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重庆邮电大学光电稳定跟踪平台的初始对准设计,毕业设计论文
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重庆邮电 大学本科毕业（ 论文 ） I 摘 要 稳定跟踪平台是惯性技术应用的重要领域之一，其中天线稳定技术以其广泛的应用前景称为稳定跟踪平台研究的一大热点。稳定平台的核心问题是载体姿态测量和控制技术。本文主要研究基于微机电陀螺的摄像机稳定平台的系统结构和方案设计。 介绍了一类使用微机电速率陀螺组合、具有全稳定功能、且无天顶跟踪盲锥区的新型高精度三轴光电稳定跟踪装置的稳定机理。得出三轴平台式速率稳定装置的数学模型。三轴稳定装置可以有效抑制绕轴旋转误差，从而达到较高的图像稳定精度。主要进行 摄像机稳定平台系统结构和方案设计，得出 DSP 硬件电路模块 。 然后通过一定的控制方式使天线的指向在惯性空间保持不变， 采用动态误差补偿算法实现系统测量精度的提高 。经过多次试验，这个系统能够很好的进行误差补偿。 论文首先介绍了课题的来源，研究意义，目前国内外相关技术研究现状以及课题主要研究内容，对天线稳定原理进行了较详细的研究和介绍。然后介绍了系统总体方案和系统结构。最后得出系统的实验总结报告，测试了系统的性能，并提出系统需要进一步改进的内容。 本论文研究的主要内容： 1、 介绍天线 稳定原理 2、 得出摄像机稳定平台系统总体方案与系统结构 3、 系统误差补偿分析 【关键词】 ： 卫星天线 稳定跟踪平台 姿态监控 微机电陀螺 nts重庆邮电 大学本科毕业（ 论文 ） II Abstract Stabilization and automatic pointing and tracking platform (PTP) is an important field among the applications of the inertial technology. And because of its broad application foreground, antenna stabilization has become a hotspot of stabilization and automatic PTP. The core of stabilization platform is the attitude measurement and control of the carrier. The main of this article according to the camera steady platform system structure and project design based on the micro-gyroscope. With whole stabilization ability, whole airspace tracking and no blind-zone, a high accuracy three-axis E-O stabilization and Tacking Devices (EOSTD) which uses a MEMS velocity gyroscope as inertia1 feedback component was introduced. The stabilization model were deduced based on the cape speed theory. Three-axis EOSTD could restrain the image rotation around the LOS axis to reach a high stabilization precision Mainly carries on the camera steady platform system structure and the project design, obtains the DSP hardware circuit module. Then make the point of antenna unchangeable by using stated control mould. The error is compensated through adopting