光电稳定跟踪装置中微机电陀螺应用研究

以微机电陀螺在高精度光电稳定跟踪装置中的应用为背景,研究了陀螺输出噪声对光电稳定跟踪平台精度的影响.结果表明,陀螺噪声会引起平台基准轴的抖动和缓慢漂移.根据微机电陀螺的实测数据,分析了其噪声特性.基于AR模型建立了微机电陀螺的噪声统计模型.研究了基于Kalman滤波的陀螺去噪算法,给出了去噪结果,分析了该算法不能够取得较好滤波效果的原因.针对Kalman滤波在微机电陀螺信号低频去噪方面的局限性,将基于阈值决策的小波去噪方法应用于微机电陀螺的信号处理中,给出了滤波结果.实测结果表明由于后者不依赖于噪声的精确模型,可根据噪声在不同频段的统计特性采用阈值决策滤波,具有更好的抑噪效果.最后给出了两种滤波算法的比较.     

航空光电成像平台角位置陀螺和角速率陀螺的稳定效果分析

研究了角速率陀螺稳定平台在目标跟踪时瞄准线始终围绕视场中心做约2 Hz晃动的现象,理论推导及数值分析认为引起这一现象的原因与光电稳定平台的静态力矩刚度为0、隔离度仅为71.4 dB有关。采用基于角位置陀螺的光电稳定平台,其静态力矩刚度为1 732 Nm,隔离度提高到126 dB,可以有效地消除这种晃动。     

车载三轴稳定平台的陀螺耦合分析

车载测量或拍摄系统经常采用三轴陀螺稳定平台消除汽车姿态对测量或拍摄的影响,当载体作大姿态复合运动时,由于三轴稳定平台的结构,使得平台在运动过程中轴间不能始终保持相互正交,如果系统采用陀螺速度反馈,则陀螺输出产生耦合,影响测量结果.本文分析耦合产生的原因,探讨影响耦合量的因素,并给出了一种解耦方法,有效分离的稳定平台的陀螺间耦合作用,保证车载测量或拍摄系统的稳定精度.     

反射镜式光电系统光路内嵌复合轴稳定平台

为满足高机动装甲车辆对光电瞄准系统视轴高稳定精度的要求,设计了光路中嵌入快速反射镜的反射镜式光电系统复合轴稳定平台。首先,利用施奈尔反射镜定律的矢量方程,构建系统视轴矢量方程,研究其运动特性、稳定补偿原理;然后,分析了控制方法、控制系统频率特性,分析结果显示,传统稳定平台控制系统的截止频率26Hz,而复合控制系统的截止频率为215Hz,控制系统带宽提升了8倍以上;最后,构建了复合轴稳定平台实验装置、测试装置,介绍了实验方法、稳定精度测试原理,开展了复合轴平台与传统平台的稳定精度比较实验。实验结果表明,在相同的实验条件下,复合轴平台较传统平台的稳定精度提高了5倍以上,反射镜式光电系统光路内嵌复合轴稳定平台能够实现光电瞄准镜的高精度稳定。     

陀螺惯性平台视轴稳定双速度环串级控制的研究

针对光电跟踪系统视轴稳定采用由速率陀螺构成的单速度环伺服控制的不足，本文提出采用以直流测速机为测量反馈元件构成模拟速度内环，利用陀螺的“空间测速机”功能组成数字稳定外环的双速度环串级控制结构。将速度稳定环的抗摩擦力矩干扰功能和隔离载体扰动功能分开设计实现。从系统抗干扰性、鲁棒性等方面与单环控制进行了理论分析和比较。伺服控制器分别采用有源PI校正和时间最小参数自调整PID控制算法。在四轴稳定跟踪转台上的性能测试结果达到了系统要求的稳定精度，表明该方法能明显减小载体扰动造成的误差，在一定的测量噪声和加速度敏感度范围内，能够有效地隔离载体扰动，控制性能良好。     

旋转调制式激光捷联惯导安装误差分析与标定

双轴旋转调制技术可以实现对陀螺漂移和加计零偏的调制,从而极大地提高惯导系统的精度,以满足船用惯导高精度的导航需求.由于单元体一直作连续正反旋转运动,传统的位置法和速率法无法对该系统进行标定.提出了一种基于三轴转台和单元体自旋转的误差标定方案,实现了对系统误差的快速精确标定.其中旋转轴和陀螺及加计敏感轴间的不正交角标定精度优于1",陀螺、加计敏感轴间的不正交角标定精度优于2".海上试验表明,误差标定结果满足了系统1 nmile/24 h的导航要求,具有较高的工程应用价值.     

