CHZ-Ⅱ海洋重力仪研制与实践

海洋重力仪是获取高精度高分辨率海洋重力场的重要仪器,主要应用于资源勘探、大地水准面精化、海洋科学研究和重力辅助惯性导航等领域。我国现有的海洋重力仪主要依靠国外进口,不仅价格高,而且在仪器的引进、维护等方面存在诸多的不便。在科技部首批重大科学仪器专项的支持下,基于CHZ海洋重力仪成功研制出具有完全自主知识产权的CHZ-Ⅱ弹簧式海洋重力仪。该新型重力仪采用金属零长弹簧作为测量元件,其独特的轴对称垂直悬挂结构可克服交叉耦合效应;高精度伺服控制技术及强阻尼的应用可克服载体扰动的影响,确保仪器在不同海况下保持测量精度;高精度恒温技术及温度补偿技术可消除环境温度波动对仪器测量精度的影响。本文介绍了该仪器的工作原理、系统构成、技术特点及测试结果。静态试验表明其月漂移优于3 mGal;码头系泊试验表明其动态精度达到0.2 mGal,能清晰反映海潮的重力变化特征;总航程超过5万海里船载试验表明其综合测量精度优于1 mGal。仪器在精度和稳定性上达到与国内外同类仪器并跑水平,可替代当前国外进口的海洋重力仪。

四轴陀螺稳定平台分区离散变结构控制策略及优化方法

为了有效提高四轴陀螺稳定平台伺服系统全姿态控制精度,针对变结构分区控制过程中台体大角度晃动问题,提出一种优化的四轴陀螺稳定平台控制回路分区离散变结构控制策略。在分析四轴平台框架系统运动学方程的基础上,给出了随动式分区离散变结构控制策略,通过分析执行机构与被控角速度之间的相关程度,对随动式分区离散变结构控制策略进行优化。为了进一步减小变换区域时的切换扰动,在随动式分区离散变结构控制基础上提出一种稳定式分区离散变结构控制方法,对变结构区域进行了整合和优化,有效避免了运动状态在不同区域之间切换造成的台体晃动。仿真结果表明,随动式分区离散变结构控制策略优化前后相比,X方向台体晃动角速度减小63.5%,Y方向台体晃动角速度减小84.5%;稳定式分区离散变结构控制策略优化前后相比,X方向台体晃动角速度减小29.0%,Y方向台体晃动角速度减小57.3%,有效减小了平台台体在变结构控制切换过程中的晃动,提高了控制精度。

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。

陀螺稳定平台的滑膜变结构控制实验研究

针对高精度陀螺稳定平台快速隔离扰动、稳定视轴的要求,设计了以挠性陀螺为惯性传感器的双轴陀螺稳定平台。介绍了该平台的结构,分析了影响平台稳定精度的因素,并针对速率陀螺反馈加传统PID控制不能实现稳定角度无静差的问题,尝试了一种滑膜变结构控制策略。试验结果表明,采用滑膜变结构控制方法后,陀螺稳定平台精度可提高50%以上。

陀螺稳定平台速度环的一种神经网络自适应控制方法

提出一种利用神经网络的自学习特性 ,对陀螺稳定平台的速度环进行自适应控制的方法。给出了采用自适应神经网络控制方法和采用传统频域校正控制方法的对比实验结果。实验结果表明 ,此种算法在应用中是很有效的。

光电稳定平台中陀螺随机漂移的处理方法

在详细分析陀螺随机漂移对光电稳定平台精度影响的基础上,提出了Allan方差与功率谱相结合的分析和评价标准,采用了时间序列分析法进行建模。针对光电稳定平台不同的应用环境,分别比较了陀螺随机漂移的处理方法。实验证明,前向线性滤波在中高频段的噪声滤除方面,要优于低通滤波器;同时在保留低频段的有用信号和了解噪声特性方面,要优于卡尔曼滤波;而且在实时的在线应用方面,要优于小波滤波。结果表明:前向线性滤波适合于高带宽光电稳定平台系统的实时在线应用。