the calculate way of dynamic state error margin compensate to realize the exaltation of this system measure accuracy. This system has been developed many experiments, the result has been proved to be better and better. This paper firstly introduces the origin of the project, research significance, related technical status and main research contents, and introduces in details the stabilization principle of antenna. Next the paper introduces in details the collective blue print and structure of the system. Finally, gives the experiments result report of the system, proves its feasibility, and comes out the content that needing mending. This paper on the main elements: 1.Introduce the principles of antenna stability. 2.Get the overall plan and system architecture of camera steady platform. 3.The error compensation of the system. 【 Key words】 : satellite antenna stabilization platform pointing and tracking attitude measurement and control micro-gyroscope nts重庆邮电 大学本科毕业（ 论文 ） IV 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 前 言 . 1 第一章 天线稳定跟踪平台概述 . 3 第一节 开展天线稳定跟踪平台 研究的意义 . 3 第二节 本课题的研究现状 . 4 一、国内稳定平台研究现状分析 . 4 二、国外稳定平台研究现状分析 . 5 三、天线稳定系统中的伺服控制技术 . 6 第三节 本论文研究的主要内容 . 8 第二章 天线稳定原理 . 9 第一节 陀螺稳定系统原理简介 . 9 第二节 三轴光电跟踪装置的运动分析 . 10 第三节 本章小结 . 14 第三章 系统总体方案与系统结构 . 15 第一节 系统总体方案 . 15 一、 摄像机稳定平台系统技术指标 . 16 二、 系统功能框图： . 17 三、 器件清单 . 18 第二节 系统结构 . 18 一 、摄像机稳定平台系统组成 . 18 二、摄像机稳定平台控制方案 . 22 三、摄像机稳定平台 系统工作性能分析 . 23 第二节 模块化的硬件 结构 . 24 第四节 DSP 芯片 TMS320F2812 介绍 . 25 nts重庆邮电 大学本科毕业（ 论文 ） V 第五节 数据采集器的硬件实现 . 28 一、转速信号采集的实现 . 29 二、模拟信号采集的实现 . 30 三、数字信号采集的实现 . 32 第六节 本章小结 . 32 第四章 基于振动陀螺的动态零位校准及其误差补偿 . 34 第一节 硬件设计 . 34 一、系统组成 . 34 二、电路结构 . 35 第二节 数据处理 . 36 第三节 实验结果 . 38 第四节 本章小结 . 39 第五章 结束语 . 40 参考文献 . 41 致 谢 . 43 附 录 . 44 一、英文原文： . 44 二、英文翻译： . 53 nts重庆邮电 大学本科毕业（ 论文 ） 1 前 言 稳定平台是用来使被稳定对 象（如瞄准具镜头、火炮炮身、通信或雷达天线等）相对某方位保持稳定的装置，其具有特有的功能是隔离被稳定对象安装基座的角运动使其不受影响，主要特征是广泛采用陀螺作为运动敏感元件，所采用的技术手段归于惯性技术研究范畴。 