基于MEMS陀螺的双轴稳定平台设计与实现

摘要

MEMS(micro-electro-mechanical system)是在融合了多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的21世纪高科技前沿学科技术。目前，微惯性传感器在国内外的惯导领域越来越受到重视，并且已经开始应用于稳定和瞄准领域。本文以MEMS陀螺作为空间角速率敏感元件，对基于MEMS陀螺的双轴稳定平台展开研究，通过组成稳定平台控制系统和激光光斑跟踪系统，实现对视频设备的惯性空间稳定和激光光斑目标的实时跟踪功能。
　　本文的主要工作是针对MEMS陀螺稳定平台的信号处理、建模、控制器的设计以及跟踪算法设计等，论文的具体工作如下：
　　(1)稳定平台系统总体设计与实现。结合稳定平台隔离扰动原理和MEMS自身特点，选定平台组成形式，对平台总体设计与组成进行规划，并给出了稳定跟踪具体的实现方案，最后进行了稳定控制系统和光斑跟踪系统的硬件设计。
　　(2)MEMS传感器分析与滤波处理。首先，对使用的MEMS传感器进行标定和Allan方差分析实验；然后，结合MEMS传感器特性和系统要求设计陀螺滤波处理算法；最后，运用基于Kalman滤波的数据融合算法对MEMS陀螺漂移进行补偿。
　　(3)稳定平台建模与控制器设计。首先，对稳定平台各个环节进行建模，最终得到平台的整体模型，通过对电机框架进行扫频，得到电机框架的准确参数；之后，在系统模型的基础上设计平台的速率环和位置环控制器，针对摩擦因素对平台性能造成的影响，设计了基于Stribeck模型的自适应控制率，进行了补偿仿真实验；最后，给出了平台控制算法在DSP控制器的具体实现过程。
　　(4)激光光斑检测算法设计与实现。介绍了常用的滤波算法和激光光斑位置检测算法；给出了单个光斑检测算法在FPGA内的实现流程，最终通过加入的SOPC嵌入式处理器完成脱靶量信息向DSP控制稳定器的实时传送；此外，为了便于调试和观察，扩展了视频缓存电路和DA电路，并编写了VGA显示程序。
　　(5)双轴稳定平台实验。结合实际实验环境和设备，对最终完成的平台系统进行实验测试，得出设计平台实际的具有较好的动态特性：俯仰轴阶跃响应调节时间为0.08s，无超调量，方位轴阶跃响应调节时间约为0.18s，超调量11％，系统测试得到的隔离度为5%；然后，联合设计的红外光斑跟踪系统，开展激光光斑跟踪实验，构成陀螺速率闭环和光电位置闭环，完成光斑跟踪实验，实测跟踪精度在±0.3°以内；最后，对实验结果进行分析，得出实验结论，并对系统的进一步改进提出建议。

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第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2相关技术国内外研究与发展现状

1.3课题设计的关键技术

1.4论文的主要工作和内容安排

第2章 稳定平台系统总体设计与实现

2.1稳定平台隔离扰动原理

2.2稳定平台的总体设计

2.3稳定控制系统硬件设计

2.4光斑跟踪系统硬件设计

2.5本章小结

第3章 MEMS传感器分析与滤波处理

3.1 MEMS传感器标定

3.2 MEMS传感器Allan方差分析

3.3 MEMS陀螺滤波处理

3.4 MEMS陀螺漂移补偿算法设计

3.5本章小结

第4章 稳定平台系统建模与控制算法设计

4.1稳定平台系统建模

4.2基于频域法的电机模型参数辨识

4.3稳定平台控制算法设计

4.4稳定平台的自适应摩擦补偿研究

4.5平台控制算法的DSP实现

4.6本章小结

第5章 激光光斑检测算法设计与实现

5.1滤波处理算法

5.2激光光斑精密检测算法

5.3激光光斑检测方案

5.4激光光斑检测算法的FPGA实现

5.5激光光斑跟踪系统测试

5.6本章小结

第6章 双轴稳定平台实验

6.1平台系统与实验设备

6.2平台系统指标测试

6.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录