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畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯
系 別： 機(jī)電信息系
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
班 級：
姓 名：
學(xué) 號：
附 件： 1. 原文； 2. 譯文
2013年03月
基于知識的機(jī)械設(shè)計獨(dú)立研究
Phyo圍林，西坪，張保元智，陳瑞（機(jī)械工程及自動化，北京大學(xué)航空航天學(xué)院，100191北京，中國）
摘要：大多數(shù)KBE系統(tǒng)的研究應(yīng)用都依賴于一些CAD軟件，使得知識難以復(fù)用到其他CAD軟件。獨(dú)立的基于知識的系統(tǒng)是獨(dú)立于CAD軟件；因此可重復(fù)使用的知識自由。本文介紹了機(jī)械設(shè)計獨(dú)立的基于知識的系統(tǒng)。一個詳細(xì)討論了典型的設(shè)計提出了設(shè)計過程的實(shí)現(xiàn)基于知識工程的基礎(chǔ)設(shè)計，結(jié)構(gòu)無關(guān)的知識。主要的知識工程主要是解釋。實(shí)施KBE的作為一個案例是蝸輪蝸桿減速器的設(shè)計。通過減速器的設(shè)計獨(dú)立的知識系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)?；贙BE系統(tǒng)獨(dú)立工作，使知識的使用獨(dú)立的CAD軟件，從而提高其便攜性和與協(xié)同異構(gòu)CAD系統(tǒng)的工作。
關(guān)鍵詞：知識工程；獨(dú)立的知識庫；減速器；
1 引言
產(chǎn)品設(shè)計程序取決于設(shè)計者的經(jīng)驗嚴(yán)重。用設(shè)計師的知識和經(jīng)驗，產(chǎn)品制造商可降低產(chǎn)品的成本，生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品。設(shè)計師必須，然而，借鑒如過去經(jīng)驗的工程知識經(jīng)驗，具體的設(shè)計規(guī)則和程序。大多數(shù)設(shè)計師需要得到正確的幾何信息，并找到nongeometric參數(shù)從力學(xué)特征信息這是非常耗時的手工設(shè)計手冊參數(shù)化建模的CAD系統(tǒng)基于幾何關(guān)系部分。部分可以變換不同尺寸容易。然而，非幾何對產(chǎn)品設(shè)計的知識不可能是管理方便的[ 1 ]。一些商業(yè)的CAD系統(tǒng)忽略這個問題。因此，基于知識的工程（KBE）已經(jīng)提出了滿足工程設(shè)計要求的方法自去年1980的。KBE的知識庫系統(tǒng)的一個子集（KBS）這是一個自旋從人工智能（AI）。KBE方法捕捉和結(jié)構(gòu)的知識，用定義的工程方法和程序[ 2 ]。典型的基于知識的系統(tǒng)是基于面向?qū)ο蟮木幊陶Z言和緊一個幾何建模工具的集成，人工智能，設(shè)計者的經(jīng)驗，數(shù)據(jù)庫等。圖1是典型的KBE設(shè)計架構(gòu)。
近年來，CAx應(yīng)用，人工智能KBE技術(shù)已發(fā)展為設(shè)計和制造系統(tǒng)。李察Curran，WIM J.C.費(fèi)爾哈根，噸H. Van der Laan MJT范托倫納入知識優(yōu)化設(shè)計與制造（knomad）方法KBE環(huán)境[ 3 ]的分析利用制造知識。C.B.查普曼，馬丁關(guān)入欄中描述了基于知識的工程系統(tǒng)（KBES）擴(kuò)展當(dāng)前的能力汽車白車身（BIW）工程師[ 4 ]。巴勃羅bermell加西亞和IP盛風(fēng)機(jī)應(yīng)用KBE對風(fēng)的設(shè)計和制造系統(tǒng)飛機(jī)短艙采用風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ秃蜕a(chǎn)規(guī)則和組合面向?qū)ο蟮闹R表示方法[ 5 ]。大多數(shù)的KBE系統(tǒng)的應(yīng)用前研究人員都依賴于一些CAD軟件，這使得他們很不方便知識可以重復(fù)使用在其他CAD軟件。獨(dú)立的基于知識的系統(tǒng)獨(dú)立于CAD軟件知識；可重復(fù)使用在不同CAD軟件自由UG，CATIA，Solidworks等。
2 知識建模的2個目標(biāo)
