三轴陀螺稳定平台控制系统设计与实现

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进动陀螺方式
伺服连接方式
随动平台方式
摄像 设备与陀螺 固定 摄像设备与陀螺分开 连接 电路简单，结构紧凑
螺需要较大的角动量
摄像机和陀螺均 安装在内框上 精度高， 快速性好
连接 结构灵活， 易于小型化
角，精度很难保证
然不利之处是陀螺装在内框架上， 平 台小型化比较困难， 但随着陀螺技术
的进步， 前市场上己有多种性能良 目
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同等精度的情况下，陀 测量时会引入附加相
结构小型化困难
好，体积尺寸较小的不同型号陀螺可供选择。
陀螺实际安装的时候，需要十分注意陀螺的安装方式，一定要保证各陀螺敏感轴与各自 框架轴线的水平，并且相互 之间保持垂直，以免造成陀螺敏感轴方向上的误差和各轴系之间的祸合效应。本系统方位和俯仰轴系的陀螺均安转在方 位内 框上，有效避免了外框尺寸过大，从而保证负载框具有较小的转动惯量。同时，每个框架都有一个独立的直流力矩 电机直接驱动，这种驱动方式省去了减速机构，有效地消除了齿轮间隙误差问题。由于其祸合刚度高，增大了系统的机
三轴陀螺稳定平台控制系统设计与实现
杨 蒲，李 奇
（ 东南大学 自 动化研究所，南京 ２０９ １ ０６ ）
摘要： 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 环复合控制结构， 多闭 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 设计了 题， 小波闽值滤波方法， 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． 关 键 词：稳定平台；速率陀螺；Ｄ Ｐ Ｓ ；伺服控制
器 统中 个 键问 利 陀 空 测 机” 特 构 陀 稳 平台 即 效 离 弹 波 对 统 像的 响 系 如一 关 题。 用 螺“ 间 度 的 点 成 螺 定 ， 有 隔 了 体 动 系 成 影 ，
保证了 视轴的 稳定， 又可获得满意的 跟踪精度川 本文以自 。 行开发的 某小型高精度三轴电 视导引 背景， 头为 具体介绍了 系统
电视成像导引设备作为惯导武器的核心部分，对武器命中目 标的精度起着十分重要的作用。由 于导弹在飞行过程中，
受到发动机和空气阻力等因素的影响，弹体始终处于剧烈震动摇摆中，这将造成电视导引头成像系统摄取图像的清晰度下
降，甚至无法锁定目 标图像，导致电 视跟踪器不能正常工作，因此如何在运动条件下获得清晰的图像成为电视成像制导武
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第 １ 卷第 ２ ５ 期 ２０ 年 ４ ０７ 月
中国惯性技术学报 Ｊｕ ａｏ Ｃ ｉ ｓＩｅｉ Ｔｃｎｌ ｏｍ ｌｆ ｈ ｅ ｎｒａｅ ｈｏ ｇ ｎｅ ｔｌ ｏ ｙ
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联 系 人：李奇 （ ６ ，男， ９ １ 一） ３ 教授， 博士生导师。 一ａ： ｑｋ ．ｏ． Ｅ ｉ ｈ一ｊ ｇｖ ｃ ｍ ｌ 画ｓ ｎ
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中国惯性技术学报
２０ 年 ４ ０７ 月
稳定视轴；② 完成导引头目 标的快速准确跟踪。为了实现规定的各主要功
能， 伺服稳定平台采用了以支架式底座为主体的三轴正交的框架式结构。 如
中三轴陀螺稳定平台的控制系统设计与数字实现。实际测试表明，该系统能够快速精确的消除扰动，具有良 好的稳定性能。
１ 稳定平台机械结构设计
根据电视跟踪系统总体设计要求，陀螺伺服稳定平台要完成两大任务：① 在运动过程中，实时隔离导引头外扰动，
收稿 日期：２０一５０ ；修回日期：２０一２０ ０６０一８ ０７０一６ 作者简介： 杨蒲（ ７ ， ， 士 主 研究 为 月 良 控 系 、 能 制、 结 控 Ｅ ａ： ｇ ０ ＠ｏ ．ｍ ９ １ 一） 博 生， 要 方向 伺 郧 踪 制 统 智 控 变 构 制。一ｉ ｙ Ｐ ０ ｔ ｃ 男 ｍ ａ ｕ ｌ ｎ Ｚ ｍｏ
定义 优点 缺点
图 １三轴稳定平台的结构示意图
ｉ Ｉ ｅ ａ ｓｔ ｉｚ ｔ ｔ ｅａ ｕ ．ｈ ｅ ｘ ａ ｌｅ ｕ ｂ ｙ ｎ 用了随动平台方式， 它是将光学镜头、 摄像机和速率陀螺均安装在稳定平台 Ｆｇ Ｔ ｒ 一 ｉｓ ｂ ｉ ｄ ｒ ａｌｌ ｏｔ
表 １不同类型平台的系统性能 几ｂｌ ｅ ｒ ａｃ ｏ ｄ ｒ ｔ ｉ ｓ ｆ ｌｆ ｓ ．Ｐｒ ｍ ｎ ｅ ｆ ｉ ｅ ｋ ｄ ｏ Ｐ ｏ ｏ ｆ ｅ ｆ ｎ ｎ ｔ ｍ ａ ｒ
了整个稳定平台的机械特性。 通常情况，根据陀螺的安装位置ห้องสมุดไป่ตู้同，稳定平台系统可分为进动陀螺、
伺服连接以 及随动平台 方式几种 ［ 其特征与优缺点见表 １ 本系统选 类型 ， ］ ２ 。
的内框上， 系统工作时， 速率陀螺测
量载体在空间三个轴 向的转动角速 度， 经处理后反馈到电机上， 控制力 矩电机转动，使光轴快速对准 目 标。 这种方式精度高， 系统快速性好。 虽
图１ 所示， 稳定平台由空间上互相垂直的三个框架构成， 其中内框为方位框， 中框为俯仰框，外框为横滚框，分别控制导引头的方位、俯仰和横滚运动。 其中，由于外框的负载最大，因此外框的强度和刚度是设计的难点， 不能简 单的靠增加零部件尺寸来改善机械特性。 为此， 稳定平台系统设计了支架式 底座结构， 支架与头罩之间为滑动配合， 这样既提高了支架的刚性， 又改善
械共振频率，因而有利于提高系统的频带响应和定位精度。
２ 稳定平台控制系统设计
２１ 稳定平台隔离扰动原理分析 ．
运动载体在飞行过程中，无论受到哪个方向的外力干扰，都会造成位于内框上的摄像头晃动，影响图像的稳定性，
以 至系统无法实现精确跟踪。 根据刚体卡尔丹角坐标变换和矢量分解原理 ， 得到稳定平台 ］ ｓ ［ 可以 各框架运动方程：
中图分类号：Ｕ “． ６ １ 文献标识码：Ａ
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