现代战争的一个特点是要求部队高度的机动性，要求部队能在行进间进行通信联系，实现部队“动中通”。坦克、装甲战车、自行火炮等地面作战平台，军舰、征用民船、各种舰艇等海上作战平台，要要具备运动间稳瞄、跟踪、射击能力和对我军、友军、敌军位置的及时感知能力，这种作战样式要求作战平台具有稳定、跟踪和导航能力， 即能不间断位置的变化，准确确定当前位置，精确保持动态姿态基准。而且，在许多军事装备上，如机载合成孔径雷达的运动补偿，红外传感器的稳定，车载和舰载卫星通信天线的稳定，舰载雷达波束的稳定，也需要精确的传感器平台姿态信息。除此之外，远洋舰船移动卫星电视接收系统，也是移动跟踪平台的典型应用。稳定跟踪平台由于能隔离载体（战车、导弹、飞机、舰船）的运动，对目标进行自动跟踪，所以在现代武器系统中得到了广泛的应用。 民用方面，对于高性价比的移动卫星通讯系统，国内市场也有强烈的需求，比较突出的如：大型轮船的移动电视接收、豪华 客车的移动电视接收、铁道部数字化列车规划中客车的移动卫星通信、电视接收、网络接入系统等。历届奥运会上的一些运动员反应，在从宾馆到比赛场宾馆路途的大巴上，看不到当时的体育比赛情况，深感遗憾。如果在豪华客车上安装有移动卫星电视接收系统，那即将为 2008 年北京的科技奥运增光添彩。目前一些新闻采访车都还在使用固定方式转播节目，特别不适宜战地记者实况采访、实况转播。如果有了移动接收卫星电视的天线跟踪系统，只需添加收发双工器，就能实现实时采访、实时转播，增加新闻的时效性和真实感。“十五”期间，我国将成为大型豪华客车的生 产基地，世界nts重庆邮电 大学本科毕业（ 论文 ） 2 各大豪华客车厂商已经进入中国市场，但他们的客车上还没有配备移动卫星电视接收系统，只能观看光碟，这是一个很大的潜在市场。这种移动卫星通信系统的关键技术同样在于天线平台的稳定和跟踪能力；能否很好的隔离载体（汽车、火车、轮船）的运动（高低速、紧急启动、停止、转弯等）对天线平台的姿态影响，并在各种气象、环境条件下保证天线始终高精度的对准卫星，实现连续卫星通讯。 从 1852 年傅科首先将高速旋转的钢体称为陀螺起到现在，陀螺技术的发展已经过去了 156 年的历史，陀螺的概念也从传统意义上的精密机械装置发展成了以光 电脑技术为核心的纯光电惯性测量器件（如激光陀螺和光纤陀螺）和以微电子技术为核心的半球谐振陀螺、石英音叉陀螺等新概念陀螺。因而惯性技术的研究领域出现了全新的内容。 二次世界大战后，随着武器系统性能的不断提高，对惯性技术的要求越来越高，惯性技术在武器系统中的作用越来越大，已成为现代武器装备中的一项关键支撑技术，在现代高技术战争中已显示出其强大威力，其作用将是不可替代的。 本课题正是着眼于陀螺技术和惯性技术的最新发展，以及多种武器装备对稳定平台的强烈需求而提出的。目的是研究基于微机电陀螺的稳定平台的若干关键技术， 为高精度、高可靠性、低成本的稳定平台的快速研发提供技术储备。 nts重庆邮电 大学本科毕业（ 论文 ） 3 第一章 天线稳定跟踪平台概述 第一节 开展天线稳定跟踪平台研究的意义 开展天线跟踪平台技术集惯性导航技术、微惯性传感器技术、数据采集及信号处理技术、精密机械设计技术、精密机构运动学和动力学建模和仿真技术，开发式运动控制技术、机电伺服控制技术、卫星通信技术和系统技术等多项技术于一身，是以机电一体化、自动控制技术为主题，多个科学有机结合的产物 1。从事该技术的研究能够将我们控制理论应用研究的领域从实验室条件下的机床控制技术研究拓展为对 野战条件下的武器姿态控制技术研究，无疑，这具有很大的军事、民用前景和实践意义。 本课题研究的主要意义在于一下几个方面： 关于微机电陀螺有关特性的第一手资料，包括其动静态精度、长短期误差模型、信号处理方法和零点漂移补偿等。通过我们广泛的技术调研发展，国内关于包括微机电陀螺在内的 MEMS 技术的综述性论文很多，但对于其实际应用的例子提及的相当少，希望通过我们的研究可以填补这项空白。 用微机电陀螺的两轴和三轴稳定平台的稳定原理可具体控制算法形成系统的理论，研究发现，对使用传统的陀螺仪和加速计的平台式惯导系统 现在已经形成相当成熟的理论，但使用微机电速率陀螺作为角速度敏感元件的间接式陀螺稳定装置的很多问题还没有得到充分的认识和研究。本项目的研究正是要解决这个问题。 