陀螺稳定平台扰动的自抗扰及其滤波控制

分析了影响陀螺稳定平台隔离控制精度的主要因素,包括被控系统模型中的未建模部分、状态的随机扰动以及输出信号的测量噪声等。研究了综合解决各方面影响因素的控制方案以进一步提高陀螺稳定平台隔离精度。针对上述影响因素,设计一个两步控制策略。第一步,利用自抗扰对系统中未建模部分进行观测及其前向补偿,将自抗扰控制中的反馈控制设计为PID控制,以实现抗平台扰动的调节控制;第二步,利用Kalman滤波器对系统中的状态扰动及测量噪声进行滤波消除。详细描述了提出的控制策略并对其性能进行了系统仿真实验及参数优化。结果表明,该方案在幅值为3°、频率为1/6Hz的载体扰动下能达到4.61%的隔离度,与非线性摩擦力建模辨识及其前向补偿策略控制实际陀螺稳定平台达到的隔离度的最好值9.39%相比,文中提出的控制隔离性能提高了50.9%,具有更高的实用价值。

陀螺安装误差影响视轴稳定平台精度的机理研究

针对陀螺安装误差影响视轴稳定平台精度的问题,深入研究了其影响的作用机理及程度。以两轴稳定平台为具体对象,应用PIOGRAM图方法,讨论了安装误差对陀螺敏感量的运动学影响。并对陀螺安装误差影响系统精度以某实际模型为例进行了仿真分析,得出了其对稳定精度影响更为具体的解释。这对陀螺安装误差的标定、机构设计中安装面精度的取定以及误差分配等都具有参考作用。

航空摄影陀螺稳定平台

本文采用3个二自由度挠性陀螺仪构成陀螺稳定平台,实现中等精度的电控罗经、高精度的方位水平仪和稳定平台等功能。陀螺稳定平台对飞机飞行条件依赖较小,能承受30 g冲击加速度,正常启动时间10 min,水平精度≤0．2°,方位漂移精度≤0．2°/h,方位任意预置并连续显示,其整体技术性能优于LEICA公司PAV30型陀螺稳定平台。在北京地区、华中地区进行了5次不同高度飞行实验,精度满足航空摄影要求。

三轴陀螺稳定平台控制系统设计与实现

针对高精度光电导引系统快速隔离扰动、稳定视轴的要求,设计了以速率陀螺为核心构成的三轴陀螺稳定平台。结合某型号电视导引头设计过程,详细介绍了该三轴陀螺稳定平台的结构组成、主要元器件选型,以及软硬件实现。分析了陀螺稳定平台的隔离扰动原理,设计了多闭环复合控制结构,给出了系统各组成部分的模型,合理简化后建立了系统数学模型,并按照频域分析法设计了控制算法。对于陀螺信号噪声问题,设计了小波阈值滤波方法,有效地消除了反馈信号的噪声,提高了系统控制精度。整机测试表明,该陀螺稳定平台满足了导引头系统设计指标要求,具有较高的跟踪精度;能够在实验室条件下,进行多种电视跟踪模拟实验,为实际设备的研制提供了真实有效的数据。

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。

陀螺稳定平台视轴稳定系统自适应模糊PID控制

在运动载体上的光电跟踪系统中,需要采用建立在陀螺稳定平台上的视轴稳定控制。分析了平台结构和惯性稳定隔离原理。针对系统机械谐振、力矩耦合及电气参数波动等非线性不确定因素的影响,设计了复合自适应模糊PID控制器。引入自适应调整因子进行控制规则和参数的在线修正,采用复合控制克服模糊控制固有的盲区,实现无差调节。在光电跟踪转台上的实验结果显示该方法能够有效地隔离载体扰动,减小扰动造成的误差,保证视轴对目标的准确瞄准,具有快速的动态响应和较强的抗干扰性。

光电陀螺稳定平台的分数阶控制

为了提高光电陀螺稳定平台的隔离度,改善其在速度扰动情况下的稳定精度和跟踪精度,将分数阶PIλ控制器引入到光电陀螺稳定平台的速率环控制中。首先,说明了采用常规PI控制提高系统精度的弊端,介绍了分数阶微积分和分数阶PIλDμ控制,提出采用分数阶PIλ控制器来提高控制系统的控制精度。然后,针对采用电流环的等效一阶纯积分控制对象,提出基于稳定裕度和剪切频率的设计方法,该方法同样适用于整数阶PI控制器。最后,以机载光电陀螺稳定平台为研究对象,分别采用分数阶PIλ和整数阶PI控制器进行了阶跃响应、速度扰动隔离和稳定精度的实验研究。实验结果表明,采用分数阶PIλ控制器的系统具有阶跃响应超调量小的优点,在幅值为3.14(°)/s,频率为0.5Hz的速度扰动下,速度扰动隔离度提高了约38%,稳定精度提高了约40%。实验表明,与整数阶PI控制器相比,采用分数阶PIλ控制器可在保证稳定裕度的前提下提高系统的控制精度,且与整数阶PI控制器一样具有易于工程实现的优点。

