稳像云台控制系统设计与分析

发布时间：2020-07-15 11:30

【摘要】：稳像云台是基于电控信号的稳定平台,用以搭载高精密光学仪器,可实现广范围的监控、通信和探测功能。由于载体运动及其他外部扰动易对稳像云台姿态产生干扰,进而影响光学仪器的稳定工作,需对稳像云台控制系统进行相关研究。本文以车载稳像云台为控制对象,对稳像云台控制系统进行设计与分析,旨在实现稳像云台手动定位和稳定随动的控制需求。首先,本文针对车载应用背景,分析了稳像云台系统控制架构,为满足云台两自由度定位和随动功能,研究了两轴两框架的稳像云台架构及其工作原理,设计了稳像云台总体控制方案,提出了基于永磁同步电机的高精度直驱方案。针对云台系统稳像随动控制需求,分析了两轴两框架稳像云台的动力学模型,研究了稳像云台系统的随动控制方法,针对车载工况下的刚性冲击和高频速率扰动现象,进行了运动规划设计,提出了位置环并联速度环的复合随动控制策略,实现了低频位控,高频减振的控制效果。其次,为满足稳像云台驱控系统的高集成化需求,进行了驱控系统的分析与实现。针对稳像云台系统低转速、大扭矩、输出平稳的驱动需求,分析了矢量控制模型及空间电压矢量脉宽调制技术,提出了基于矢量控制的PID复合控制方法;为满足驱控系统的驱控集成化和大电流驱动需求,进行了驱控一体化分析与实现,阐述了驱控系统的关键电路处理方法,并针对驱控系统的电磁兼容特性进行了抗干扰研究;为满足驱控系统实时控制需求,研究了控制系统实时软件处理,提出了由硬件层、功能模块层和框架层组成的分层化实时软件架构,对系统参数初始化、存储布局以及多任务调度进行了分析与实现。最后,搭建了实验测试平台,从驱控系统硬件性能测试和控制系统随动定位两方面进行了半实物测试,实验验证了本文所研究的稳像云台控制系统满足信号处理和伺服驱动的性能设计,整机相关性能指标满足项目需求。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP273
【图文】：

云台,应用实例,工况

如图 1.1 为电控云台在车载和机载下的应用实例，分析知，不同工况下载体运动扰因素具备多样化和不可控特性：车载工况下，崎岖路面会对车体产生行驶干扰；工况下，高速气流和云层环境会对机体产生飞行扰动；船载工况下，风力海浪会对产生航行扰动。受上述扰动影响，激光测距仪、热像仪、白光 CCD 等光学仪器将正常工作，系统亟需云台具备稳定功能。

载在 F-15E 战机和海军陆战队 AV-8B 战机上，实现了对地打击和数据通信[16]，经典蓝盾吊舱由美国 LockheedMartin 公司研制而成，长 2.22 米，半径 0.41 米，由目标捕获吊舱和夜间低空吊舱组成，可挂载于美国 F-16，A-10 等战斗机上，该公司同样研制出另一款“狙击手”XR 吊舱(如图 1.2b 所示)，集成有第三代前视红外(FLIR)、双模式激光器、激光标示器和激光点跟踪器，目标识别能力得到改进，俯仰轴范围可达+35°/-155°，瞄准距离可达 160km[17]；车载领域，如法国 AMX 勒克莱尔坦克，炮塔采用直流电机驱动，可实现 360°水平转动以及+20°/-8°俯仰转动，其火控系统采用 HL 型陀螺稳定技术，稳定精度可达 0.1mrad。机载领域，由于无人机具有具有自主巡航和自由起降能力，在军事和民用领域有着极为广阔的发展前景[18-19]，以以色列无人机为例，其最具代表的 ESP-600 型无人机搭载的侦察、打击云台采用双轴陀螺稳像技术，水平向范围 360°、俯仰角范围为+100°/-100°，稳定精度可达 15urad，最大角速度为 50°/s、最大角加速度为60°/s2[20]。

无人机系统

华中科技大学硕士学位论文型增稳转台，该平台是国内第一个增稳转台，利用交流力矩电机直驱，角度传感器采用旋转变压器和感应同步器[21]；清华大学使用安装在车载单轴云台上的摄像机，进行了水平向的汽车跟踪实验[22]；航天北控集团公司研制出可用于船载的稳定云台，水平向范围360°、俯仰角范围+41°/-10°，稳定精度为 0.1°[23]；中航 618 所研制的稳像平台同样具备两自由度控制范围，其基于惯性稳像技术，稳定精度可达 0.1mrad。

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