本研究的目標(biāo)是獲得知識利用獨(dú)立驅(qū)動的參數(shù)化模型基于知識的系統(tǒng)。因此，關(guān)系幾何和非幾何屬性之間是知識框架的基本概念模型。的幾何描述是唯一一個信息產(chǎn)品的總模型[ 6 ]。圖2是幾何和nongeometric的關(guān)系屬性。在參數(shù)化建模產(chǎn)品，實(shí)體與幾何參數(shù)例如布爾原始，直線或圓弧在一個線框，或一個圓角操作。這些參數(shù)控制和發(fā)揮各種幾何屬性，如高度，寬度，長度，體積和該模型的區(qū)域。他們還控制位置這些實(shí)體模型內(nèi)。
功率，重量，材料，生命，速度比，負(fù)載和工藝是包含在nongeometric屬性，意味著他們的設(shè)計參數(shù)。幾何和非幾何屬性是相互關(guān)聯(lián)的。例如，節(jié)線速度該蠕蟲是VW =πdwnw / 12。幾何性數(shù)據(jù)倉庫（徑）和非幾何屬性的大眾（節(jié)線速度）是相互依賴。對KBE模型包含幾何和輸入非幾何屬性，包括設(shè)計規(guī)格，設(shè)計實(shí)踐，工程師的專業(yè)知識，材料性能和結(jié)構(gòu)分析。的關(guān)鍵研究內(nèi)容將是獲得幾何參數(shù)從非幾何參數(shù)。的輸出是知識模型，滿足客戶要求。
3 知識獲取和表示知識獲取是從知識轉(zhuǎn)型它的存在（被默許或明確的）轉(zhuǎn)換成形式，可以用在一個以知識為基礎(chǔ)的系統(tǒng)。的收集領(lǐng)域知識的過程知識轉(zhuǎn)換成計算機(jī)表示：KA包括獲取，收集，分析，建模和驗證知識工程的知識和知識管理項目[ 3 ]和涉及打破，分組，構(gòu)建鏈接起來，和控制知識。一個重要的問題是如何從一個專家的知識提取如何在一個表示引起的知識基于知識的系統(tǒng)。嘉能解決考慮到問題的目的和功能所需的信息。KBE系統(tǒng)使用相結(jié)合的“規(guī)則”和“面向?qū)ο蟮闹R表示為表示方法。圖3是知識的表示圖研究工作為控制和修改知識需要收集的各種形式的知識，包括數(shù)學(xué)公式，規(guī)則，經(jīng)驗，參數(shù)化模型，為機(jī)械式和圖設(shè)計的參數(shù)化模型。知識對典型設(shè)計模式的實(shí)現(xiàn)，設(shè)計知識可以分類如下：
（1）的數(shù)學(xué)公式：在機(jī)械設(shè)計，有許多領(lǐng)域的數(shù)學(xué)形式知識。許多設(shè)計零件尺寸等，材料，強(qiáng)度等需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算和推導(dǎo)，得到他們的適當(dāng)?shù)闹?。?shù)學(xué)公式包括表達(dá)式（算術(shù)表式，邏輯表達(dá)式，等等），微分方程積分方程等，用于設(shè)計部分的傳輸有一定的約束關(guān)系。例如：數(shù)學(xué)公式蝸桿的接觸應(yīng)力是惠普惠普和Nσ=σZ與應(yīng)力循環(huán)方程1 60 L H n =×γ×N×T。
（2）類規(guī)則：知識驅(qū)動模型在知識工程（KBE）是基于專為捕捉語言工程規(guī)則。如果蝸桿頭等于1，效率的估計范圍是0.65到0.75；當(dāng)蝸輪頭等于2，效率0.75 ~ 085的范圍內(nèi)；蝸桿頭時大于2，有效范圍：0.85。如果條件是滿意的，那么結(jié)論部分執(zhí)行。蝸輪蝸桿的階級統(tǒng)治的樣品表達(dá)如下：
如果（worm_z = 1）{效率=“0.65 ~ 0.75”；}
如果（worm_z = 2）{效率=“0.75 ~ 0.85”；}
如果（worm_z > 2）{效率=“> 0.85”；}
（3）設(shè)計表：有許多工程標(biāo)準(zhǔn)件的知識往往存在于表形式，圖4是一個表模塊的關(guān)系，蝸桿和蝸桿直徑系數(shù)，直徑用于確定產(chǎn)品尺寸的家庭。表中的數(shù)據(jù)是離散的二進(jìn)制映射，可以按照一定的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的存儲使用腳本語言規(guī)則。這個腳本語言相關(guān)的語法和語言解釋器解釋的映射表，表示使用形式。
（4）專長：專長來填補(bǔ)所扮演的角色詳細(xì)的階段和知識之間的差距概念階段，協(xié)助設(shè)計人員進(jìn)行決策。例如，專家告訴工作溫度范圍應(yīng)該更有資格，大于95或小于95℃℃。
（5）參數(shù)化模型的參數(shù)化模型文件（如UG。PRT文件）存儲產(chǎn)品的歷史建模，建模過程包含載體專業(yè)技術(shù)和知識。參數(shù)化模型提供的知識建模過程。因此，幾何模型可以很快改變，可以被看作是一類幾何實(shí)例模型；面向?qū)ο蠓椒捎糜谶@個知識的組織和表達(dá)。比如說呢，蝸桿的幾何模型的設(shè)計有幾個幾何參數(shù)如表1所示。