用相关控制算法的研究成果指导稳定平台机械部分的设计工作，一体化设计是个概念被广泛提及但实施起来相当困难的工作，在综合多种环境模型和系统设计指标的基础上，希望我们可以用提出来的伺服系统模型来指导机械设计，从而降低成本、减小体积和增加可靠性。 nts重庆邮电 大学本科毕业（ 论文 ） 4 第二节 本课题的研究现状 一、国内稳定平台研究现状分析 随着惯性技术对武器装备性能的影响程度越来越大 ，稳定平台技术的研究始终是因为国内研究单位和大公司关注的热点，各单位也进行了大量卓有成效的工作，如稳像技术、稳瞄技术、精确制导炸弹的末制导技术、红外和可见光跟踪装置的发展等 2。 目前，稳定卫星天线的基本方法有五种： 信号的强度随天线指向误差增大而见效的特征，不断搜索，使天线保持在正确的方向上（即信号最强处）。这种方法增加的设备最少，因而成本最低廉，但由于天线波瓣极窄，加之机械搜索速度较慢，很容易丢失信号，而且一旦丢失信号，重新获得时间也较长，因而不使用。 单脉冲跟踪天线，也是利用多路卫星信号强度 的和差关系，在短时间内判断出天线指向的偏移，这种卫星天线稳定系统的精度和速度都很高，但天线系统本身较为复杂，对国内广泛采用的卫星天线来说不具有普遍意义。 惯性姿态测量系统建立一个坐标基准 当地水平坐标系，控制伺服系统使天线稳定在当地水平坐标系中，使之不受载体运动的干扰，这种系统称为捷联式陀螺稳定系统。这种方法稳定性能较好，不易丢失信号，即使丢失，也可以快速找回。但由于系统中所用的陀螺仪和加速计成本太高，因而长期以来难以推广使用。 大型舰船上的平台罗经或飞机上的导航系统提供的载体姿态信号，经过坐标变 换和误差补偿以后发送给天线伺服系统，这种系统结构比较简单，但受载体提供的信号限值较大，应用有很大的局限性、 廉价的速率陀螺构成闭环反馈直接稳定系统，辅以电平信号极大值跟踪，修正陀螺漂移，该种方法的频响和精度均较好，价格适中，是比较理想的一种方案。 下面我们简单介绍一下国内已有的比较典型的卫星天线和瞄准线稳定系统： nts重庆邮电 大学本科毕业（ 论文 ） 5 基于激光陀螺捷联惯导组合的天线稳定系统 基于国产微机械传感器的卫星电视天线稳定系统 基于压电速率陀螺前馈控制的光电视轴稳定系统 基于平台罗经和单片机的船用卫星天线自动跟踪系统 基于动力调谐陀螺仪的机械视轴稳定跟踪伺服系统 二、国外稳定平台研究现状分析 在美、英等国的先进武器系统中，使用微惯性传感器的稳定与跟踪平台得到了广泛的应用，如美国的 MI 坦克，英国的“挑战者”坦克，俄罗斯 T-82 坦克，英国“标枪”导弹海上发射平台等，都采用了不同类型的稳定跟踪平台。美国海军采用 BEI 电子公司生产的石英音叉陀螺，研制出 WSC-6 型卫星通讯系统的间在天线稳定系统，工作 120万小时尚未出现故障， Honeywell 公司研制了以 GG1320环形激光陀螺为基础惯性姿态装置，由惯性传感器组件、惯性传 感器电子系统、处理机、处理机接口组成，很好的满足了稳瞄 跟踪系统的要求。美国配装的Honeywell 公司研制的自行榴弹炮组件式方位位置系统 I（ MAPS6000），由 H-726动态基准装置、控制 显示装置、车俩运动传感器组成，是一种采用激光陀螺技术的捷联式惯性系统，在工作时可连续提供高精度的方位基准、高程、纵摇、横摇、角速率、经度、和纬度输出，性能大大高于美军 MPAS 系统规范的要求。 另外，就商用稳定天线系统来说，国外也有比较成熟的系统，下面简单介绍两种： 1、基于光纤陀螺和电平扫描混合跟踪理论的商用移动载体 卫星通讯系统 该系统针对美军战术操作中心（ TOCS）移动载体（ OTM）卫星通信的需求，采用一个双轴光纤陀螺（ FOG）角速度传感器，一个惯性测量 /姿态参考单元（ IMRU），一对增量式光电角度编码器用于闭环角度测量，一个线性正比于卫星天线指向精度的直流电压信号（ AGC）。 IMRU 用来提供系统的初始对准信号，光纤陀螺的带宽打到 1000HZ，用来构nts重庆邮电 大学本科毕业（ 论文 ） 6 成两轴陀螺稳定系统， ACC 信号用来修正系统的漂移，主要使用称为电平圆锥扫描的方法来完成，该扫描的带宽较低，大约为 1-2HZ。 2、基于 AL-7200-IMU-MK2 惯性 测量单元的天线稳定系统AL-7808/9 该天线系统已经成品化和系列化，主要由以下几个部分组成： 两轴天线本体 伺服驱动单元（ SDU）：包括伺服控制卡和 ADE 电源提供单元用来根据本地控制单元的控制信号驱动天线动作 惯性测量单元（ IMU）：包括一个俯仰 /横滚传感器和短期航向传感器；用来提供初始对准和实时跟踪 本地控制单元（ LCU）：通过一个高速工业标准的光纤以太网连接到舱内的控制计算机，用于接受控制计算机的交互指令，并根据 IMU 的信号进行坐标换算和误差补偿后给伺服驱动单元发控制信号。 