三轴陀螺稳定平台空间解耦算法及其工程设计

陀螺稳定平台能够隔离载体扰动对任务设备的影响,在惯性空间内保持设备姿态稳定,工程上具有广泛的应用。通过对方位-横滚-俯仰型三轴陀螺稳定平台的稳定机理分析,推导了三轴陀螺稳定平台的稳定条件及稳定控制表达式,并对工程中常用的不同陀螺安装位置进行了解耦分析。针对陀螺安装于俯仰框架上的工程实际应用情况,设计了一种新的控制环路,并进行了控制算法仿真和实际验证,为后续同类设备研制提供了一种有效的设计方法。     

基于陀螺稳定平台的动态位置环设计

介绍了陀螺稳定平台常用的速度补偿控制算法原理,指出了速度补偿控制算法存在的动态误差缺陷,并针对该缺陷提出了基于陀螺和编码器的动态位置环的控制方法。文中结合两轴陀螺稳定平台系统结构对算法进行了详细介绍,并对比测试了速度补偿控制算法和动态位置环控制算法在样机上的稳定精度,数据表明动态位置环控制算法能有效提高陀螺稳定平台的稳定精度。该算法已成功应用于动中通和光电吊舱项目中,设备运行稳定可靠。     

S-RPS-SPS并联机构稳定平台的运动学分析

舰船在海上会受到海浪、海风以及气流等环境影响,从而导致原本需要在稳定环境下工作的器材受到严重干扰,如起吊平台、雷达信号捕捉等。针对以上问题,提出了S-RPS-SPS并联机构稳定平台,该平台可以实现绕X轴横滚角的旋转以及绕Y轴俯仰角的旋转,从而间接消除船体在这两轴上的转动。在SolidWorks软件中建立该并联机构的模型并验证了自由度;选择位姿逆解的方法计算出两条驱动杆长度与动平台位姿角度之间的关系式,在该机构的动平台旋转角度和驱动杆伸缩长度范围内输入不同的角度,得到两组数据,对比了其误差;把计算公式、旋转角度范围以及坐标在Matlab软件中通过算法进行仿真,验证了动平台位姿的准确性。仿真结果表明,该机构在运动学方面的精度和可靠性都得到了很好的保证。     

基于旋转矩阵理论的火炮定向精度分析

空间任意向量A绕空间任意轴P旋转任意角度a,可得到任意矢量A',向量A'被称为向量A绕P轴的旋转变换.向量A'与A之间存在一个特定的关系式A'=SA,公式中的S为旋转矩阵.空间任意矢量绕空间任意轴的旋转问题在工程实际中会经常遇到,比如在保证火炮的竖轴、炮耳轴、炮管的轴线三者相互垂直的前提下,来分析火炮的定向精度问题.实际上三者有垂直度误差,此误差会对定向精度造成很大影响.为找出三者的垂直度误差对定向精度影响的大小,提出了用旋转矩阵理论来解决此问题的方法.本文推导出旋转矩阵S的通用表达式,进而导出火炮三轴的垂直度误差对定向精度影响大小的关系式,根据关系式,可以在火炮建模时把三项误差都考虑进去,从而提高火炮的定向精度.     

光电稳定跟踪装置的控制系统设计

给出了一类光电稳定跟踪装置的框架伺服控制方案,重点研究了速率稳定环的设计过程,使用dSPACE半实物仿真系统进行了速率回路开环特性的模型辨识和高阶滞后超前控制器设计,对于数字化频率特性测试时产生的相位滞后现象进行了理论推导,并提出了相位补偿公式.对于经典控制器可能遇到的精度不足的问题,介绍了相应的非线性补偿方法.针对伺服系统的位置跟踪环和速度稳定环在频域存在的耦合现象,深入分析了产生频域耦合的原因和相应的解耦设计方法,提出了此类系统位置跟踪环和速度稳定环的理想设计模型.在此基础上讨论了姿态干扰隔离度的概念,推导了隔离度的计算公式.对系统工作过程中可能遇到的5种典型情况进行了仿真试验,仿真结果验证了有关概念的正确性.     

耦合扰动下船载成像系统的复合稳像

针对船载精密成像系统在船体晃动时产生的杆臂牵连平动和等效圆锥旋转,提出了一种将惯性量测信息引入电子稳像技术对耦合干扰进行补偿的方法。首先,基于俯仰-偏航式光学稳定平台分析其在视线稳定过程中所产生的等效圆锥旋转,推导了视线旋转角与平台转角之间的数学关系。然后,分析了杆臂牵连平动对像点虚化的影响,并结合圆锥旋转构建了耦合扰动模型;针对耦合扰动模型提出利用惯性测量信息复合电子稳像的方法来实现低特征背景下的高精度稳像。最后,通过半实物仿真验证了该方法在低特征环境中的成像稳定精度和实时性。结果显示:提出的方法能够有效补偿俯仰-偏航式稳定平台转动以及船体晃动时形成的耦合干扰,在低特征环境中具有较高的成像稳定精度和实时性,修正误差为亚像素级。图像稳定后的峰值信噪比平均提高了4dB,基本满足船载光学精密探测系统对实时性、精度、抗干扰能力和稳定性的要求。     