（6）圖表：圖表是一種常見的工程二維表達(dá)知識協(xié)調(diào)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)表示的符號，如在條形圖中的線條，線圖等。因此，知識是實(shí)現(xiàn)包括各種形式的工程規(guī)則，公式，幾何模型，設(shè)計表格和圖表建立獨(dú)立的基于知識的系統(tǒng)。它還介紹了幾何表示包括零件的復(fù)雜性和性能設(shè)計過程自動化。
4 獨(dú)立的基于知識的設(shè)計建筑機(jī)械設(shè)計工程師總是面臨想要得到正確的幾何問題信息，參數(shù)和需要找到nongeometric從力學(xué)特征信息手動設(shè)計手冊。信息是困難的口頭交流和正式的設(shè)計一個知識庫目的。知識翻譯可以解決這些問題。知識翻譯（KI）是基于知識的構(gòu)建解釋第（3）得到的參數(shù)化模型平均知識驅(qū)動的參數(shù)化模型。的翻譯原則的知識結(jié)構(gòu)（KI）是圖5所示。知識的翻譯可以解析知識就像電腦文件編譯器分析源代碼文件。例如，在C語言源代碼，用C寫的，但我們可自動保存。CPP的格式，然后編譯器可以生成一個可執(zhí)行文件后編譯。1Ki解決得到幾何參數(shù)結(jié)合機(jī)械工程設(shè)計參數(shù)和知識文檔。一些的典型的設(shè)計參數(shù)為功率，速度，速度和壽命等，知識文檔包括如果比規(guī)則表達(dá)的部分（2）和工程知識，幾何參數(shù)是壓力角，基音周期的直徑蝸輪，模塊等。獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計知識建筑分為三層，如圖所示圖6。核心層主要造型層系統(tǒng)和鏈接的用戶層和幾何模型層。知識和經(jīng)驗存儲在知識庫的形式知識文件和數(shù)據(jù)庫文件。知識庫的知識經(jīng)營飼料知識管理模塊。知識推理模塊獲取非幾何值參數(shù)從用戶層和給出的值幾何參數(shù)根據(jù)知識存儲在知識庫。CAD支持模塊使用模擬功能的CAD軟件根據(jù)輸出值與它溝通從核心層的幾何參數(shù)。然后幾何建模層更新CAD模型。
5 案例研究選擇在這個案例KBE技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是一個蝸輪蝸桿減速器。完整的產(chǎn)品裝配包括功能，如蝸輪，蝸桿軸等的實(shí)施工具用于這個項目UG/Open API和C + +開發(fā)系統(tǒng)用戶界面，MFC和微軟的訪問數(shù)據(jù)庫。建模和裝配的實(shí)現(xiàn)UGNX平臺3。當(dāng)點(diǎn)擊“文件>執(zhí)行> NX Open”選擇指定的路徑的DLL文件，用戶界面。會彈出如圖7所示，輸入設(shè)計參數(shù)，獨(dú)立的基于知識的系統(tǒng)將自動執(zhí)行的設(shè)計過程減速器與基于幾何方法通過確定速度為基礎(chǔ)的方法的過程中，權(quán)力與生活。表2和表3輸入設(shè)計輸出參數(shù)和幾何參數(shù)典型的設(shè)計。圖8是獨(dú)立的過程減速器設(shè)計的知識基礎(chǔ)。
6 結(jié)論
大多數(shù)的KBE系統(tǒng)依賴于一些CAD軟件使得知識重用難以實(shí)現(xiàn)。本文提出了獨(dú)立基于知識的系統(tǒng)，以避免這一缺點(diǎn)。在解釋知識驅(qū)動的原理工程，設(shè)計獨(dú)立的知識構(gòu)造體系。最終，獨(dú)立實(shí)現(xiàn)了基于知識的減速器設(shè)計系統(tǒng)?；讵?dú)立的知識系統(tǒng)的應(yīng)用改變了KBE系統(tǒng)依賴CAD軟件，提高了便攜性和可肥沃的異構(gòu)協(xié)同工作CAD系統(tǒng)。
西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院
本科畢業(yè)設(shè)計(論文)
題目：車載慣導(dǎo)平臺設(shè)計
系 別： 機(jī)電信息系
專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
班 級： B090206
學(xué) 生： 張超
學(xué) 號： B09020631
指導(dǎo)教師： 賈培剛
2013年05月
本科畢業(yè)設(shè)計(論文)
題目：車載慣導(dǎo)平臺設(shè)計
系 別： 機(jī)電信息系
專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
班 級：
學(xué) 生：
學(xué) 號：
指導(dǎo)教師：
2013年05月
車載慣導(dǎo)平臺設(shè)計
摘 要
車載慣導(dǎo)平臺是指車輛在道路上行駛時，路面的顛簸將會引起車輛發(fā)生俯仰、側(cè)傾和橫擺運(yùn)動，。這些角運(yùn)動的大小與車輛行駛速度和路面不平度具有密切關(guān)系。由于車輛行駛路況的種類很多，而且車速變化范圍也很大，若將環(huán)境識別傳感器直接安裝于車體之上，則傳感器的標(biāo)定就必須隨著車輛行駛路況的隨機(jī)變化而實(shí)時改變。只有在傳感器做出正確的標(biāo)定之后，才能獲取正確的車輛行駛環(huán)境信息。