控制 计算机（ AL-7100/7200-CCU）：用于在标准 Windows 环境下运行非实时人机交互程序。 此外，还有美国的 Seatel 公司和 KVH 公司专门从事海上卫星电视接收系统的开发并形成性能优良，标准化程度相当高的系列产品，这里就不再详加叙述。 三、天线稳定系统中的伺服控制技术 目前，卫星天线稳定系统的天线伺服系统稳定控制方法主要采用船摇前馈控制、速率陀螺反馈控制、陀螺反馈 +电平跟踪复合控制技术，基本上这些控制方法都是建立在经典 PID 控制的基础上，另外一些先进的控制方法，如模糊控制、神经网络预测控制 3。 卡尔曼滤波 PID 控制、神经网络 PID 控制和自适应控制技术也得到了比较深入的研究。 1.天线稳定系统中的陀螺信号处理技术 由于物理结构及制造工艺的原因，陀螺仪很难达到世纪的漂移技术。为了弥补陀螺工艺质量上的缺陷，必须对陀螺漂移角速度进行测试，从而对其确定性模nts重庆邮电 大学本科毕业（ 论文 ） 7 型和随机漂移做精确分析，对陀螺的漂移进行建模、识辩，在此基础上对陀螺进行误差补偿和改进，以进一步提高稳定系统的精度。 常用的陀螺漂移信号预处理方法是逐步回归法。该方法首先通过求均值来提取陀螺信号中的常值漂移，然后，对去掉均值的陀螺漂移回归提取线性趋势项。最 后，进行傅立叶分解产生周期图，并经 Fisher 检验，识别并提取隐含的周期趋势项。 在对陀螺漂移数据建立时间序列模型的基础上，可以采用卡尔曼滤波算法对陀螺漂移数据进行处理，以提高陀螺静态飘逸误差稀疏的估计精度，并把得到的陀螺漂移误差模型实时补偿到稳定系统中。陀螺飘漂移误差的补偿，通常采用常规的反馈控制系统。现在各种补偿方法都在发展，如自适应模型、在轨标定补偿等。 小波分析是现代信号处理中分析和处理非平稳信号的一种理论和方法。陀螺仪优化实验得到的测试数据是非平稳的，用小波分析漂移特性是一种很有效的方法。小波以其 优良的多分辨分析特性特别使用于非平稳信号，而且随着其在信号处理中的广泛应用，小波去噪理论也日趋完善，小波对称性对陀螺信号去噪具有重要意义。 2.国内外微机电陀螺的发展 微机电陀螺是为了满足军事应用的要求而研制产生的，属于低精度陀螺的范畴，漂移达 1 度 /小时，但这样的漂移对弹头寻的器、导弹飞行控制系统等应用来说是可以接受的，特别是其可靠性高、体积小、成本低等特点，为其进入军事领域创造了有利条件。美国 BEI 公司的 Systron 惯性分公司研制的石英音叉陀螺QRS，已成功应用于导弹自动驾驶仪和舰载卫星天线稳定系统上。 国内清华大学自行研制的微机械陀螺，也已经成功应用于火箭炮弹的末制导和卫星天线稳定系统上 4。 nts重庆邮电 大学本科毕业（ 论文 ） 8 第三节 本论文研究的主要内容 本论文研究的主要内容为： 1、天线稳定原理 论文根据天线稳定系统中使用速率脱落稳定的基本原理，对两轴稳定天线进行了运动学分析，确定了正确的陀螺安装方式。两轴稳定系统造成的波束滚动的原理性进行了分析并提出了相应的解决方法。 2、系统总体方案与系统结构 对于移动载体卫星通信系统来说，其核心便是解决如何在载体运动颠簸的情况下，保持天线波束指向不变的问题，也就是如何实现波束的稳定 问题。 机电一体化系统不是几种系统的简单叠加，而是通过系统的总体设计使它成为一个有机的整体，即从系统工程的观点出发，应用机械、电子、控制等相关技术，使机电有机结合，实现系统或产品的整体最优。系统的组成、各部分的功能完成和良好协调对实现系统总体功能具有重要意义。 3、 误差补偿 根据固态振动陀螺输出信号和噪声特点对其构成的低成本惯性测量单元（ IMU）的原始传感信号进行了快速小波滤波和灰色理论建模处理。运用累加生成操作（ AGO）方法得到有规则的单值对应非线性函数，并获得陀螺零位输出在三维空间中的单值映射模型。然后 以时间和温度为输入根据灰色神经网络建立陀螺的漂移模型，对累加生成方法生成的单值对应的非线性函数进行逼近，从而提高了动态测量精度。同时采用活动阈值融合算法，优化陀螺和加速度计动态测量数据。有效提高系统测量精度。 