碩士論文光纖陀螺視線穩(wěn)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及工程實(shí)現(xiàn)第1章緒論

1、第一章 緒論1.1 課題背景和意義陀螺穩(wěn)定裝置是慣性技術(shù)的重要組成部分，它在軍事、政治、民用工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。陀螺穩(wěn)定裝置是各種航天器姿態(tài)穩(wěn)定中的關(guān)鍵部件1。武裝直升飛機(jī)、坦克經(jīng)常在極其惡劣的環(huán)境中作大機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，為了瞄準(zhǔn)目標(biāo)，確保作戰(zhàn)性能，瞄準(zhǔn)裝置是必需的，而陀螺穩(wěn)定隨動(dòng)系統(tǒng)是瞄準(zhǔn)裝置的核心子系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)的主要功能是：隔離運(yùn)載體對瞄準(zhǔn)裝置的角運(yùn)動(dòng)干擾，使瞄準(zhǔn)裝置的視線軸穩(wěn)定、快速地盯住目標(biāo)，并減小由于顫振引起的圖像模糊，提高攝像質(zhì)量234。防空雷達(dá)的天線體積龐大，經(jīng)常受到各種各樣的干擾，為了使其實(shí)現(xiàn)跟蹤目標(biāo)或按預(yù)定規(guī)律搜索的任務(wù)，也需要陀螺穩(wěn)定裝置來隔離這些干擾1。在民用場合，相機(jī)在各種領(lǐng)

2、域獲得了廣泛的應(yīng)用。但與此同時(shí)，應(yīng)用場合對其提的要求也越來越苛刻。比如，在一些場合常常需要對高速景象作快速的拍攝，并且要求獲得高清晰度的圖像，這時(shí)，人一般很難完成，因而，需要穩(wěn)定伺服裝置，使相機(jī)機(jī)動(dòng)地跟蹤圖像，并保證攝像機(jī)在基座振動(dòng)的情況下獲得良好的圖像質(zhì)量，因?yàn)檫@是視頻跟蹤的前提。在情報(bào)、政治領(lǐng)域，經(jīng)常要對感興趣的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行拍攝，所有操作可能需要遠(yuǎn)距離或者秘密地進(jìn)行，這就要求將相機(jī)安裝在一個(gè)運(yùn)載體上，而運(yùn)載體的振動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致圖像的模糊，最終會(huì)使目標(biāo)在視場中丟失。為了解決這個(gè)問題，精密、微型的陀螺穩(wěn)定伺服裝置是必需的關(guān)鍵組件。 用來測試導(dǎo)彈等空間飛行器軌跡的經(jīng)緯儀如果加上陀螺，就可以安裝在艦船

3、上，不受基座振動(dòng)的影響，從而擴(kuò)大它的使用范圍。所有這些表明，陀螺穩(wěn)定裝置獲得了極其廣泛的應(yīng)用。在這些應(yīng)用當(dāng)中，它起到的基本功能是一致的：隔離運(yùn)載體或基座的角運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)干擾，使裝載在運(yùn)載體上的光學(xué)鏡頭或雷達(dá)天線（被穩(wěn)定對象）在慣性空間的某幾個(gè)指向保持穩(wěn)定，并能根據(jù)指令要求，使被穩(wěn)定對象在有干擾作用的情況下沿著一定規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)1。對于陀螺穩(wěn)定裝置的研究，自1904年Otto Schlick提出直接式陀螺穩(wěn)定裝置起，已經(jīng)有了近一百年的歷史，其技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟1。但是，隨著現(xiàn)代軍事和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，傳統(tǒng)的陀螺穩(wěn)定裝置越來越不能滿足要求，主要原因在于：傳統(tǒng)的陀螺穩(wěn)定裝置采用的關(guān)鍵部件陀螺為機(jī)械陀螺。一些機(jī)械陀

4、螺的測角精度雖然相當(dāng)高，但是，在一些應(yīng)用場合，有一些不能容忍的缺點(diǎn)：難以制造，價(jià)格昂貴，重量、功耗大等，抗振、抗沖擊能力弱，由于機(jī)械部件多，因而可靠性低，難以維護(hù)5。因而傳統(tǒng)的陀螺穩(wěn)定隨動(dòng)裝置體積大，功耗高，價(jià)格昂貴，壽命短，一般只用在軍事上，而且對環(huán)境的要求和維護(hù)相當(dāng)苛刻，對于強(qiáng)調(diào)費(fèi)用和使用壽命的民用場合則很難涉足。由于陀螺穩(wěn)定裝置應(yīng)用場合特別廣，因此，因此，解決這些問題，使穩(wěn)定裝置更新?lián)Q代，將在軍事和民用上具有重要的實(shí)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。 陀螺穩(wěn)定裝置作為慣性技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，一直是經(jīng)久不衰的研究課題。它的更新?lián)Q代主要取決于陀螺技術(shù)的進(jìn)步和電子控制技術(shù)的發(fā)展。近年來，由于光纖陀螺

