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西安工業(yè)大學北方信息工程學院 本科畢業(yè)設計(論文) 題目：車載慣導平臺設計 系 別： 機電信息系 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化 班 級： B090206 學 生： 張超 學 號： B09020631 指導教師： 賈培剛 2013年05月 本科畢業(yè)設計(論文) 題目：車載慣導平臺設計 系 別： 機電信息系 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化 班 級： 學 生： 學 號： 指導教師： 2013年05月 車載慣導平臺設計 摘 要 車載慣導平臺是指車輛在道路上行駛時，路面的顛簸將會引起車輛發(fā)生俯仰、側傾和橫擺運動，。這些角運動的大小與車輛行駛速度和路面不平度具有密切關系。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)境識別傳感器直接安裝于車體之上，則傳感器的標定就必須隨著車輛行駛路況的隨機變化而實時改變。只有在傳感器做出正確的標定之后，才能獲取正確的車輛行駛環(huán)境信息。 關鍵詞：平臺的設計 初始對準 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. 慣性導航的基礎知識 3 1.2.1地球形狀及重力特性 3 1.2.2地球的自轉和角速度 4 1.2.3 導航用坐標系 4 1.3 捷聯式和平臺式慣導系統(tǒng)的主要區(qū)別 5 1.4.1 初始對準的分類 7 1.4.2 初始對準的要求 7 1.4.3 干擾觀測與補償 7 1.4.4 質量恢復控制 8 1.5 車載慣導平臺的概述 9 1.5.1 攝像穩(wěn)定平臺的結構特點 11 2 車載慣導平臺的整體形狀及分析 12 2.1 車載慣導平臺的整體形狀 12 2.1.1 穩(wěn)定平臺的性能要求 12 2.1.2 驗證是否滿足所設計的要求 13 2.1.3 穩(wěn)定平臺穩(wěn)像原理 13 2.2 車載慣導平臺方位驅動系統(tǒng) 13 2.3 艦載攝像穩(wěn)定平臺的傳動方式 14 2.3.1車載攝像穩(wěn)定平臺俯仰驅動系統(tǒng) 14 2.3.2 攝像穩(wěn)定平臺縱、橫搖驅動系統(tǒng) 15 3 制定車載慣導平臺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 各個零件尺寸的確定 17 4 計算車在平臺慣性力矩和功率 21 4.1 電機的作用 21 4.2 由慣性力矩來確定電機的功率 21 4.2.1 電機種類 21 4.2.2 功率的計算 22 結 論 23 參考文獻 24 致 謝 25 畢業(yè)設計（論文）知識產權聲明 26 畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明 27 1 緒論 1 緒 論 進入21世紀，隨著科學技本的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的制造技術已進入現代制造技術的新階段。為保證和增強車載武器系統(tǒng)的快速機動性,現代先進的陸地作戰(zhàn)車輛,如自行火炮、遠程火箭炮、前線偵察車、射擊指揮車、導彈發(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)的技術性能和可靠性與陸地作戰(zhàn)車輛的戰(zhàn)斗力和快速反應能力有著極為密切的關系。定位定向系統(tǒng)不僅要有較高的精度指標,還必須具備較高的工作可靠性,才能保證產品在惡劣的車載環(huán)境條件下全壽命可靠地工作。某型號車載慣性定位定向系統(tǒng)是專門為陸地作戰(zhàn)車輛設計的一種導航及姿態(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,并實時進行定位導航,引導車輛行駛。該系統(tǒng)由雙軸陀螺平臺、導航計算機、電子控制線路、里程計等部件組成,各部件之間的可靠性邏輯關系為串聯形式。慣導平臺是以牛頓力學定律為基礎，通過測量載體在慣性參考系的加速度，將它對時間進行積分，且把它變換到導航坐標系中，就能夠得到在導航坐標系中的速度、偏航角和位置等信息的測量平臺。經過多年的發(fā)展，慣導平臺也有各種結構形式，其中適合車載的慣導平臺一直是研究是熱點。