陀螺稳定平台状态补偿控制

基于状态补偿控制理论,设计了陀螺稳定平台的状态补偿控制系统。利用预补偿器约束系统频率特性,通过遗传算法优化参数,结合Monte-Carlo随机试验方法,进行系统的性能鲁棒分析。动态仿真试验表明:在考虑参数摄动、外部扰动及耦合的情况下,所设计的控制系统的幅值特性曲线斜率具有:低频段高于传统设计43.7%,高频段低于传统设计13.4%的效果;小于0.2s响应时间;扰动不敏感的性能鲁棒性。

高精度伺服稳定跟踪平台数字控制器研制

以陀螺伺服稳定跟踪平台为背景 ,介绍了以DSP为处理核心的平台数字伺服运动控制器的研制 .指出惯性速率环和电机速度环的本质不同 ;提出增加电机转矩 (电流 )环用于提高电机输出转矩线性度的方法 ,从而达到提高惯性速率稳定环的控制效果 ;介绍了以CCD图像或增量式码盘测角组成系统位置闭环 ,以光纤速率陀螺作为惯性速率反馈传感器组成系统速率闭环 ,附带电流反馈组成电机转矩 (电流 )环和速度、加速度前馈装置的前馈反馈复合控制系统 .组成伺服跟踪平台系统联调后测试结果表明 ,系统具有良好的动、静态性能指标和很好的控制效果 .

陀螺稳定平台中速度环的非线性实验建模

在阐述两轴四框架陀螺稳定平台的结构和工作原理的基础上,具体分析了从实际实验装置中获取数据的方法。通过对内环中速度稳定环的机理分析,得到了简化的线性模型。针对平台在低频工作环境下所表现出的严重非线性特性,将线性模型与非线性的Stribeck摩擦力模型相结合,建立了系统的数学模型。利用遗传算法和所获得的实际系统数据对模型参数进行了辨识;通过在所辨识出的系统模型上进行扰动隔离的系统仿真实验,并将其结果与实际系统的性能进行对比,验证了所建模型的精度;通过对模型残差的分析,进一步地改进和提高了所建系统模型的精度。为研究两轴四框架陀螺稳定平台模型与误差补偿提供了实用的高精度的数学模型。

基于动调陀螺的单轴平台寻北仪及其误差分析

针对实验中发现的某寻北仪方位漂移与固定该寻北仪的载体的初始方位近似成180°周期函数关系的现象,基于动调陀螺单轴平台寻北仪的基本工作原理,导出了陀螺漂移对寻北仪方位稳定性产生影响的微分方程,并就陀螺漂移的各种不同情况对寻北仪方位稳定的影响进行了仿真分析。结果表明陀螺漂移是导致寻北仪系统出现此现象的原因。

航空摄影陀螺稳定平台的嵌入式计算机控制系统

针对航空摄影陀螺稳定平台的特殊要求,论证了嵌入式控制模型。采用数据流程图对系统软件进行了分析,设计了应用于陀螺稳定平台的计算机控制系统。系统试验和飞行试用结果表明:该计算机控制系统具有功能强,可靠性高的特点。陀螺稳定平台已成功地应用于航空摄影领域。

基于AVR单片机的机载惯性稳定云台设计

针对多旋翼无人机在航拍时,画面会随着巡航时俯仰、横滚等飞行动作而变得不稳定的问题,设计了一种基于AVR单片机和MEMS陀螺仪的机载惯性稳定云台。该云台利用经卡尔曼滤波(Kalman Filtering)的陀螺仪输出数据对飞机在三个轴向上的角速度变化进行监测和判断,驱动步进电机对云台姿态进行实时反向补偿,实现这一系统使摄影机拍摄的画面能够时刻保持稳定。实验结果表明,系统稳定、可靠、性能良好。

车载实时视频稳像系统研究与设计

通过对惯性稳像技术和电子稳像技术的分析,提出了一种新颖的坦克装甲车辆视频稳像设计理念,即在低成本的速率陀螺平台稳定的基础上采用电子稳像进行二次精稳,可有效提高图像稳定精度并能解决三级海况条件下的图像平移问题;主要论述了视频稳像系统的组成、工作原理和关键技术,建立了图像运动模型并工程实现了视频稳像系统快速原型——周视稳定观瞄镜;试验结果表明,该系统实现了视频稳像一级稳定的稳定精度要求(已高达0.2mil),而且跟踪平稳,快速性好;为车载稳像观瞄系统提供了成本低、性能优良的图像稳定系统,在军事及民用领域中具有广阔的应用前景。