nts重庆邮电 大学本科毕业（ 论文 ） 9 第二章 天线稳定原理 第一节 陀螺稳定系统原理简介 陀螺稳定装置是用来使被稳定对象（如瞄准具镜头、火炮炮声、雷达或通信天线）相对某方位保持稳定的陀螺装置。陀螺稳定装置有 2种工作状态：几何稳定状态（又称稳定工作状态）和空间积分状态（又称指令角速度跟踪状态）。几何稳定状态指的是平台基座 角运动和干扰力矩作用下能相对惯性空间保持方位稳定的工作状态；空间积分状态，指的是平台在指令角速度的控制下能相对惯性空间以指令角速度的规律旋转的工作状态 5。 从工作原理上来说陀螺稳定装置可以分为以下 5种： 直接式陀螺稳定装置：作用于被稳定对象上的干扰力矩完全依靠陀螺力矩来平衡的一种陀螺稳定装置。在这类稳定装置中，陀螺既是装置的敏感元件，又是装置的执行元件。 间接式陀螺稳定装置：作用于被稳定对象上的干扰力矩完全依靠伺服回路输出的电机力矩来平衡、陀螺力矩完全不起平衡作用的一种驼鹿平稳顶装置。在这类稳定 装置中，陀螺装置仅起敏感元件的作用。 动力式陀螺稳定装置：在对作用于被稳定对象上的干扰力矩平衡过程中，陀螺力矩仅在系统的过度过程中起作用，稳态时，干扰力矩完全由伺服回路稳定电机输出力矩平衡的一种陀螺稳定装置。在这类稳定装置中，陀螺仪除起敏感元件的作用外，还起阻尼元件的作用。 指示式陀螺稳定装置：在对作用于被稳定对象上的干扰力矩的平衡过程中，陀螺力矩不起作用，外部干扰力矩全部由伺服回路的稳定电机输出力矩来平衡的陀螺稳定装置。这类稳定装置中，陀螺仪仅起角位置敏感元件的作用。以二自由液浮角位置陀螺、静电陀 螺、扰性陀螺为敏感元件的惯性平台均属此类。指示式陀螺稳定装置和间接式陀螺稳定装置的区别在于前者的陀螺仪和被稳定对象安装在同一平台台体上，陀螺仪和被稳定对象有直接的机械联系。后者的陀螺装nts重庆邮电 大学本科毕业（ 论文 ） 10 置和被稳定对象没有直接的机械联系，仅有电气方面的联系，陀螺装置和被稳定对象是安装在载体上不同的地方。 指示 动力式陀螺稳定装置 :在平衡作用于被稳定对象上的干扰力矩的过渡过程中。陀螺力矩虽起作用，但作用很小，稳态时，干扰力矩完全由伺服回路稳定电机的输出力矩平衡的一种陀螺稳定装置。在这类稳定装置中，陀螺仪主要起角速度敏感元件的 作用，是稳定装置的角速度指示器。以单自由度浮液积分陀螺仪和速率陀螺仪为敏感元件的稳定平台均属此类。 第二节 三轴光电跟踪装置的运动分析 因为三轴平台的输入量（指令角速率）、干扰量（陀螺仪漂移角速率、干扰力矩和载体角速率）和输出量（各轴输出力矩、角速度和角度）均为向量，所以三轴平台的动力学方程为向量方程，为了运算方便和物理概念理解的正确，需要将向量方程改称等效的矩阵方程，这就出现了向量在坐标系中的变换问题。从陀螺稳定系统的原理而言，角位移稳定方程和角速率稳定方程均可以实现光电传感器瞄准线的稳定。一般是 从角位移角度推导捷联式三角稳定系统的正逆运动学 方程，如上所述，获得准确的姿态角有相当的难度，因此下面我们从角速率的角度推导平台式三轴稳定系统的运动方程 6。 图 2.1给出了一个三轴稳定系统的结构原理示意图，其中 A为方位环，坐标系为a a aOX Y Z，aOZ轴和载体坐标系b b bOX YZ(B系 )的bOZ轴重合， A系绕bOZ轴转角为a； F为俯仰环，坐标系为f f fOX Y Z，fOX轴和 A 系的aOX轴重合， F坐标系绕aOX轴的转角为f； R为横滚环，坐标系为r r rOX YZ，rOY轴和 F 系的fOY轴重合， R 坐标系绕fOY轴的转角为r。 nts重庆邮电 大学本科毕业（ 论文 ） 11 图 2.1 三轴光电稳定跟踪装置坐标示意图 Fig2.1 Schematic of the coordinate of three-axis E-O Stabilization and tracking device 由基座角运动的耦合与隔离的原理知， 当基座 (B系 )有角速度时，将通过平台安装轴的几何约束和摩擦约束向平台台体耦合。由于方位、俯仰和横滚伺服回路的存在，将会全部隔离耦合过来的基座角速度。 B系、 A 系、 F系和 R 系三个坐标系问的相对位置关系如图 2.2所示。 