本課題為智能車科研項目的一部分，以設計出測量智能車姿態(tài)的慣性導航平臺為目的，為控制其姿態(tài)的研究工作打下基礎。 慣性導航系統(tǒng)（簡稱慣導系統(tǒng)）為一種利用加速度計測得的運載體的運動加速度、經過運算求出運載體即時位置的導航設備。慣性導航是二十世紀初才發(fā)展起來的一種導航方法。導航的本意就是引導航行的意思，所以導航就是引導運載體在預定的時間內，按照計劃的航線，由起始地點航行到目的地。慣導系統(tǒng)的優(yōu)點是不受外界干擾，隱蔽性好，能實時提供運載體的三維姿態(tài)參數，這些參數都是艦艇與飛機上觀測系統(tǒng)和火控系統(tǒng)所必需的。慣導系統(tǒng)由于具有上述一系列優(yōu)點而受到海陸空軍，航天和交通運輸等部門的青睞和重視。目前，它已廣泛應用于潛艇、水面艦艇、軍用飛機、戰(zhàn)略導彈與戰(zhàn)術導彈、戰(zhàn)車和人造衛(wèi)星等領域。慣導系統(tǒng)的性能不斷提高，結構類型日新月異。我們根據系統(tǒng)中有無機電式實體平臺分為平臺式和捷聯式慣導系統(tǒng)。捷聯式慣導系統(tǒng)與平臺式慣導系統(tǒng)的區(qū)別，在于前者沒有實體的穩(wěn)定平臺，而代之以導航計算機產生的數學平臺，陀螺儀和加速度計直接與運載體固聯。慣導系統(tǒng)的性能不斷提高，結構類型日新月異。我們根據系統(tǒng)中有無機電式實體平臺分為平臺式和捷聯式慣導系統(tǒng)。捷聯式慣導系統(tǒng)與平臺式慣導系統(tǒng)的區(qū)別，在于前者沒有實體的穩(wěn)定平臺，而代之以導航計算 3 畢業(yè)設計（論文） 機產生的數學平臺，陀螺儀和加速度計直接與運載體固聯。導航系統(tǒng)是根據測得的運載體的加速度，經過積分運算求得速度與位置。為此，必須知道初始速度和初始位置。此外，以地理坐標系為導航坐標系的慣導系統(tǒng)中（包括平臺式和捷聯式），物理平臺和數學平臺都是測量加速度的基準，而且平臺必須準確的對準和跟蹤地理坐標系，以避免由平臺誤差引起的加速度測量誤差。初始對準的精度直接關系到慣導系統(tǒng)的工作精度，初始對準的時間是慣導系統(tǒng)的重要戰(zhàn)術技術指標。因此，初始對準是慣導系統(tǒng)最重要的關鍵技術之一。 慣性系統(tǒng)初始對準的目的是在慣導系統(tǒng)進入導航工作狀態(tài)之前建立起導航 坐標系。對平臺式慣導系統(tǒng)來說，就是控制平臺旋轉使之與要求的導航坐標系重 合；對捷聯式慣導系統(tǒng)來說，就是計算出機體坐標系到導航坐標系的姿態(tài)矩陣。 初始對準過程中，一般還要求算出陀螺的偏置量，即測漂。 機載光電跟瞄平臺在飛機火力控制系統(tǒng)、導航系統(tǒng)中有廣泛的應用, 它能夠在機載環(huán)境下迅速捕獲、跟蹤、瞄準運動目標。由于機載環(huán)境下干擾嚴重, 而跟瞄平臺自身的跟蹤精度要求又較高, 所以平臺的穩(wěn)定性與跟蹤控制方法的優(yōu)劣直接決定著平臺的性能。為了精確的控制平臺光學系統(tǒng)的視軸, 使其在隔離擾動的同時準確跟蹤運動目標, 人們采用了多種控制方法。機載光電跟瞄平臺的功能是捕獲、跟蹤、瞄準飛機所處空域內的目標, 如飛機、車輛、房屋等。平臺主要由光電探測器、跟蹤伺服平臺、電子設備和慣性元件組成。慣性導航系統(tǒng)是一種完全自主式的導航系統(tǒng),以其不依賴任何外界信息的優(yōu)勢,被應用于越來越多的場合,所以提高系統(tǒng)的導航精度變得日益重要。針對這一問題,實現了慣導平臺車載試驗的仿真系統(tǒng),并對慣性導航系統(tǒng)的誤差模型參數的辨識方法進行了研究。 介紹了慣性導航系統(tǒng)的工作原理和導航誤差方程,建立了慣導平臺車載試驗仿真系統(tǒng)各仿真模塊的數學模型。論文重點完成了慣導平臺車載試驗仿真系統(tǒng)的設計和實現,在設計上主要實現了以下功能:它可根據用戶需求完成外測數據(即載車的航跡)的生成、系統(tǒng)誤差設置;提供了導航信息顯示功能,可供用戶直觀地查看導航信息的變化情況。在實現過程中,為了提高軟件的開發(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)缺點之后,該仿真平臺決定采用Matcom來實現Matlab之間的混合編程。在利用車載試驗對慣性導航誤差模型辨識時,首先建立了慣性導航系統(tǒng)的誤差模型,然后用傳統(tǒng)的經典最小二乘方法對誤差模型參數進行了辨識,辨識效果不好,經分析原因是系統(tǒng)存在嚴重的復共線性。因此采用偏最小二乘方法對誤差模型參數進行辨識,得到更高的辨識精度。 