基于高速摄影动态测试微陀螺振动

针对微机电系统(MEMS)特征尺寸小,常用的动态测试方法和系统还有一定的缺点等问题,本文在介绍MEMS常见的三种动态测试方法的基础上,给出了一种基于高速摄影的微陀螺振动动态测试系统。介绍了系统的硬件架构和软件功能。在动态测试的关键算法上,应用Otsu算法对图像进行分割,使用感兴趣区域(ROI)和不变矩方法得到振动曲线,通过幅频分析得到微机械陀螺的振动特性。实验结果表明:使用这种方法测量振幅的精度达到了0.1 μm;频域测量的重复性和一致性也较好。这种动态测试方法稳定可靠、精度高、抗干扰能力强,可以极大地减少计算量,提高系统运行速度。     

动载体光电平台视轴稳定精度的检测

提出一种动载体光电平台视轴稳定精度的检测方法.介绍了光学测量原理,讨论了光电平台视轴稳定精度检测系统的实施路线,并对该系统使用的自准直光学成像系统、高速数字CMOS相机和光斑检测算法进行了研究.由安装在光电平台照准架上的平面反射镜反映光电平台视轴指向角度的变化,用高速数字CMOS相机采集图像,并通过计算图像之间归一化的...     

摄像稳定技术

随着光电监视、跟踪、侦察系统使用要求的不断提高,对光学图像的稳定要求也日趋严格。图像不稳定的实质是摄像系统的光轴与目标之间有无效的相对运动,包括平移和角运动,其中相对角运动对图像的影响尤为严重,论述了现在采用的两类稳像方法,并对新一代的稳像技术——电子学稳像作了概要的介绍,阐述了平台稳定方法和电子学稳像技术在应用中的技术难点。     

基于两步修正法的 MEMS 三轴陀螺仪标定方法

针对目前三轴陀螺仪标定存在依赖于昂贵的转台设备或标定参数不完全的问题,本文提出了一种了基于两步修正法的MEMS三轴陀螺仪标定方法。该方法首先使用六位置法对加速度计12参数模型、三轴陀螺仪比例因子、三轴陀螺仪静态零偏进行标定补偿,然后对三轴陀螺仪非正交误差模型建模,进行系统级标定。两步修正法可实现在无精密设备条件下快速准确的对各项误差进行辨识,获得良好的标定效果。仿真实验表明,本文算法所获得的非正交误差均值接近1%,标准差小于0.1%;比例因子误差均值小于0.14%,标准差小于0.004%,且具有很好的一致性。实际实验表明,65 s纯惯性导航姿态更新结果中,该标定方法的俯仰角误差精度可以达到0.624°,横滚角误差精度可以达到0.67°。     

单晶硅振动环陀螺仪的制作

为了简化电容式振动环陀螺仪的制作方法,进一步提高成品率,提出了一种结合反应离子深刻蚀(DRIE)与阳极键合的陀螺仪制备方法。分析了振动环陀螺的工作原理,指出了传统工艺存在的缺陷;对该制作方法所采用的工艺流程进行了详细设计,分析了不同工艺参数对陀螺仪性能的影响,并依据分析和实验结果改进了工艺流程和参数。最后,采用该方法制作了振动环式微机械陀螺仪并进行了测试。实验结果表明,采用该方法能成功制作电容间隙为3μm、厚度为80μm的振动环式陀螺仪微结构。与传统的制作方法相比,工艺流程大为简化,掩模板数量从7块减少到2块,满足器件性能可靠、工艺简单、成品率高的要求。     

舰船图像序列电子稳定算法的研究

分析了船载摄像系统获取的图像序列的特点,提出了稳定舰船图像序列的特征点电子稳像算法.详细地阐述了实现此算法的关键步骤:获取图像特征点,确定图像运动矢量和校正图像序列等.通过分析实际工作中舰船摄像系统的运动状态,进一步简化算法,提高了算法的精度.将此算法应用于舰船图像序列稳定实验,分别采用图像差值和图像序列的逼真度对稳定的结果进行了评定.试验和评定的结果表明,这种特征点稳像算法能够实现实时准确地稳定舰船图像序列.     

电子稳像技术概述

随着电视摄像系统在各领域中的广泛应用,对图像信息的稳定性要求也在不断提高.而图像的不稳定主要是由摄像机载体的运动导致的,因此运动载体上的电视摄像系统需安装稳像系统.电子稳像是新一代的稳像方法,它利用数字信号处理等技术实现实时、高精度地稳定动态图像.本文介绍了电子稳像技术的原理、实现方法、主要算法以及评定其优劣的方法.