图 2.2 三轴平台坐标系间的相对运动关系 Fig2.2 Relative motion between different coordinates Of three-axis platform 设ibx、iby、ibz为载体角速度沿三个坐标轴的分量，设 ( ) , , Tib x ib y ib zt )B系 A系 F系 R系的坐标变换分别通过坐标变换矩阵aR、fR和rR实nts重庆邮电 大学本科毕业（ 论文 ） 12 现，坐标变换关系如下： ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )afrH B aF A fR F rt R t t tt R t t tt R t t t ) &) &) &， 000 0 1aaa a acsR s c ，1 0 000f f fffR c ssc ， 00 1 00rrrrrcsRsc， （ 2.1） 其中 cos( )xcx， sin( )xsx，a： A 系相对 B 系的转角。 ()H t)为 B系内的角速率矢量， ()Bt) ， ()At) ， ()F t) 和 ()Rt) 分别为 A系、 F系和 R系内的角速率矢量。 ( ) 0 0 ( ) , ( ) ( ) ( )Ta a a A z B zt t t t t & & & ( ) ( ) 0 0 , ( ) ( ) ( )Tf f f F y A yt t t t t & & & ( ) 0 ( ) 0 , ( ) ( ) ( )Tr f r R x F xt t t t t & & &， (2.2) 当方位、俯仰和横滚伺服回路同时工作时， B系与 R系内的角速率矢量 ()Bt)，()Rt) 的关系为： ()r f a r f rR B a f rt R R R R R R ) & & & ， (2.3) 理想情况下，因为光电传感器的视线轴与 R系的rOy轴重合，所以欲实现三轴稳 定 效 果 ， 需 要 使 R 系 的 三 个 坐 标 轴 感 受 到 的 扰 动 速 率 均 为 零 ， 即() TR r x r y r zt ) ， 则方位、俯仰和横滚电机需按照以下的速度旋转： nts重庆邮电 大学本科毕业（ 论文 ） 13 ( ) s e c s e c()( ) ( ) s e ca f a f faaa f a f f f a aa i b x i b y i b z f f z ff i b x i b y f xr i b x i b y i b z a i b x i b y fs s c s ccss c c c s s s c &（ 2.4） 公式 (2.4)给出了三轴速率陀螺视轴稳定系统角速率补偿的一般表达式，可以通过该式归纳出三种陀螺安装方法 (下面所指的速率陀螺均为单自由度速率陀螺 )：捷联式稳定方式 (Strapdown Line Of Sight Stabilization，简称 SLOSS)和直接稳定方式 (Direct Line Of Sight Stabilization，简称 DLOSS)。 由于计算机数字控制技术的发展， SLOSS系统的应用也越来越广泛，该类型系统采用三个速率陀螺，分别正交安装在车体上 (沿车体坐标系box、boy和boz方向安装 )，敏感基座的旋转角速率 (ibx、iby和ibz)，再根据转台角位置传感器提供的方位、俯仰角的值，通过数学平台解算出平台的三轴理想旋转角速率，从而使载体扰动等价为瞄准线的扰动。系统通过速率前馈补偿器产生控制信号来消除扰动 7。由于扰动没有直接在瞄准线坐标系内测量，基座速率传感器必须准确地测量基座的运动速率。 DLOSS系统使用安装在瞄准线轴上的速率陀螺组合，通常在精密稳定场合中应用较多。该方式需要三个速率传感器和相应的速率补 偿回路，易于实现。其安装方式通常有三种： Method 1：将三个陀螺安装在 F系 (分别平行于轴fox、foy和foz)上，敏感俯仰坐标系的旋转角速率xf、yf和zf，方位、俯仰和横滚电机的目标速度分别为 secfz f、fx和fz方位和俯仰电机与相应的陀螺的关系为反馈稳定，即在考虑耦合的前提下，陀螺是控制回路的反馈元件，控制系统的目标是使方位陀螺与俯仰陀螺的输出保持在零均值左右变动；横滚电机与相应的陀螺的关系为前馈稳定，即横滚陀螺的输出作为横滚电机的目标速度，但横滚电机的转动不影响横滚陀螺的输出。 Method 2： 将两个陀螺安装在 F系，分别与fox和foz轴平行，敏感xf和zf，另外一个陀螺安装在 R系 (平行于轴roy)上，敏感ry方位、俯仰和横滚电机与陀螺nts重庆邮电 大学本科毕业（
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