慣導平臺車載試驗的仿真系統(tǒng)實現了分析平臺系統(tǒng)誤差及外測信號精度對導航精度影響的目的,可以直觀地看出導航信息的實時變化。此仿真系統(tǒng)可供從事慣性導航系統(tǒng)研究、設計的工程技術人員使用,也可以供相關專業(yè)人員作學習仿真使用。 畢業(yè)設計（論文） 1.1 本文研究的背景和目的 為加速度計提供一個準確的安裝基準和測量基準，以保證不管載體姿態(tài)發(fā)生多大變化，平臺相對于慣性參考坐標系的方向始終保持不變，即三個加速度計的空間指向是不變的。例如，某些飛機上的慣導系統(tǒng)要求這個穩(wěn)定平臺在方位上要對正北向，在平面上要和當地水平面平行，使平臺的三個軸正好指向東、北、西三個方向。能夠實現這一要求的，只有陀螺儀，所以也叫陀螺穩(wěn)定平臺。陀螺也就成為穩(wěn)定平臺和慣性導航系統(tǒng)的核心部件。正因為有了這樣一個基準平臺，飛機相對該平臺在方位上的偏角反映了航向，飛機相對該平臺在水平兩個軸向上的偏角反映了俯仰和傾斜（橫滾）。所以穩(wěn)定平臺代替了地平儀、羅盤或航向姿態(tài)系統(tǒng)的功能 1.2. 慣性導航的基礎知識 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雜的不同規(guī)則的物理 實體，為了導航定位的需要，把地球近似為一個能用簡單數學公式描述的幾何球體。第二近似是把地球視為旋轉橢球，如圖 1.1所示。 圖 1.1 近似的地球數理模型 （1.1） 式中 a-----為長短軸，在赤道平面內； b-----短半軸，與地球自轉重合。 旋轉的橢球的扁率為 ξ = （1.2） 已知其參數：長半軸 a = 6378.206km 短半軸 b = 6356.586km 橢球度 ξ=1/295 1.2.2地球的自轉和角速度 在慣性空間，地球繞本身的地軸自轉，并繞太陽作公轉。地球公轉一周為一 年，需365 天，實際上地球相對恒星轉動了366 次，因此地球在24 小時內相對 恒星自轉了1,00274 周。太陽在慣性空間不是恒定不變，但它的旋轉影響可以忽略不計。 地球的自轉的角速度為 w = 7.2921158x10*-5rad/s 1.2.3 導航用坐標系 宇宙間任何物體的運動都是相對的，因此運載體的運動和導航定位，均需研 究它們相對坐標系的運動與位置。在慣性導航中常用的坐標系由下列7種： (1) 地心慣性坐標系（簡稱i系）坐標系原點為O,設在地球的中心，X i軸和Yi 軸在地球赤道平面內。Xi軸指向春分點，Zi軸指向地球極軸。春分點為天文測量中確定恒星時的起點。由此構成的右手直角坐標系OXYZ即為地心慣性坐標系。 (2) 地球坐標系（簡稱e系） 坐標系的原點取在地球中心，與地球固聯，Ze軸指向地球極軸,Xe軸和Ye軸位于赤道平面，且Xe軸通過零子午線。由此構成的右手直角坐標系OXYZ即為地球坐標系。 (3) 地理坐標系（簡稱g 系）坐標系的原點取在運載體重心。 Yg軸指向東，即E；Yg軸指向北，即N；Zg軸指向地，即D。此時的地理坐標系常表示為右手直角坐標系OEND，即東北地坐標系。有時采用ONEZ坐標系，即北東天坐標系，Zg軸指向天頂。本篇論文除特別說明外，均采用OEND坐標系。 (4) 運載體坐標系（簡稱b系） 坐標系的原點取在運載體重心，并與運載體固聯。Yb軸指向運載體的縱軸方 向；Zb軸指向運載體的豎軸方向，由此構成的右手直角坐標系為運載 體坐標系，可簡稱為載體坐標系。運載體為艦艇時,b系即為艦艇坐標系。 (5) 平臺坐標系（簡稱p系）與慣導系統(tǒng)中的物理平臺（平臺式系統(tǒng)）或數學平臺(捷聯式系統(tǒng))固聯的右手直角坐標系 OXYZ稱為平臺坐標系. (6) 導航坐標系（簡稱t 系） 導航坐標系為慣導系統(tǒng)在求解導航參數時所采用的坐標系。對平臺式慣導系 統(tǒng)來說，理想的平臺坐標系就是導航坐標系。指北半解析式慣導系統(tǒng)中平臺的理 想指向為地理坐標系，則該系統(tǒng)中的導航坐標系即采用地理坐標系。對捷聯式慣 導系統(tǒng)來說，導航參數并不一定在運載體坐標系內求解，可將加速度計的信號分 解到某個求解導航參數較方便的坐標系內進行計算. (7) 計算坐標系（簡稱c 系）此種坐標系是為了便于研究慣導系統(tǒng)而人為引進的一種虛擬坐標系，是以計算所得的經緯度（λc,Lc）為原點O建立起來的地理坐標系OXYZc，它與運載體實際位置O點上建立的地理坐標系OXYZg不一致。兩個坐標系之間的夾角為慣導系統(tǒng)的定位誤差。平臺坐標系OXYZp相對于地理坐標系 OXYZg的夾角為平臺的姿態(tài)角Φ。平臺坐標系OXYZp 相對于計算坐標系 OXYZc的夾角稱為Ψ 。 