關(guān)鍵詞：平臺的設(shè)計 初始對準(zhǔn)
Onboard inertial navigation platform design
Abstract
Onboard inertial navigation platform refers to the vehicle on the road, the road is bumpy will cause the vehicle pitch, roll and horizontal pendulum motion,. The angular motion and the size of the vehicle speed and road roughness has a close relationship. Because there are many kinds of vehicle driving road conditions, and the speed range is big, if the environment identification sensor installed directly on the body, the calibration of the sensor is to real-time change with random variation of vehicle driving road conditions. Only after the calibration of sensor to make the right to acquire the correct vehicle information environment.
Key Words:The design of the platform;Initial alignment
IV
目 錄
1 緒 論 1
1.2. 慣性導(dǎo)航的基礎(chǔ)知識 3
1.2.1地球形狀及重力特性 3
1.2.2地球的自轉(zhuǎn)和角速度 4
1.2.3 導(dǎo)航用坐標(biāo)系 4
1.3 捷聯(lián)式和平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)的主要區(qū)別 5
1.4.1 初始對準(zhǔn)的分類 7
1.4.2 初始對準(zhǔn)的要求 7
1.4.3 干擾觀測與補(bǔ)償 7
1.4.4 質(zhì)量恢復(fù)控制 8
1.5 車載慣導(dǎo)平臺的概述 9
1.5.1 攝像穩(wěn)定平臺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 11
2 車載慣導(dǎo)平臺的整體形狀及分析 12
2.1 車載慣導(dǎo)平臺的整體形狀 12
2.1.1 穩(wěn)定平臺的性能要求 12
2.1.2 驗證是否滿足所設(shè)計的要求 13
2.1.3 穩(wěn)定平臺穩(wěn)像原理 13
2.2 車載慣導(dǎo)平臺方位驅(qū)動系統(tǒng) 13
2.3 艦載攝像穩(wěn)定平臺的傳動方式 14
2.3.1車載攝像穩(wěn)定平臺俯仰驅(qū)動系統(tǒng) 14
2.3.2 攝像穩(wěn)定平臺縱、橫搖驅(qū)動系統(tǒng) 15
3 制定車載慣導(dǎo)平臺材料的選擇和確定尺寸 16
3.1 整體材料的的選擇 16
3.2 制定整體尺寸 16
3.2.1 各個零件尺寸的確定 17
4 計算車在平臺慣性力矩和功率 21
4.1 電機(jī)的作用 21
4.2 由慣性力矩來確定電機(jī)的功率 21
4.2.1 電機(jī)種類 21
4.2.2 功率的計算 22
結(jié) 論 23
參考文獻(xiàn) 24
致 謝 25
畢業(yè)設(shè)計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 26
畢業(yè)設(shè)計（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明 27
1 緒論
1 緒 論