5、進(jìn)入實(shí)用階段，以及微電子技術(shù)、 功率電子技術(shù)和伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，穩(wěn)定裝置現(xiàn)在有了很大的發(fā)展。近年來，國外對陀螺穩(wěn)定裝置的研究取得了新的突破。裝置的體積越來越小，正向數(shù)字化、集成化方向發(fā)展。然而可靠性一直是近來穩(wěn)定平臺(tái)發(fā)展的主線。主要體現(xiàn)在：l 關(guān)鍵部件陀螺由機(jī)械陀螺向可靠性更高的非轉(zhuǎn)子陀螺如光學(xué)陀螺（主要指光纖陀螺）發(fā)展，其技術(shù)在國外已經(jīng)相當(dāng)成熟。穩(wěn)定平臺(tái)作為慣性技術(shù)的一部分，其發(fā)展主要取決于陀螺的進(jìn)展。近20年作為無機(jī)械轉(zhuǎn)子的光纖陀螺取得了很大進(jìn)展?，F(xiàn)在，在國外已經(jīng)廣泛用于航空、航天、軍事、民用等領(lǐng)域。作為新型角速度傳感器，與傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺相比，它有許多優(yōu)點(diǎn)5：1) 由于光纖陀螺是光學(xué)傳感

6、器，無機(jī)械轉(zhuǎn)子，因而壽命長，可靠性高，維護(hù)方便；2) 抗振、抗沖擊能力好，輸出與一些環(huán)境條件如加速度無關(guān)。故不像機(jī)械陀螺那樣有加速度誤差；3) 具有很高的動(dòng)態(tài)測量范圍，測角速度范圍很寬；4) 帶寬很寬，可達(dá)幾百赫茲；5) 啟動(dòng)速度快，連續(xù)工作時(shí)間長，由于光學(xué)陀螺是一個(gè)光電系統(tǒng)，所以容易自檢；6) 成本低。由于光纖陀螺有以上應(yīng)用特點(diǎn)，因而它有著廣闊的應(yīng)用前景。但光纖陀螺本身也存在著以下一些問題，1) 一般來說，考慮成本，在面向慣性穩(wěn)定的應(yīng)用采用開環(huán)光纖陀螺，而開環(huán)結(jié)構(gòu)的光纖陀螺標(biāo)度因子線性度和可重復(fù)性較差；2) 由于光路中的噪聲較大，造成光纖陀螺零漂和隨機(jī)游走較大；3) 干擾源眾多，對溫度敏感，

7、如不采取任何補(bǔ)償措施，光纖陀螺會(huì)產(chǎn)生較大的漂移，嚴(yán)重影響參數(shù)穩(wěn)定性和標(biāo)度因子線性度。以上有關(guān)光纖陀螺問題是應(yīng)用中將要突出考慮的問題。下表1是三種典型陀螺：機(jī)械陀螺、光纖陀螺、振動(dòng)陀螺的性能比較5：表1-1 各種速率陀螺性能的比較Table 1-1 Comparison of gyro technology for angle rate sensors特性機(jī)械陀螺光纖陀螺Coriolis振動(dòng)陀螺可靠性低高很高溫度特性好很好（補(bǔ)償后）較差環(huán)境敏感度G或g2敏感單軸速率傳感g(shù)或g2敏感，但抗沖擊成本高并呈上升趨勢低并呈下降趨勢大量時(shí)很低尺寸小較大很小目前，在國外，中低精度的干涉型光纖陀螺（IFOG）