1.3 捷聯式和平臺式慣導系統(tǒng)的主要區(qū)別 從結構上來說，捷聯式和平臺式慣導系統(tǒng)的主要區(qū)別是前者沒有實體導航平 臺，而后者有實體導航平臺。在平臺式慣導系統(tǒng)中，導航平臺的主要功能是模擬 導航坐標系，把導航加速度計的測量軸穩(wěn)定在導航坐標系軸向，使其能直接測量 載體在導航坐標系軸向的加速度，并且可以用幾何的方法，從平臺的框架軸上直 接拾取載體的姿態(tài)和航向信息。而捷聯式慣性導航系統(tǒng)則不用實體導航平臺，把 加速度計和陀螺直接安裝在載體機體上，在計算機中實時的計算姿態(tài)矩陣，通過 姿態(tài)矩陣把導航加速度計測量的載體沿機體坐標系軸向的加速度信息變換到導 航坐標系，然后進行導航計算。同時從姿態(tài)矩陣的元素中提取姿態(tài)和航向的信息。 由此可見，在捷聯式慣導中，是用計算機來完成導航平臺的功用。所以有時也說 捷聯式慣導系統(tǒng)是采用“數學導航平臺”。除此之外，其它導航計算則是基本相 同的。 圖 1.2 平臺式慣導系統(tǒng)原理 圖1.2是平臺式導航系統(tǒng)的原理示意圖，導航加速度計和陀螺都安裝在導航平臺上，加速度計輸出的信息，送到導航計算機，導航計算機除計算飛行器位 置、速度等導航信息外，還要計算對陀螺的施矩信息。陀螺在施矩信息作用下， 通過平臺穩(wěn)定回路控制平臺跟蹤導航坐標系在慣導空間的角運動。而飛行器的姿 態(tài)和方位信息，則從平臺的框架軸上直接測量得到。 圖 1.3是捷聯式慣導系統(tǒng)的原理示意圖。導航加速度計和陀螺直接安裝在載體上，用陀螺測量的角速度信息減去計算的導航坐標系相對慣性空間的角速 度，則得到機體坐標系相對導航坐標系的角速度，利用這個信息進行姿態(tài)矩陣的 計算。有了姿態(tài)矩陣，就可以把機體坐標系軸向的加速度變換到導航坐標系軸向， 然后進行導航計算。同時利用姿態(tài)矩陣的元素，提取姿態(tài)和航向信息。所以，姿 態(tài)矩陣的計算、加速度信息的坐標變換、姿態(tài)航向角的計算。這三項功能實際上 代替了導航平臺的功能，因此，計算機的這三項功能也就是所謂的“數學平臺”。 而計算的導航坐標系的角速度信息則相當于導航平臺上的陀螺施矩信息。 圖 1.3 捷聯式慣導系統(tǒng)原理 1.4 慣導系統(tǒng)的初始對準 1.4.1 初始對準的分類 (1) 按對準的階段來分慣導系統(tǒng)的初始對準一般分為兩個階段：第一個階段為粗對準，對平臺進行水平與方位粗調，要求盡快地將平臺對準在一定精度范圍內，為后繼的對準提供基礎，所以要求速度快，精度可以低一些。第二階段為精對準，是在粗對準的基礎上進行，要求在保證對準精度的前提下盡量快。 (2) 按對準的軸系來分取地理坐標系為導航坐標系的情況下，初始對準可分為水平對準和方位對準。在平臺式慣導系統(tǒng)中，物理平臺通常先進行水平對準，然后進行平臺的水平與方位對準。捷聯式慣導系統(tǒng)中的數學平臺，一般情況下水平對準與方位對準是同時進行的。 (3) 按基座的運動狀態(tài)來分按照安裝慣導系統(tǒng)所在基座的運動狀態(tài)可分為靜基座對準和動基座對準。動基座對準通常是在載體運動狀態(tài)下進行的。 (4) 按對準時對外信息的需求來分慣導系統(tǒng)只依靠重力矢量和地球速率矢量通過解析方法實現的初始對準稱為自主式對準，此時不需要其它外部信息，自主性強、但精度不高。非自主式對準可通過機電和光學方法將外部參考坐標系引入系統(tǒng)，使平臺對準至導航坐標系。在捷聯式慣性系統(tǒng)的粗對準階段，可引入主慣導系統(tǒng)的航向信息，迅速將數學平臺對準導航坐標系，減少初始失調角。在精對準階段，可采用受控對準方法，利用其它導航設備（如GPS、記程儀等）提供的信息（如位置和速度等）作為觀測信息，通過卡爾曼濾波實現精對準。 1.4.2 初始對準的要求 慣導系統(tǒng)不論用于運載體導航和武器彈藥中的制導，還是用于觀測系統(tǒng)與火 控系統(tǒng)的航向姿態(tài)基準，均要求初始對準保證必需的準確性與快速性。用于艦船 與飛機的慣導系統(tǒng)，對準時間可略長些，如裝備民航飛機用的慣導系統(tǒng)的對準時 間容許為15～20分鐘。平臺式慣導系統(tǒng)的水平對準精度達到10″以內，方位對 準精度達2′～5′以內。用于艦炮武器系統(tǒng)的捷聯式航姿系統(tǒng)，基于對其快速反應的要求，靜基座對準時間要求在10分鐘左右，動基座對準時間要求在20分 鐘左右。 為了達到初始對準精而快的要求，陀螺儀與加速度計必須具有足夠高的精度 和穩(wěn)定性，系統(tǒng)的魯棒性要好，對外界的干擾不敏感。 