两轴并联稳定平台的姿态测量方法研究
发布时间：2021-10-10 21:51
稳定平台是一种搭载在运动载体上的伺服平台,运动载体姿态变化会引起平台上设备随动,稳定平台可通过姿态测量系统获取运动载体姿态信息,驱动平台转动进行姿态补偿,实现运动载体扰动的隔离。稳定平台是保证平台上设备稳定的重要工具,被广泛应用于武器瞄准、手术医疗、无人机摄像头、雷达探测等方面,随着稳定平台技术的发展,其在海洋和航空领域的应用越来越广泛。在稳定平台中姿态测量是实现平台稳定的前提条件,如何对运动载体进行精确的和实时的姿态测量是研究中的两大难点,本文以某海下运动载体上装载的两轴并联稳定平台为研究主体,针对姿态测量实时性和精确性两大难点,进行了姿态测量方法研究。主要工作如下:（1）在实验所用稳定平台应用背景下,分析了载体的运动特性和并联稳定平台的姿态补偿特性,说明了并联结构的耦合关系;根据选用的传感器元件和信号采集装置搭建了姿态信息采集系统,并在稳定平台上进行了安装,然后用软件编写了信号采集程序;根据传感器的测量原理分析出需要对陀螺仪输出数据进行姿态解算,然后根据姿态分析给出了解算方法;为验证提出的姿态测量算法的有效性,设立了对照组实验系统进行验证。（2）构建基于卡尔曼滤波的姿态测量方法。为...
【文章来源】：河北大学河北省
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图2-3两轴并联稳定平台实验所用稳定平台为并联结构，轴与轴之间存在耦合关系，由文献[26]可知，两个
第二章姿态测量系统设计11(2.1)可知电机2输出角度2与平台输出角度y相等，有着一样的范围，电机1输出角度1受到电机2输出角度2的制约，2越大1的范围越校2.2姿态测量系统搭建2.2.1姿态信息采集模块选用角速度传感器和倾角传感器作为姿态信息采集模块的组成元件，传感器元件带宽的高低、量程的大小直接影响姿态测量的精准度。下面是根据姿态测量系统需要选择的传感器型号：(1)角速度传感器角速度传感器选用VG910单轴光纤陀螺仪，如图2-4所示。国际上常用的陀螺仪有三种，分别是微机械(MEMS)陀螺仪、激光陀螺仪、光纤陀螺仪。光纤陀螺仪与微机械陀螺仪相比，优点是全固态，没有旋转部件和摩擦部件，寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，光纤陀螺仪与激光陀螺仪的工作原理都是基于Sagnac效应，相比而言，光纤陀螺仪没有闭锁问题，而且光纤陀螺仪使用光纤作为光路，激光陀螺仪则是在石英块上进行精密加工得到光路，光纤陀螺仪成本相对较低，同时单轴光纤陀螺仪不用考虑万向锁死问题。VG910单轴光纤陀螺仪在设计时放大了比例因子，更适用于小角速度测量，且灵敏度相对较高。单轴光纤陀螺仪只能测量一个方向上的角速度，为了对稳定平台俯仰运动方向、横滚运动方向的角速度进行同时测量，选用两个VG910单轴光纤陀螺仪。VG910是一种基于光学的惯性传感器，数据更新速率能达到1000Hz。图2-4光纤陀螺仪VG910(2)倾角传感器倾角传感器采用XW-TS1100倾角传感器，如图2-5所示，XW-TS1100内嵌高速微
河北大学硕士学位论文12处理器、A/D转换和温度传感器，并采用两个独立的微机械加速度计，直接测量物体相对于水平面的横滚角、俯仰角。高精度A/D转换和多种补偿算法保证了传感器采集原始数据的准确性，多种组合式滤波保证了数据的稳定和精度。考虑到用户使用方便性，XW-TS1100在数据格式和安装尺寸上与CrossBow-02EC相兼容，数据更新速率为40Hz。图2-5倾角传感器XW-TS1100以两个VG910光纤陀螺仪和TS1100倾角传感器进行稳定平台姿态测量模块的搭建，进行模块的搭建时要保证两个陀螺仪角速度输出轴面相互正交，减小不必要测量误差，同理，倾角传感器的安装面也应该与平台视轴面保持平行，在台测量模块搭建成功后，将其安装到实验所用稳定平台上，现如今常见的安装方法有两种，一种是平台式安装方法，一种是捷联式安装方法，平台式安装方法是将姿态测量模块直接安装在平台上，这种方法能直接判断平台上设备是否处于稳定状态，但受到误差干扰也更多。捷联式安装方法是将姿态测量模块安装在载体上，通过测量载体的姿态变化来实现稳定平台的维稳，这种方法更容易实现且测量受到的干扰更少，因此使用捷联式安装方法进行姿态采集模块的安装，结果如图2-6所示。姿态信息采集模块稳定平台VG910XW-TS1100图2-6姿态采集模块安装结果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于VNS-GA的PID和互补滤波控制的自平衡车姿态解算[J]. 汪红,田莎莎. 中南民族大学学报(自然科学版). 2019(04)
[2]一种微惯性与磁组合测量单元的姿态解算方法[J]. 严丹,邓志红,张雁鹏. 兵工学报. 2019(12)