進(jìn)入21世紀(jì)，隨著科學(xué)技本的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的制造技術(shù)已進(jìn)入現(xiàn)代制造技術(shù)的新階段。為保證和增強(qiáng)車載武器系統(tǒng)的快速機(jī)動性,現(xiàn)代先進(jìn)的陸地作戰(zhàn)車輛,如自行火炮、遠(yuǎn)程火箭炮、前線偵察車、射擊指揮車、導(dǎo)彈發(fā)射車等,一般均配備有慣性定位定向系統(tǒng)。車載慣性定位定向系統(tǒng)的技術(shù)性能和可靠性與陸地作戰(zhàn)車輛的戰(zhàn)斗力和快速反應(yīng)能力有著極為密切的關(guān)系。定位定向系統(tǒng)不僅要有較高的精度指標(biāo),還必須具備較高的工作可靠性,才能保證產(chǎn)品在惡劣的車載環(huán)境條件下全壽命可靠地工作。某型號車載慣性定位定向系統(tǒng)是專門為陸地作戰(zhàn)車輛設(shè)計的一種導(dǎo)航及姿態(tài)參考系統(tǒng),可為載體快速提供高精度的北向方位和姿態(tài)基準(zhǔn),并實(shí)時進(jìn)行定位導(dǎo)航,引導(dǎo)車輛行駛。該系統(tǒng)由雙軸陀螺平臺、導(dǎo)航計算機(jī)、電子控制線路、里程計等部件組成,各部件之間的可靠性邏輯關(guān)系為串聯(lián)形式。慣導(dǎo)平臺是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過測量載體在慣性參考系的加速度，將它對時間進(jìn)行積分，且把它變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，就能夠得到在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置等信息的測量平臺。經(jīng)過多年的發(fā)展，慣導(dǎo)平臺也有各種結(jié)構(gòu)形式，其中適合車載的慣導(dǎo)平臺一直是研究是熱點(diǎn)。本課題為智能車科研項目的一部分，以設(shè)計出測量智能車姿態(tài)的慣性導(dǎo)航平臺為目的，為控制其姿態(tài)的研究工作打下基礎(chǔ)。
慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（簡稱慣導(dǎo)系統(tǒng)）為一種利用加速度計測得的運(yùn)載體的運(yùn)動加速度、經(jīng)過運(yùn)算求出運(yùn)載體即時位置的導(dǎo)航設(shè)備。慣性導(dǎo)航是二十世紀(jì)初才發(fā)展起來的一種導(dǎo)航方法。導(dǎo)航的本意就是引導(dǎo)航行的意思，所以導(dǎo)航就是引導(dǎo)運(yùn)載體在預(yù)定的時間內(nèi)，按照計劃的航線，由起始地點(diǎn)航行到目的地。慣導(dǎo)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是不受外界干擾，隱蔽性好，能實(shí)時提供運(yùn)載體的三維姿態(tài)參數(shù)，這些參數(shù)都是艦艇與飛機(jī)上觀測系統(tǒng)和火控系統(tǒng)所必需的。慣導(dǎo)系統(tǒng)由于具有上述一系列優(yōu)點(diǎn)而受到海陸空軍，航天和交通運(yùn)輸?shù)炔块T的青睞和重視。目前，它已廣泛應(yīng)用于潛艇、水面艦艇、軍用飛機(jī)、戰(zhàn)略導(dǎo)彈與戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、戰(zhàn)車和人造衛(wèi)星等領(lǐng)域。慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能不斷提高，結(jié)構(gòu)類型日新月異。我們根據(jù)系統(tǒng)中有無機(jī)電式實(shí)體平臺分為平臺式和捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)與平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)的區(qū)別，在于前者沒有實(shí)體的穩(wěn)定平臺，而代之以導(dǎo)航計算機(jī)產(chǎn)生的數(shù)學(xué)平臺，陀螺儀和加速度計直接與運(yùn)載體固聯(lián)。慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能不斷提高，結(jié)構(gòu)類型日新月異。我們根據(jù)系統(tǒng)中有無機(jī)電式實(shí)體平臺分為平臺式和捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)與平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)的區(qū)別，在于前者沒有實(shí)體的穩(wěn)定平臺，而代之以導(dǎo)航計算
3
畢業(yè)設(shè)計（論文）
