基于运动载体的平台稳定系统控制方法研究

摘要

当船舶在海上航行时，由于海浪的作用，船舶会出现摇摆运动，导致船舶上的精密设备不能正常工作。水平稳定平台的主要功能是消除基座摇摆运动对设备的影响，保持被稳定物体的安装台面与当地水平面平行，为设备提供稳定的工作台面。所以研究水平稳定平台的稳定控制具有重要的理论与实际意义。 本文以六自由度运动稳定平台作为研究对象，其中三轴转台用来模拟船舶在海浪中的摇摆以及转首运动；三轴平台用来实现跟踪和稳定的功能，平台外框的作用是跟踪空中运动的物体，平台的中框和内框的作用是实现平台内框面与水平面水平。 水平稳定平台的稳定控制方法主要有两种，一种是利用陀螺作为测角元件，感测平面两框绕平台中框轴和内框轴的两个偏角，然后把这两个偏角信号作为反馈信号分别控制平台绕内框轴和中框轴反向旋转，实现平台的水平稳定。本文详细分析了该控制方案的工作原理，建立了直流力矩电机和挠性陀螺仪的数学模型，并且分析了陀螺仪的运动特性。利用力矩反馈法测得一组陀螺随机漂移数据，采用时间序列建模的方法，建立了陀螺随机漂移误差的数学模型和状态空间方程，最后利用卡尔曼滤波对陀螺随机漂移误差进行了处理。通过仿真验证了，采用此种方法处理陀螺随机漂移误差是有效的，能够起到误差补偿的作用。 随着计算机性能和技术的发展，另一种控制方案，也得到了广泛应用。这种控制方案是采用计算机解算的方法实现平台的水平稳定，它主要是以感应器件感测出运动载体的空间三坐标轴旋转运动的位置、速度和平台绕外框轴的转角信号作为计算机解算模块的输入信号，根据解算算法，计算出平台绕内框轴和中框轴需要反向旋转的位置及速度，驱动平台绕内框轴和中框轴运动，实现平台内框面的水平稳定。本文详细地分析了六自由度运动稳定平台的特点，建立了合适的坐标系，根据空间坐标系旋转和平移的转换关系，推导出了计算机解算的数学模型。最后通过仿真验证了该数学模型的正确性，为后续编程实现奠定了理论基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1转台技术的发展概况

1.1.1国外转台技术的发展概况

1.1.2国内转台技术的发展概况

1.2稳定平台的研究概况

1.2.1国外稳定平台的研究概况

1.2.2国内稳定平台的研究概况

1.3课题研究的意义及课题来源

1.3.1课题研究的意义

1.3.2课题的来源

1.4论文的研究内容

第二章六自由度运动稳定平台

2.1引言

2.2六自由度运动稳定平台硬件系统

2.2.1机械台体

2.2.2控制系统

2.2.3测角系统

2.2.4计算机系统

2.3六自由度运动稳定平台软件系统

2.4本章小结

第三章水平稳定平台陀螺控制系统

3.1引言

3.2水平陀螺稳定平台的工作原理

3.3水平陀螺稳定平台主要环节的特性分析

3.3.1直流力矩电机的传递函数

3.3.2陀螺仪-加速度计组合体简介

3.3.3挠性陀螺仪的传递函数及运动特性分析

3.3.4陀螺仪输出信号的处理

3.4水平陀螺稳定平台的实验结果

3.5本章小结

第四章陀螺仪随机漂移误差处理

4.1引言

4.2陀螺仪误差的理论基础

4.2.1陀螺仪漂移误差模型的分类

4.2.2陀螺仪漂移的分类

4.2.3建立陀螺仪漂移误差模型的方法

4.3陀螺仪随机漂移误差的时间序列分析建模

4.3.1数据的采集

4.3.2时间序列的检验

4.3.3时间序列的预处理

4.3.4平稳模型的建立与检验

4.4陀螺仪随机漂移误差补偿的仿真

4.5本章小结

第五章水平稳定平台计算机解算系统

5.1引言

5.2坐标系

5.2.1建立坐标系

5.2.2坐标系之间的转换

5.3水平稳定平台数学模型的建模

5.4水平稳定平台数学模型的仿真

5.5本章小结

总结和展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