[3]Review of Chinese atmospheric science research over the past 70 years: Atmospheric physics and atmospheric environment[J]. Tijian WANG,Taichang GAO,Hongsheng ZHANG,Maofa GE,Hengchi LEI,Peichang ZHANG,Peng ZHANG,Chunsong LU,Chao LIU,Hua ZHANG,Qiang ZHANG,Hong LIAO,Haidong KAN,Zhaozhong FENG,Yijun ZHANG,Xiushu QIE,Xuhui CAI,Mengmeng LI,Lei LIU,Shengrui TONG. Science China（Earth Sciences）. 2019(12)
[4]低空无人飞艇航测相机稳定平台控制方法[J]. 杨应,刘凤珠,翟曦. 测绘通报. 2019(11)
[5]互补滤波在低成本四旋翼姿态解算中的应用[J]. 李璜筹,马文博,李璐. 国外电子测量技术. 2019(11)
[6]基于偏振光的导航定姿自适应滤波算法[J]. 金仁成,谢林达,蔚彦昭,魏巍. 上海航天. 2019(05)
[7]基于Mahony滤波算法的姿态解算与应用研究[J]. 徐恩松,陆文华,刘云飞,李宝磊,冯旺. 智能计算机与应用. 2019(05)
[8]A review:On path planning strategies for navigation of mobile robot[J]. B.K.Patle,Ganesh Babu L,Anish Pandey,D.R.K.Parhi,A.Jagadeesh. Defence Technology. 2019(04)
[9]基于EMD-LWT的光纤陀螺阈值去噪[J]. 戴邵武,郑百东,戴洪德,聂子健. 光电工程. 2019(05)
[10]基于改进掩膜EMD的光纤陀螺振动信号处理方法[J]. 王威,陈熙源. 东南大学学报(自然科学版). 2018(06)
博士论文
[1]并联式复合驱动舰载稳定平台理论与实验研究[D]. 赵星宇.燕山大学 2018
[2]串并联式稳定平台姿态测量和控制技术研究[D]. 孟红波.南京理工大学 2017
[3]并串联光电稳定平台伺服控制系统研究[D]. 王立玲.河北大学 2014
[4]EMD算法研究及其在信号去噪中的应用[D]. 王婷.哈尔滨工程大学 2010
硕士论文
[1]舰载激光通信终端的视轴稳定控制方法研究[D]. 毛昉.重庆理工大学 2019
[2]船载雷达稳定平台的设计[D]. 樊苗.大连海事大学 2017
[3]基于信号处理方法的微机械陀螺误差补偿技术的研究[D]. 杨庆峰.华侨大学 2016
[4]基于多维加速度传感器的车辆姿态测量系统研究与设计[D]. 李祥云.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3429215
【文章来源】：河北大学河北省
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图2-3两轴并联稳定平台实验所用稳定平台为并联结构，轴与轴之间存在耦合关系，由文献[26]可知，两个
第二章姿态测量系统设计11(2.1)可知电机2输出角度2与平台输出角度y相等，有着一样的范围，电机1输出角度1受到电机2输出角度2的制约，2越大1的范围越校2.2姿态测量系统搭建2.2.1姿态信息采集模块选用角速度传感器和倾角传感器作为姿态信息采集模块的组成元件，传感器元件带宽的高低、量程的大小直接影响姿态测量的精准度。下面是根据姿态测量系统需要选择的传感器型号：(1)角速度传感器角速度传感器选用VG910单轴光纤陀螺仪，如图2-4所示。国际上常用的陀螺仪有三种，分别是微机械(MEMS)陀螺仪、激光陀螺仪、光纤陀螺仪。光纤陀螺仪与微机械陀螺仪相比，优点是全固态，没有旋转部件和摩擦部件，寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，光纤陀螺仪与激光陀螺仪的工作原理都是基于Sagnac效应，相比而言，光纤陀螺仪没有闭锁问题，而且光纤陀螺仪使用光纤作为光路，激光陀螺仪则是在石英块上进行精密加工得到光路，光纤陀螺仪成本相对较低，同时单轴光纤陀螺仪不用考虑万向锁死问题。VG910单轴光纤陀螺仪在设计时放大了比例因子，更适用于小角速度测量，且灵敏度相对较高。单轴光纤陀螺仪只能测量一个方向上的角速度，为了对稳定平台俯仰运动方向、横滚运动方向的角速度进行同时测量，选用两个VG910单轴光纤陀螺仪。VG910是一种基于光学的惯性传感器，数据更新速率能达到1000Hz。图2-4光纤陀螺仪VG910(2)倾角传感器倾角传感器采用XW-TS1100倾角传感器，如图2-5所示，XW-TS1100内嵌高速微