機(jī)產(chǎn)生的數(shù)學(xué)平臺，陀螺儀和加速度計直接與運(yùn)載體固聯(lián)。導(dǎo)航系統(tǒng)是根據(jù)測得的運(yùn)載體的加速度，經(jīng)過積分運(yùn)算求得速度與位置。為此，必須知道初始速度和初始位置。此外，以地理坐標(biāo)系為導(dǎo)航坐標(biāo)系的慣導(dǎo)系統(tǒng)中（包括平臺式和捷聯(lián)式），物理平臺和數(shù)學(xué)平臺都是測量加速度的基準(zhǔn)，而且平臺必須準(zhǔn)確的對準(zhǔn)和跟蹤地理坐標(biāo)系，以避免由平臺誤差引起的加速度測量誤差。初始對準(zhǔn)的精度直接關(guān)系到慣導(dǎo)系統(tǒng)的工作精度，初始對準(zhǔn)的時間是慣導(dǎo)系統(tǒng)的重要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)。因此，初始對準(zhǔn)是慣導(dǎo)系統(tǒng)最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。
慣性系統(tǒng)初始對準(zhǔn)的目的是在慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)入導(dǎo)航工作狀態(tài)之前建立起導(dǎo)航
坐標(biāo)系。對平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)來說，就是控制平臺旋轉(zhuǎn)使之與要求的導(dǎo)航坐標(biāo)系重
合；對捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)來說，就是計算出機(jī)體坐標(biāo)系到導(dǎo)航坐標(biāo)系的姿態(tài)矩陣。
初始對準(zhǔn)過程中，一般還要求算出陀螺的偏置量，即測漂。
機(jī)載光電跟瞄平臺在飛機(jī)火力控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用, 它能夠在機(jī)載環(huán)境下迅速捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)運(yùn)動目標(biāo)。由于機(jī)載環(huán)境下干擾嚴(yán)重, 而跟瞄平臺自身的跟蹤精度要求又較高, 所以平臺的穩(wěn)定性與跟蹤控制方法的優(yōu)劣直接決定著平臺的性能。為了精確的控制平臺光學(xué)系統(tǒng)的視軸, 使其在隔離擾動的同時準(zhǔn)確跟蹤運(yùn)動目標(biāo), 人們采用了多種控制方法。機(jī)載光電跟瞄平臺的功能是捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)飛機(jī)所處空域內(nèi)的目標(biāo), 如飛機(jī)、車輛、房屋等。平臺主要由光電探測器、跟蹤伺服平臺、電子設(shè)備和慣性元件組成。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種完全自主式的導(dǎo)航系統(tǒng),以其不依賴任何外界信息的優(yōu)勢,被應(yīng)用于越來越多的場合,所以提高系統(tǒng)的導(dǎo)航精度變得日益重要。針對這一問題,實(shí)現(xiàn)了慣導(dǎo)平臺車載試驗的仿真系統(tǒng),并對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差模型參數(shù)的辨識方法進(jìn)行了研究。 介紹了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理和導(dǎo)航誤差方程,建立了慣導(dǎo)平臺車載試驗仿真系統(tǒng)各仿真模塊的數(shù)學(xué)模型。論文重點(diǎn)完成了慣導(dǎo)平臺車載試驗仿真系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn),在設(shè)計上主要實(shí)現(xiàn)了以下功能:它可根據(jù)用戶需求完成外測數(shù)據(jù)(即載車的航跡)的生成、系統(tǒng)誤差設(shè)置;提供了導(dǎo)航信息顯示功能,可供用戶直觀地查看導(dǎo)航信息的變化情況。在實(shí)現(xiàn)過程中,為了提高軟件的開發(fā)效率,在分析比較了幾種Matlab與VC++之間混合編程方法的優(yōu)缺點(diǎn)之后,該仿真平臺決定采用Matcom來實(shí)現(xiàn)Matlab之間的混合編程。在利用車載試驗對慣性導(dǎo)航誤差模型辨識時,首先建立了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差模型,然后用傳統(tǒng)的經(jīng)典最小二乘方法對誤差模型參數(shù)進(jìn)行了辨識,辨識效果不好,經(jīng)分析原因是系統(tǒng)存在嚴(yán)重的復(fù)共線性。因此采用偏最小二乘方法對誤差模型參數(shù)進(jìn)行辨識,得到更高的辨識精度。 慣導(dǎo)平臺車載試驗的仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了分析平臺系統(tǒng)誤差及外測信號精度對導(dǎo)航精度影響的目的,可以直觀地看出導(dǎo)航信息的實(shí)時變化。此仿真系統(tǒng)可供從事慣性導(dǎo)航系統(tǒng)研究、設(shè)計的工程技術(shù)人員使用,也可以供相關(guān)專業(yè)人員作學(xué)習(xí)仿真使用。