8、已經(jīng)廣泛進(jìn)入各種應(yīng)用領(lǐng)域，如導(dǎo)航、機(jī)器人、精密指北系統(tǒng)等67。已經(jīng)分別成功用于民用和軍事的負(fù)載穩(wěn)定8。圖11是利用Ecore2000系列光纖陀螺做成的相機(jī)視線穩(wěn)定系統(tǒng)8。l 伺服驅(qū)動(dòng)裝置有了很大進(jìn)步。集成化的驅(qū)動(dòng)器和精密、微型化的伺服電機(jī)使整個(gè)裝置的微型化成為可能。為了適應(yīng)機(jī)電系統(tǒng)高性能、小型化、低成本和高可靠的要求，從80年代初開始，國外已經(jīng)開始開發(fā)功率集成電路模塊，該模塊將半導(dǎo)體功率器件與驅(qū)動(dòng)、邏輯、控制、檢測、自診斷、保護(hù)電路集成在同一個(gè)芯片上或一個(gè)混合模塊里。同時(shí)，現(xiàn)代控制電機(jī)技術(shù)與微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生了一批新型混和式電機(jī)，如無刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī)、開關(guān)磁阻電

9、機(jī)等，這種電機(jī)的電動(dòng)機(jī)部分和電子功率集成控制、驅(qū)動(dòng)部分結(jié)合成一個(gè)有機(jī)的整體，形成一個(gè)子系統(tǒng)，使整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)集成度、微型化、可靠性大大提高?，F(xiàn)在，單純的電機(jī)控制已發(fā)展成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)使被控機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制，以及這些被控機(jī)械量的綜合控制，加上嵌入式微處理器在電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，使各種先進(jìn)的控制策略在電機(jī)控制中得到了應(yīng)用，極大的提高了整個(gè)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的綜合性能9。l 全數(shù)字電子控制電路使陀螺穩(wěn)定裝置的可靠性、集成化程度、精度的進(jìn)一步提高成為現(xiàn)實(shí)。一般來說，利用模擬PID控制可以實(shí)現(xiàn)高增益的平滑控制，所以，在國內(nèi)，現(xiàn)有的光電跟蹤雙軸穩(wěn)

10、定平臺(tái)的穩(wěn)定回路的全部采用是模擬電子調(diào)節(jié)（如清華大學(xué)設(shè)計(jì)的攝像機(jī)瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定系統(tǒng)10以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的掛飛平臺(tái)11），跟蹤回路則采用數(shù)字控制，以適合和CCD相機(jī)的數(shù)字圖像處理接口。采用模擬電路雖然調(diào)節(jié)速度快，實(shí)時(shí)性好，但是抗干擾性差，且當(dāng)系統(tǒng)的復(fù)雜度增加時(shí)，需要相應(yīng)地制作相當(dāng)復(fù)雜的模擬控制電路板和模擬信號(hào)處理板，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的調(diào)節(jié)與補(bǔ)償算法。最近幾年，隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字電路的集成度、速度越來越高。特別是可編程器件和微處理器技術(shù)的發(fā)展，控制電路的進(jìn)一步集成化、模塊化成為現(xiàn)實(shí)，若穩(wěn)定平臺(tái)的穩(wěn)定和跟蹤采用全數(shù)字控制，不僅有利用減小電路的體積，還可以利用各種復(fù)雜控制算法和監(jiān)控手段，使穩(wěn)定

11、系統(tǒng)的精度和可靠性進(jìn)一步得到提高。圖1-1 采用Ecore2000光纖陀螺設(shè)計(jì)的視線穩(wěn)定系統(tǒng)Figure 1-1 Line of sight stabilized system using Ecore2000 FOG正是因?yàn)檫@三個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)展，使陀螺穩(wěn)定裝置在國外有了新的突破。目前，陀螺穩(wěn)定裝置需要重點(diǎn)解決的問題有：1） 設(shè)計(jì)體制的模塊化和系列化。從機(jī)械設(shè)計(jì)角度來說，模塊化是指在兩軸平臺(tái)的基礎(chǔ)之上，第三軸配置是可以拆卸的。也就是說：模塊化是指平臺(tái)既可以進(jìn)行三軸配置，又可以作為兩軸配置。最終將實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定裝置的通用性和多功能。傳統(tǒng)的平臺(tái)面向特定的應(yīng)用領(lǐng)域，當(dāng)穩(wěn)定的負(fù)載改變時(shí)，平臺(tái)的設(shè)計(jì)（包括機(jī)械結(jié)