河北大学硕士学位论文12处理器、A/D转换和温度传感器，并采用两个独立的微机械加速度计，直接测量物体相对于水平面的横滚角、俯仰角。高精度A/D转换和多种补偿算法保证了传感器采集原始数据的准确性，多种组合式滤波保证了数据的稳定和精度。考虑到用户使用方便性，XW-TS1100在数据格式和安装尺寸上与CrossBow-02EC相兼容，数据更新速率为40Hz。图2-5倾角传感器XW-TS1100以两个VG910光纤陀螺仪和TS1100倾角传感器进行稳定平台姿态测量模块的搭建，进行模块的搭建时要保证两个陀螺仪角速度输出轴面相互正交，减小不必要测量误差，同理，倾角传感器的安装面也应该与平台视轴面保持平行，在台测量模块搭建成功后，将其安装到实验所用稳定平台上，现如今常见的安装方法有两种，一种是平台式安装方法，一种是捷联式安装方法，平台式安装方法是将姿态测量模块直接安装在平台上，这种方法能直接判断平台上设备是否处于稳定状态，但受到误差干扰也更多。捷联式安装方法是将姿态测量模块安装在载体上，通过测量载体的姿态变化来实现稳定平台的维稳，这种方法更容易实现且测量受到的干扰更少，因此使用捷联式安装方法进行姿态采集模块的安装，结果如图2-6所示。姿态信息采集模块稳定平台VG910XW-TS1100图2-6姿态采集模块安装结果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于VNS-GA的PID和互补滤波控制的自平衡车姿态解算[J]. 汪红,田莎莎. 中南民族大学学报(自然科学版). 2019(04)
[2]一种微惯性与磁组合测量单元的姿态解算方法[J]. 严丹,邓志红,张雁鹏. 兵工学报. 2019(12)
[3]Review of Chinese atmospheric science research over the past 70 years: Atmospheric physics and atmospheric environment[J]. Tijian WANG,Taichang GAO,Hongsheng ZHANG,Maofa GE,Hengchi LEI,Peichang ZHANG,Peng ZHANG,Chunsong LU,Chao LIU,Hua ZHANG,Qiang ZHANG,Hong LIAO,Haidong KAN,Zhaozhong FENG,Yijun ZHANG,Xiushu QIE,Xuhui CAI,Mengmeng LI,Lei LIU,Shengrui TONG. Science China（Earth Sciences）. 2019(12)
[4]低空无人飞艇航测相机稳定平台控制方法[J]. 杨应,刘凤珠,翟曦. 测绘通报. 2019(11)
[5]互补滤波在低成本四旋翼姿态解算中的应用[J]. 李璜筹,马文博,李璐. 国外电子测量技术. 2019(11)
[6]基于偏振光的导航定姿自适应滤波算法[J]. 金仁成,谢林达,蔚彦昭,魏巍. 上海航天. 2019(05)
[7]基于Mahony滤波算法的姿态解算与应用研究[J]. 徐恩松,陆文华,刘云飞,李宝磊,冯旺. 智能计算机与应用. 2019(05)
[8]A review:On path planning strategies for navigation of mobile robot[J]. B.K.Patle,Ganesh Babu L,Anish Pandey,D.R.K.Parhi,A.Jagadeesh. Defence Technology. 2019(04)
[9]基于EMD-LWT的光纤陀螺阈值去噪[J]. 戴邵武,郑百东,戴洪德,聂子健. 光电工程. 2019(05)
[10]基于改进掩膜EMD的光纤陀螺振动信号处理方法[J]. 王威,陈熙源. 东南大学学报(自然科学版). 2018(06)
博士论文
[1]并联式复合驱动舰载稳定平台理论与实验研究[D]. 赵星宇.燕山大学 2018
[2]串并联式稳定平台姿态测量和控制技术研究[D]. 孟红波.南京理工大学 2017
[3]并串联光电稳定平台伺服控制系统研究[D]. 王立玲.河北大学 2014
[4]EMD算法研究及其在信号去噪中的应用[D]. 王婷.哈尔滨工程大学 2010
硕士论文
[1]舰载激光通信终端的视轴稳定控制方法研究[D]. 毛昉.重庆理工大学 2019
[2]船载雷达稳定平台的设计[D]. 樊苗.大连海事大学 2017
[3]基于信号处理方法的微机械陀螺误差补偿技术的研究[D]. 杨庆峰.华侨大学 2016
[4]基于多维加速度传感器的车辆姿态测量系统研究与设计[D]. 李祥云.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3429215
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