运动平台捕获、跟踪与瞄准系统视轴稳定技术研究

针对运动平台捕获、跟踪与瞄准系统视轴稳定技术的基本概念、关键单元技术进行了实验和仿真两方面的工作,以仿真的形式对系统的最终性能给出了预估。通过仿真模型分析系统,通过实验验证仿真分析。实验与仿真结果的一致性使得对系统的最终性能预估具有较高的参考价值。 当捕获、跟踪与瞄准系统安装于运动平台上时,运动平台的运动及抖动将导致系统视轴存在高频的抖动。依据目标低频运动和仪器视轴高频抖动的特点,分析了使用视轴瞄准参考器的复合轴视轴稳定系统的基本原理。 提出了一种高精度传递函数辨识方法。根据控制对象的频率特性特征及对象运行机理确定控制对象的传递函数模型。使用曲线拟合方法,辅助以合理的初始参数选取及分段拟合方法,将测量得到的控制对象频率特性转化为高精度的传递函数。在获得对象的高精度传递函数以后,使用零极点对消的方法补偿系统的机械谐振,有效地扩展了快速控制反射镜系统的带宽,使快速控制反射镜系统的闭环带宽不再受制于系统的开环谐振频率。传递函数辨识方法应用于机架系统,改善了系统稳定裕度及系统特性。传递函数辨识方法改变了控制系统补偿器设计依赖手工调试的状况,并可以提供较为复杂的补偿器以得到高性能的控制系统。 建立了一套单轴惯性稳定转台系统,使用光纤陀螺测速反馈的方式进行了转台的稳定实验。提出了一种测量转台摩擦特性的方法,通过对转台在无外推力作用下的速度衰减曲线的拟合以及电机启动过程电流和转速的测量,可以得到最大静摩擦力矩、库仑摩擦力矩、粘滞摩擦系数及转动惯量。建立了带摩擦模型的转台仿真模型。实验和仿真显示转台稳定误差在扰动换向时的“尖峰”由转台转轴的静摩擦阶跃干扰力矩产生。这种干扰力矩是对稳定误差影响最大的因素。对转台的抑制比频率特性以及时域稳定误差的实验和仿真取得了一致的结果。在转台稳定系统中使用电流环技术,提高了转台对直接带动约束耦合的抑制能力,提高了系统的力矩刚度,在同等的扰动条件下,降低了稳定误差。 分析了使用线加速度计测量惯性角加速度,通过二次积分算法得到惯性姿态角的原理。改进了对线加速度计测量惯性姿态角的误差分析。对惯性姿态角的误差分析表明,其误差来自于加速度计噪声、信标信号噪声、二次积分离散化误差和加速度计频率特性误差。加速度计频率特性误差是最主要的误差来源。使用频率特性补偿的方法有效提高了惯性姿态角的测量精度。在使用线加速度计测量惯性姿态角的方式下,建立了视轴瞄准参考器的模型实验。在信标200Hz采样频率的条件下,获得了75Hz的抑制比带宽。 建立了一套复合轴稳定实验系统。粗稳定系统使用动力调谐速度陀螺仪构成速度环,精稳定系统使用线加速度计测量惯性姿态角方式稳定光束。分别研究了两级稳定系统之间的双检测器方式、伪单检测器方式和单检测器方式三种级联方式。实验结果表明,双检测器方式简单可靠,但粗稳定系统探测器探测能力低,位置环采样频率较低。伪单检测器方式可以有效提高粗稳定系统位置环的采样频率,具有更好的特性。单检测器方式两级稳定之间存在耦合,精稳定系统控制系统设计较为困难。采用复合轴稳定系统,系统的稳定精度可以提高一个数量级,达到角秒级的稳定精度。 采用四元数方法描述系统的各坐标系的运动以及各坐标系之间的相对关系,建立了全系统的仿真模型。仿真考虑了机架特性、摩擦、基座角扰动、传感器噪声、视轴瞄准参考器特性、惯性姿态角获得方式、准直系统、光路抖动等影响系统视轴稳定跟踪精度的因素。仿真表明,对于运动平台捕获、跟踪与瞄准系统,机架外转轴的反馈光纤陀螺仪需要安装