12、構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)）都需要作重大的調(diào)整，這樣設(shè)計(jì)出來的平臺(tái)沒有通用性，造成了系統(tǒng)的重復(fù)開發(fā)，提高了開發(fā)成本，降低了平臺(tái)系統(tǒng)的開放性。采用模塊化設(shè)計(jì)，并針對不同檔次的負(fù)載進(jìn)行系列化處理，從而最終實(shí)現(xiàn)平臺(tái)系統(tǒng)的通用性。但模塊化同時(shí)帶來了一系列的問題，一是保精度的機(jī)械設(shè)計(jì)的難度大大增加；另外，更重要的是要求穩(wěn)定平臺(tái)的控制系統(tǒng)在負(fù)載大變動(dòng)時(shí)具有適應(yīng)性，以維持性能要求。這尤其難做到，原因在于，對于一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)，負(fù)載的變化不僅僅導(dǎo)致對象特性的改變（包括轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、諧振模態(tài)），而且干擾參數(shù)也將隨之改變，這就需要控制系統(tǒng)在適應(yīng)對象參數(shù)變化以保證對參數(shù)變化的魯棒穩(wěn)定性的同時(shí)，保持對干擾的抑制度，以確保系統(tǒng)能達(dá)到其所

13、能應(yīng)用的精度。這些都是需要重點(diǎn)解決的問題。2） 容錯(cuò)處理。穩(wěn)定系統(tǒng)作為一種高精密的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，在很多地方都是起著關(guān)鍵作用的核心部件，一旦出現(xiàn)運(yùn)行故障，輕則使系統(tǒng)喪失功能，重則使系統(tǒng)零部件受損。所以對控制系統(tǒng)的容錯(cuò)性要求極高。目前，提高容錯(cuò)行的主要辦法是：a) 采用可靠的元器件。例如采用無刷直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為執(zhí)行電機(jī)，采用無機(jī)械轉(zhuǎn)子的光纖陀螺作為穩(wěn)定的傳感器。無刷電機(jī)和光纖陀螺的平均無故障時(shí)間遠(yuǎn)比有刷電機(jī)和機(jī)械陀螺要長，維護(hù)也簡單，對工作環(huán)境的要求低。這樣可以基本上免除維護(hù)，提高系統(tǒng)的平均無故障時(shí)間。b) 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證。從機(jī)械設(shè)計(jì)上就可靠的安全保護(hù)措施，如采用滑刷實(shí)現(xiàn)平臺(tái)外環(huán)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，這樣可

14、以從根本上防止平臺(tái)在意外情況下出現(xiàn)安全事故。當(dāng)出現(xiàn)事故時(shí)，從硬件上考慮使系統(tǒng)自動(dòng)停止運(yùn)動(dòng)伺服，從而使事故造成的損壞降低到最低程度。c) 控制系統(tǒng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)和完善的軟件故障診斷陀螺穩(wěn)定裝置在國外有了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展，圖1-1正是以色列Xybion公司研制成功的數(shù)字控制負(fù)載自適應(yīng)光纖陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)8。與傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺穩(wěn)定裝置比，與傳統(tǒng)的穩(wěn)定平臺(tái)相比，它有以下優(yōu)點(diǎn)：采用模塊化設(shè)計(jì)和數(shù)字自適應(yīng)控制，這樣即使負(fù)載改變時(shí)也能實(shí)現(xiàn)很好的控制效果，具有高度的負(fù)載自適應(yīng)性；由于采用了光纖陀螺和無刷電機(jī)，它們的平均無故障時(shí)間（MTTR）遠(yuǎn)比機(jī)械陀螺和有刷電機(jī)要高得多，因而可靠性高。最后是成本大幅度降低，具有以前穩(wěn)定裝置不可

15、比擬的優(yōu)點(diǎn)。在國內(nèi)，對陀螺穩(wěn)定裝置的主要研究仍處在“一個(gè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定負(fù)載穩(wěn)定”的步子上，并且由于光纖陀螺儀研制進(jìn)度緩慢，還遠(yuǎn)沒有達(dá)到實(shí)用階段，穩(wěn)定裝置的主要傳感器仍是機(jī)械陀螺，就公開的資料來說，還沒有有關(guān)用光纖陀螺用作負(fù)載穩(wěn)定的例子。1.2 課題來源本課題來源于香港科技大學(xué)高科技創(chuàng)新主題。課題分成兩部分，前期是預(yù)研，主要是實(shí)現(xiàn)光纖陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)（Fiber Optic Gyro Stabilized System，F(xiàn)OGSS）（已經(jīng)完成并已交付用戶），后期是在前期的基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)相機(jī)瞄準(zhǔn)線的穩(wěn)定和跟蹤功能，并達(dá)到預(yù)定的性能要求，使之成為一個(gè)實(shí)用的產(chǎn)品。1.3 設(shè)計(jì)要求從相機(jī)視線穩(wěn)定系統(tǒng)的穩(wěn)定