畢業(yè)設(shè)計（論文）
1.1 本文研究的背景和目的
為加速度計提供一個準(zhǔn)確的安裝基準(zhǔn)和測量基準(zhǔn)，以保證不管載體姿態(tài)發(fā)生多大變化，平臺相對于慣性參考坐標(biāo)系的方向始終保持不變，即三個加速度計的空間指向是不變的。例如，某些飛機(jī)上的慣導(dǎo)系統(tǒng)要求這個穩(wěn)定平臺在方位上要對正北向，在平面上要和當(dāng)?shù)厮矫嫫叫?，使平臺的三個軸正好指向東、北、西三個方向。能夠?qū)崿F(xiàn)這一要求的，只有陀螺儀，所以也叫陀螺穩(wěn)定平臺。陀螺也就成為穩(wěn)定平臺和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心部件。正因為有了這樣一個基準(zhǔn)平臺，飛機(jī)相對該平臺在方位上的偏角反映了航向，飛機(jī)相對該平臺在水平兩個軸向上的偏角反映了俯仰和傾斜（橫滾）。所以穩(wěn)定平臺代替了地平儀、羅盤或航向姿態(tài)系統(tǒng)的功能
1.2. 慣性導(dǎo)航的基礎(chǔ)知識
1.2.1地球形狀及重力特性
地球表面有山脈河流陸地海洋，形成了高低起伏形狀復(fù)雜的不同規(guī)則的物理
實(shí)體，為了導(dǎo)航定位的需要，把地球近似為一個能用簡單數(shù)學(xué)公式描述的幾何球體。第二近似是把地球視為旋轉(zhuǎn)橢球，如圖 1.1所示。
圖 1.1 近似的地球數(shù)理模型
（1.1）
式中 a-----為長短軸，在赤道平面內(nèi)；
b-----短半軸，與地球自轉(zhuǎn)重合。
旋轉(zhuǎn)的橢球的扁率為
ξ = （1.2）
已知其參數(shù)：長半軸 a = 6378.206km
短半軸 b = 6356.586km
橢球度 ξ=1/295
1.2.2地球的自轉(zhuǎn)和角速度
在慣性空間，地球繞本身的地軸自轉(zhuǎn)，并繞太陽作公轉(zhuǎn)。地球公轉(zhuǎn)一周為一
年，需365 天，實(shí)際上地球相對恒星轉(zhuǎn)動了366 次，因此地球在24 小時內(nèi)相對
恒星自轉(zhuǎn)了1,00274 周。太陽在慣性空間不是恒定不變，但它的旋轉(zhuǎn)影響可以忽略不計。
地球的自轉(zhuǎn)的角速度為 w = 7.2921158x10*-5rad/s
1.2.3 導(dǎo)航用坐標(biāo)系
宇宙間任何物體的運(yùn)動都是相對的，因此運(yùn)載體的運(yùn)動和導(dǎo)航定位，均需研
究它們相對坐標(biāo)系的運(yùn)動與位置。在慣性導(dǎo)航中常用的坐標(biāo)系由下列7種：
(1) 地心慣性坐標(biāo)系（簡稱i系）坐標(biāo)系原點(diǎn)為O,設(shè)在地球的中心，X i軸和Yi 軸在地球赤道平面內(nèi)。Xi軸指向春分點(diǎn)，Zi軸指向地球極軸。春分點(diǎn)為天文測量中確定恒星時的起點(diǎn)。由此構(gòu)成的右手直角坐標(biāo)系OXYZ即為地心慣性坐標(biāo)系。
(2) 地球坐標(biāo)系（簡稱e系）
坐標(biāo)系的原點(diǎn)取在地球中心，與地球固聯(lián)，Ze軸指向地球極軸,Xe軸和Ye軸位于赤道平面，且Xe軸通過零子午線。由此構(gòu)成的右手直角坐標(biāo)系OXYZ即為地球坐標(biāo)系。
(3) 地理坐標(biāo)系（簡稱g 系）坐標(biāo)系的原點(diǎn)取在運(yùn)載體重心。 Yg軸指向東，即E；Yg軸指向北，即N；Zg軸指向地，即D。此時的地理坐標(biāo)系常表示為右手直角坐標(biāo)系OEND，即東北地坐標(biāo)系。有時采用ONEZ坐標(biāo)系，即北東天坐標(biāo)系，Zg軸指向天頂。本篇論文除特別說明外，均采用OEND坐標(biāo)系。
(4) 運(yùn)載體坐標(biāo)系（簡稱b系）
坐標(biāo)系的原點(diǎn)取在運(yùn)載體重心，并與運(yùn)載體固聯(lián)。Yb軸指向運(yùn)載體的縱軸方
向；Zb軸指向運(yùn)載體的豎軸方向，由此構(gòu)成的右手直角坐標(biāo)系為運(yùn)載
體坐標(biāo)系，可簡稱為載體坐標(biāo)系。運(yùn)載體為艦艇時,b系即為艦艇坐標(biāo)系。
(5) 平臺坐標(biāo)系（簡稱p系）與慣導(dǎo)系統(tǒng)中的物理平臺（平臺式系統(tǒng)）或數(shù)學(xué)平臺(捷聯(lián)式系統(tǒng))固聯(lián)的右手直角坐標(biāo)系 OXYZ稱為平臺坐標(biāo)系.