1.4.3 干擾觀測與補償 抑制干擾是穩(wěn)定回路的主要任務。如果干擾量可測, 就能通過前饋補償的方式來抑制, 但光電跟瞄平臺的干擾輸入一般無法直接測量。可以采用基于狀態(tài)空間的干擾觀測器觀測擾動并進行前饋補償, 具體方法是對干擾信號的模型進行合理假設, 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)中構成增廣系統(tǒng),用常規(guī)的極點配置設計方法設計狀態(tài)觀測器和狀態(tài)反饋控制器, 從而同時實現干擾補償和跟蹤控制。采用此方法設計了跟瞄平臺穩(wěn)定控制回路, 經仿真驗證, 穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差從011 mrad 降至0104 mrad。以上方法在進行模型假設時,將干擾看作確定性信號,而實際跟瞄平臺所受的干擾很復雜,只能獲得它的隨機統(tǒng)計模型,因此上述方法具有一定局限, 特別是當擾動發(fā)生變化時抗擾性能會降低。 1.4.4 質量恢復控制 質量恢復技術的提出是為了解決光學元件跟蹤結構的干擾抑制問題。圖1.4控制回路中的擾動主要是飛機的姿態(tài)運動、高頻振動通過摩擦耦合與幾何耦合產生的力矩擾動, 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)的設計思想是, 用精跟蹤回路對粗跟蹤回路的跟蹤誤差進行前饋補償,通過提高精跟蹤回路的帶寬, 實現對寬帶干擾的主動抑制。由于精跟蹤回路的帶寬受到慣性反饋元件的帶寬限制無法提得很高, 所以慣性元件帶寬以外的干擾無法抑制。質量恢復控制的設計思想與常規(guī)相反: 首先斷開精跟蹤回路的參考輸入, 使圖1.4 中的K =0,同時通過設計反射鏡光路使λ = 1 ,此時精跟蹤回路僅僅起隨動粗跟蹤回路的作用, 通過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中由于擾動產生的高頻噪聲,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重的機載跟瞄平臺。德州儀器公司生產的圖像穩(wěn)定平臺和西安應用光學研究所設計的光電跟瞄系統(tǒng)原理樣機都采用了這種設計思想。 圖 1.4 質量恢復的控制原理圖 1.4.5 捷聯式與平臺式慣導系統(tǒng)初始對準的區(qū)別 在平臺式慣導系統(tǒng)中，平臺的誤差方程是研究初始對準的基礎。平臺誤差方 程描述了平臺系相對地理坐標系的誤差變化率與系統(tǒng)誤差源之間的關系。平臺式 慣導系統(tǒng)是利用加速度計輸出信息作為對準修正信息。對準的本質是將重力加速 度的方向作為水平對準的基準，其對準精度主要取決于兩個加速度計的精度。作 為方向對準的羅經準則是利用了羅經效應，其本質則是將地球角速率向量的方向 （北向分量）作為方位對準的基準，其對準精度主要取決于東向陀螺漂移。捷聯式慣導系統(tǒng)的初始對準的基礎是數學平臺的誤差方程。對準的修正信息，除了加速度計的輸出信息外，還利用了陀螺儀的輸出信息。其水平對準精度同樣取決于加速度計的測量精度；方位對準精度取決于等效東向陀螺漂移。因此，為了提高捷聯式慣導系統(tǒng)的初始對準精度，有必要建立慣性器件的誤差方程，并對其誤差補償，為提高初始對準精度提供必要的條件。平臺式慣導系統(tǒng)的初始對準是由慣性器件輸出的信息，經計算機中的對準程序處理產生控制信號，施矩于陀螺儀，從而迫使平臺在陀螺的控制下自動趨向于地理系。而捷聯式慣導系統(tǒng)的初始對準，則是由慣性敏感元件的輸出信息，經過計算機的實時運算（按對準程序），不斷的將數學平臺變換到能精確的描述理想載體系到地理系（導航系）的方向余弦矩陣。這兩種慣導系統(tǒng)初始對準的主要區(qū)別在于慣性器件安裝的環(huán)境不同，捷聯式慣導系統(tǒng)的初始對準精度受載體的干擾運動的影響比較嚴重，因此，濾波技術的應用比平臺式慣導系統(tǒng)顯得重要。 1.5 車載慣導平臺的概述 攝像穩(wěn)定平臺的結構通常由方位轉臺、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受道路路況的干擾而產生縱、橫搖及上下坡，側傾運動,使方位水平基準不斷地發(fā)生變化,攝像機受道路的影響而不穩(wěn)定,常使被攝像目標丟失,所以攝像機必須架設在穩(wěn)定平臺上,通過穩(wěn)定平臺的縱搖和橫搖驅動系統(tǒng)補償汽車的搖擺運動,使攝像機保持水平狀態(tài),另外通過方位及俯仰的人為控制實現對被攝目標的捕捉。 