16、目的來看，穩(wěn)定系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)的任務(wù)主要有兩方面12，包括：（1）在有基座允許振動(dòng)和陀螺噪聲存在的條件下，相機(jī)的視線軸（Line of sight，以下簡稱LOS）穩(wěn)定性或“顫動(dòng)”必須保持在允許的范圍之內(nèi)（通常是幾個(gè)毫弧度或者幾分之毫弧度）；（2）LOS必須盡可能忠實(shí)的反映輸入的指令角速度。因而，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮干擾環(huán)境，可能的輸入指令范圍、測量噪聲和允許控制力矩的環(huán)架對象特性。于是控制系統(tǒng)的基本要求就是產(chǎn)生一個(gè)控制，以在干擾抑制、指令跟隨、噪聲耦合以及考慮在所有標(biāo)定的工作條件和電機(jī)的控制力矩選擇之間作一個(gè)合理的折中。預(yù)研中的工程項(xiàng)目FOGSS期望達(dá)到的指標(biāo)有：1）隔離度(SD)：指穩(wěn)定平臺(tái)對于

17、基座的干擾角速度的隔離程度。其數(shù)學(xué)表述可為：= 100，其中AMsinwt為基座的干擾角速度，APsinwt實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，反映在閉環(huán)力矩剛度(開環(huán)增益)這個(gè)指標(biāo)上。力矩剛度等于干擾力矩與其所引起的平臺(tái)偏差角之比，它表征了平臺(tái)系統(tǒng)在干擾力矩作用下保持方位穩(wěn)定的能力。在本課題前期工作中，取 =1% （當(dāng)AM3deg，w=1.3rad/s或f =0.2Hz時(shí)）。3） 長期漂移：1小時(shí)內(nèi)平均漂移為0.01deg/s。預(yù)研工程中對指令跟蹤沒有要求。1.4 技術(shù)問題1) FOGSS的設(shè)計(jì)是一種典型的高精度伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題，其基本特點(diǎn)在于：窄帶，高增益。即在限制系統(tǒng)的帶寬的同時(shí)，需要設(shè)法提高系統(tǒng)的剛度，以保證

18、系統(tǒng)的隔離度滿足性能的要求，同時(shí)，采用全數(shù)字控制時(shí)，由于采樣引入滯后限制了系統(tǒng)的帶寬，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的性能。后面將會(huì)看到，這種矛盾尖銳的反應(yīng)在工程設(shè)計(jì)當(dāng)中。2) 由于光纖陀螺處于系統(tǒng)反饋傳感環(huán)節(jié)，光纖陀螺輸出信號(hào)中頻率較低的零漂引起的臺(tái)體漂移將是1：1的。在現(xiàn)有的光纖陀螺中，開環(huán)IFOG制作容易，價(jià)格低廉，但是受溫度的影響極大。實(shí)際上，溫漂是限制光纖陀螺精度的一個(gè)主要原因，光纖陀螺的一些主要性能指標(biāo)都與溫度有關(guān)，并且是一個(gè)隨環(huán)境條件變化的復(fù)雜隨機(jī)過程。補(bǔ)償溫度特性對光纖陀螺的影響，是當(dāng)前低檔開環(huán)光纖陀螺應(yīng)用的一個(gè)重要前提。3) FOGSS是一個(gè)典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，它用于相機(jī)視線的穩(wěn)定。與所有運(yùn)動(dòng)控制一樣，環(huán)架中存在的摩擦是一個(gè)突出的問題。一般的，平臺(tái)在大多數(shù)情況下工作在極低速狀態(tài)，摩擦非線性對系統(tǒng)的主要影響是低速性能，其主要產(chǎn)生原因在于動(dòng)靜摩擦的差異。它帶來的危害有：引起系統(tǒng)靜態(tài)誤差，在系統(tǒng)低速跟蹤和小阻尼時(shí)引起所謂的“滯滑”跳動(dòng)，從而降低系統(tǒng)的分辨率和重復(fù)精度，使相機(jī)視線產(chǎn)生顫振，導(dǎo)致圖像質(zhì)量的下降。故從技術(shù)上分析摩擦摩擦非線性對系統(tǒng)的影響，有利于為穩(wěn)定平臺(tái)的摩擦補(bǔ)償打下良好的基礎(chǔ)。1.5 論文內(nèi)容本論文分為兩大部分：前一部分論述預(yù)研工程的實(shí)現(xiàn)（第二章到