1.5.1 穩(wěn)定平臺的種類 穩(wěn)定平臺有多種結構型式:按轉軸的數目可以分為一軸、二軸、三軸、四軸。一般來講搜索、引導雷達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動,就能覆蓋預定的空間;衛(wèi)星通信地球站和射電望遠鏡,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轉動才能掃掠整個空域;雷達為了補償汽車縱、橫搖擺影響,常采用三軸或四軸的天線座見圖1.5。 圖 1.5 天線座結構圖 縱橫搖框架、攝像機俯仰叉架組成見圖1.6。 圖 1.6 攝像穩(wěn)定平臺結構圖 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、橫搖框架架設在方位旋轉叉架上;縱、橫搖框架由X和Y軸的兩個搖擺環(huán)組成一個平面,這兩個搖擺環(huán)均為高精度隨動系統(tǒng),能快速準確地消除汽車搖擺,使攝像機始終保持水平。攝像機安裝在俯仰叉架上并懸掛于縱/橫搖框架下,通過方位及俯仰驅動,實現對目標的跟蹤攝像。 1.5.2 攝像穩(wěn)定平臺的結構特點 因攝像機的尺寸較大,迎風面積大,重量重,如按傳統(tǒng)的設計思想,將方位俯仰軸置于X軸Y軸搖擺環(huán)之上,會帶來穩(wěn)定平臺輸出功率大、重心高、附加配重等現象,使得整個穩(wěn)定平臺的重量無法滿足總體指標的要求;同時,由于攝像機受其他負荷的擾動較大,攝像穩(wěn)定精度較低。因此我們選擇了攝像機下置方式。具體特點如下: (1) 不需造價昂貴的方位水平儀提供穩(wěn)定的基準信號,而是自帶陀螺儀置于穩(wěn)定平臺的平面內,這對無方位水平儀的中小汽車極為合適。 (2) 由于采用重力平臺,當汽車震動時,平臺本身有自回零的能力,因此縱、橫搖驅動電機只是克服其重力慣性。由此需要的電機驅動功率將減小,這樣縱、橫搖有可能采用直接驅動,從而可消除齒隙誤差,保證穩(wěn)定平臺的穩(wěn)定精度。 (3) 由于提供汽車信號的陀螺儀置于平臺內,從結構上構成了位置閉環(huán),不需旋轉變壓器對接來構成位置閉環(huán)。這樣消除了對接誤差,提高了穩(wěn)定平臺的穩(wěn)定精度。 (4) 重力平臺對安裝平面沒有嚴格的要求,不象間接平臺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,而且給現場安裝帶來很大的方便。 (5) 由于傳動回差小,使其工作過程極為平衡,確保了攝像過程無抖動,確保圖像質量良好。 28 2 車載慣導平臺的整體形狀及分析 2 車載慣導平臺的整體形狀及分析 2.1 車載慣導平臺的整體形狀 圖 2.1 平臺的整體結構 零件的實際形狀如上圖所示，從零件圖上看，該零件是典型的零件，結構比較簡單?；镜脑O計思路已初步完成。 2.1.1 穩(wěn)定平臺的性能要求 車載攝像穩(wěn)定平臺必須滿足下述性能要求: （1）由于穩(wěn)定平臺架設在汽車上,基座是不穩(wěn)定的。這是因為汽車在航行時會發(fā)生震動，傾斜等運動。根據汽車的搖擺幅度和周期,穩(wěn)定平臺的縱搖和橫搖驅動系統(tǒng)必須滿足架設在方位轉臺上的攝像機所需的搖擺范圍、搖擺角速度和角加速度, 畢業(yè)設計（論文） 補償汽車震動的搖擺運動。一般穩(wěn)定平臺縱、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)定平臺的縱、橫搖驅動系統(tǒng)以及方位、俯仰驅動系統(tǒng)應具有良好的傳動性能,工作可靠,維護方便。 (3) 穩(wěn)定平臺應具有足夠的穩(wěn)定精度:縱橫搖工作穩(wěn)定精度1 mrd; (4) 穩(wěn)定平臺應具有足夠的強度和剛度,布局要合理,結構要緊湊。 (5) 盡量減輕穩(wěn)定平臺的重量,以利于降低艦艇的重心,提高艦艇的穩(wěn)定性。 (6) 穩(wěn)定平臺應具有方位鎖定功能、機械限收位保護功能和自動歸零功能。 2.1.2 驗證是否滿足所設計的要求 要求為滿足車輛在道路上行駛時，路面的顛簸將會引起車輛發(fā)生俯仰、側傾和橫擺運動，。這些角運動的大小與車輛行駛速度和路面不平度具有密切關系。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)境識別傳感器直接安裝于車體之上，則傳感器的標定就必須隨著車輛行駛路況的隨機變化而實時改變。只有在傳感器做出正確的標定之后，才能獲取正確的車輛行駛環(huán)境信息。因此需要滿足兩個自由度旋轉的自由控制，通過兩個獨立的電機來分別控制操作X和Y方向的旋轉，使其X.Y方向避免相互干擾，此結構正好滿足所設計的以上要求。 2.1.3 穩(wěn)定平臺穩(wěn)像原理 光學系統(tǒng)隨車體發(fā)生抖動，要實現對該抖動量進行補償，需要感知該抖動量。然后進行補償。本文選用兩軸穩(wěn)定平臺來實現視軸的穩(wěn)定。兩軸穩(wěn)定平臺以隔離原理為理論基礎.選用現代控制元件為執(zhí)行元件.最終實現視軸在慣性空間的穩(wěn)定。兩軸穩(wěn)定平臺由方位環(huán)和俯仰環(huán)構成，以實現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，敏感載體運動在方位上產生角誤差;該角誤差信號以相應極性和線性比例的電壓信號形式輸出;經過預處理的電壓信號通過控制器在直流力矩電機軸上產生反作用穩(wěn)定力矩，從而實現對視軸擾動的抑制、保持視軸在慣性空間的相對穩(wěn)定。 2.2 車載慣導平臺方位驅動系統(tǒng) 車載攝像穩(wěn)定平臺方位驅動系統(tǒng)原先采用的是步進電機加一級減速(i=10)驅動。在實際運用過程中,發(fā)現步進電機的驅動力矩在高速下略顯不足,產生失步現象。另外步進電機的脈沖驅動方式降低了攝像的穩(wěn)定性。因此在后續(xù)產品中,將方位驅動改成了直流伺服機組加2級減速(i=40)的驅動。由于減速比的增大,在選擇電機時,可選擇輸出力矩小一級的電機,同時結構的重量也減輕了。 由于平臺在結構上基本對稱于平臺的方位軸,因此在方位上主要考慮附加震動力矩的影響。實際運用過程中,方位軸所需的輸出力矩為250 Nm方位電機的輸出扭矩應不小于下面公式計算所得:T =T/i=250/40=6.25 Nm(1)式中:T為方位電機輸出扭矩;T1為平臺方位負荷;i為傳動比。 2.3 艦載攝像穩(wěn)定平臺的傳動方式 艦載攝像穩(wěn)定平臺由方位驅動系統(tǒng)、俯仰驅動系統(tǒng)、縱橫搖驅動系統(tǒng)組成?？v搖驅動系統(tǒng)帶動縱搖軸擺動,橫搖驅動系統(tǒng)帶動橫搖軸擺動。詳細傳動結構見圖2.7 圖 2.2 攝像穩(wěn)定平臺傳動示意圖 2.3.1 車載攝像穩(wěn)定平臺俯仰驅動系統(tǒng) 車載攝像穩(wěn)定平臺俯仰驅動系統(tǒng)由原來的扇齒輪傳動機構改為滾珠絲杠機構。滾珠絲杠機構又稱為滾動螺旋機構,是一種可將旋轉運動變?yōu)橹本€運動,又可以將直線運動變?yōu)樾D運動的機構。它具有速比大、體積小、重量輕、摩擦損耗小、傳動精度高等特點。相比以往扇齒輪傳動機構,選擇滾珠絲杠機構作為傳動機構是比較臺理的,它具有以下優(yōu)點: (1) 因為攝像機重量大,雖然俯仰軸基本安裝在攝像機的型心位置,但在運動過程中,慣性較大,同時攝像機的焦距大,俯仰角度變化要求小,所以要求傳動功率大,速比大。而滾珠絲杠副的導程小,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相比較要小。 (2) 滾珠絲杠機構體積小、重量輕,有利于減輕整個穩(wěn)定平臺的重量及縱、橫電機的輸出扭矩;而且絲杠機構本身就具備限位和緩沖功能。 (3) 滾珠絲杠機構的精度高,有利于提高整個平臺的精度。由于攝像機俯仰范圍小,絲杠的有效行程很短,絲杠軸向間隙可以控制。 (4) 滾珠絲杠機構運動平穩(wěn),無顫動,低速運行無爬行,傳動效率高,適合小容量伺服電機。由于攝像機的配重較好,俯仰軸所考慮的力矩主要是攝像機迎風時的上下形狀不規(guī)則所產生的風力矩,加上其他因素,俯仰軸所需的輸出力矩為25 Nm。俯仰電機的輸出扭矩應不小于下面公式計算所得: Ta=Fal/2πη=0.25 Nm(2)式中:Ta為俯仰電機輸出扭矩;Fa為滾珠絲杠軸 向負荷;l為滾珠絲杠導程等于0.004;η為正效率為0.9。 2.3.2 攝像穩(wěn)定平臺縱、橫搖驅動系統(tǒng) 車載攝像穩(wěn)定平臺縱、橫搖驅動系統(tǒng)是整個平臺的關鍵所在,它直接影響到平臺的穩(wěn)定精度。因此我們采用了直流力矩電機、測速機直接驅動的方式。在圖 2.7中,平臺上部由X和Y軸的2個搖擺環(huán)(縱搖、橫搖)組成一個平面,這2個搖擺環(huán)均為高精度隨動系統(tǒng),能快速準確地消除船體搖擺,使攝像機始終保持水平。 3 制定車載慣導平臺材料的選擇和確定尺寸 3 制定車載慣導平臺材料的選擇和確定尺寸 3.1 整體材料的的選擇 車載慣導平臺要求具有較高強度，耐磨性，耐熱性及減振性，由于承受較大應力和要求耐磨零件，以及經濟適用性，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 車載慣導平臺的整體尺寸公差 畢業(yè)設計（論文） 3.2.1 各個零件尺寸的確定 圖 3.2 平臺底座基本尺寸 圖 3.3 平臺支撐架基本尺寸 圖 3.4 平臺外框基本尺寸 圖3.5 內框基本尺寸 4 計算車在平臺慣性力矩和功率 4 計算車在平臺慣性力矩和功率 4.1 電機的作用 執(zhí)行元件影響著被控對象的運動狀況與系統(tǒng)精度。通常選用電機作為穩(wěn)定平臺伺服控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件。目前使用的電機有:直流伺服電動機、交流伺服電動機、步進電機以及直流力矩電機等。根據平臺穩(wěn)定系統(tǒng)低轉速、大轉矩的工作要求，選用直流力矩電機作為穩(wěn)定平臺伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件。 4.2 由慣性力矩來確定電機的功率 4.2.1 電機種類 （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直流電機直流電機直流電機和交流電機交流電機交流電機交流電機。 （2） 按結構和工作原理結構和工作原理結構和工作原理結構和工作原理劃分可分為直流電機直流電機直流電機直流電機、異步電機異步電機異步電機異步電機、同步電機同步電. （3） 按起動與運行方式起動與運行方式起動與運行方式起動與運行方式劃分電容起動式單相異步電機電容起動式單相異步電機電容起動式單相異步電機電容起動式單相異步電機、電容運轉式單相異步電機電容運轉式單相異步電機電容運轉式單相異步電機電容運轉式單相異步電機、電容起動運電容起動運電容起動運電容起動運轉式單相異步電機轉式單相異步電機轉式單相異步電機 轉式單相異步電機和分相式單相異步電機分相式單相異步電機分相式單相異步電機分相式單相異步電機。 （4） 按用途用途用途用途劃分驅動用電機驅動用電機驅動用電機驅動用電機和控制用電機控。 （5）按轉子的結構轉子的結構轉子的結構轉子的結構劃分籠型感應電機籠型感應電機籠型感應電機籠型感應電機舊標準稱為鼠籠型異步電機鼠籠型異步電機鼠籠型異步電機鼠籠型異步電機和繞線轉子感應電機繞線轉子感應電機繞線轉 畢業(yè)設計（論文） 子感應電機繞線轉子感應電機舊標準稱為繞線型異步電機繞線型異步電機繞線型異步電機繞線型異步電機。 （6） 按運轉速度運轉速度運轉速度運轉速度劃分高速電動機高速電動機高速電動機高速電動機、低速電動機低速電動機低速電動機低速電動機、恒速電動機恒速電動機恒速電動機恒速電動機、調速電動機調速電動機調速電動機調速電動機。 4.2.2 功率的計算 內外框的質量分別是0.8kg、1kg。所以有公式可得 G = mg （4.1） 內框重量 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μ= 0.36 則可得其內外框的力為 f1 = 2.8224 N 外框力為 f2 = 3.528 N 由公式 = FV就可以計算功率太小，所以選擇最小的步進電機足以滿足其設計要求，即選擇步進電機型號為： 表 4.1 電機型號 步距角 機身長 相電壓 相電流 相電阻 相電感 靜力矩 定位 力矩 轉動慣量 引線數 57BYGH7610 1.8 76mm 8.6v 1.0A 8.6Ω 18mH 2N.M 6N.cm 480 6 結論 結 論 機械制造技術基礎課程設計是我們在學完了大學的全部基礎課，專業(yè)基礎課以及專業(yè)課后進行的。這是進行了生產實習之后的一項重要的實踐性教學環(huán)節(jié)，也是在進行畢業(yè)設計之前對所學的各科課程一次深入的綜合性總復習，和一次理論聯系實際的訓練。因此，它在我們的大學四年生活中占有重要的地位。 就我個人而言，我希望通過這次畢業(yè)設計對自己未來將從事的工作進一步適應性的訓練，希望自己在設計中能鍛煉自己的分析問題、解決問題、查資料的能力 ，為以后的工作打下良好的基礎。 這次畢業(yè)設計綜合運用完美以前學習過的專業(yè)知識，聯系實際生產過程中所學習到的知識，獨立分析問題，解決問題；根據技術參數及相關要求，對一些基本的機械結構的初步設計，完成設計方案，達到預期的目的；同時也是一次熟悉和查閱相關手冊、圖標、文獻的機會，以及設計、計算、交合的系統(tǒng)化的演練。 由于能力有限、時間有限，設計尚有很多不足之處，希望各位老師給予指導。 參考文獻 參考文獻 [1] 紀名剛，濮良貴. 機械設計. 第七版. 北京[M]高等教育出版社，2003. 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