(6) 導(dǎo)航坐標(biāo)系（簡稱t 系）
導(dǎo)航坐標(biāo)系為慣導(dǎo)系統(tǒng)在求解導(dǎo)航參數(shù)時所采用的坐標(biāo)系。對平臺式慣導(dǎo)系
統(tǒng)來說，理想的平臺坐標(biāo)系就是導(dǎo)航坐標(biāo)系。指北半解析式慣導(dǎo)系統(tǒng)中平臺的理
想指向為地理坐標(biāo)系，則該系統(tǒng)中的導(dǎo)航坐標(biāo)系即采用地理坐標(biāo)系。對捷聯(lián)式慣
導(dǎo)系統(tǒng)來說，導(dǎo)航參數(shù)并不一定在運(yùn)載體坐標(biāo)系內(nèi)求解，可將加速度計的信號分
解到某個求解導(dǎo)航參數(shù)較方便的坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行計算.
(7) 計算坐標(biāo)系（簡稱c 系）此種坐標(biāo)系是為了便于研究慣導(dǎo)系統(tǒng)而人為引進(jìn)的一種虛擬坐標(biāo)系，是以計算所得的經(jīng)緯度（λc,Lc）為原點(diǎn)O建立起來的地理坐標(biāo)系OXYZc，它與運(yùn)載體實(shí)際位置O點(diǎn)上建立的地理坐標(biāo)系OXYZg不一致。兩個坐標(biāo)系之間的夾角為慣導(dǎo)系統(tǒng)的定位誤差。平臺坐標(biāo)系OXYZp相對于地理坐標(biāo)系 OXYZg的夾角為平臺的姿態(tài)角Φ。平臺坐標(biāo)系OXYZp 相對于計算坐標(biāo)系 OXYZc的夾角稱為Ψ 。
1.3 捷聯(lián)式和平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)的主要區(qū)別
從結(jié)構(gòu)上來說，捷聯(lián)式和平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)的主要區(qū)別是前者沒有實(shí)體導(dǎo)航平
臺，而后者有實(shí)體導(dǎo)航平臺。在平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)中，導(dǎo)航平臺的主要功能是模擬
導(dǎo)航坐標(biāo)系，把導(dǎo)航加速度計的測量軸穩(wěn)定在導(dǎo)航坐標(biāo)系軸向，使其能直接測量
載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系軸向的加速度，并且可以用幾何的方法，從平臺的框架軸上直
接拾取載體的姿態(tài)和航向信息。而捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)則不用實(shí)體導(dǎo)航平臺，把
加速度計和陀螺直接安裝在載體機(jī)體上，在計算機(jī)中實(shí)時的計算姿態(tài)矩陣，通過
姿態(tài)矩陣把導(dǎo)航加速度計測量的載體沿機(jī)體坐標(biāo)系軸向的加速度信息變換到導(dǎo)
航坐標(biāo)系，然后進(jìn)行導(dǎo)航計算。同時從姿態(tài)矩陣的元素中提取姿態(tài)和航向的信息。
由此可見，在捷聯(lián)式慣導(dǎo)中，是用計算機(jī)來完成導(dǎo)航平臺的功用。所以有時也說
捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)是采用“數(shù)學(xué)導(dǎo)航平臺”。除此之外，其它導(dǎo)航計算則是基本相
同的。
圖 1.2 平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)原理
圖1.2是平臺式導(dǎo)航系統(tǒng)的原理示意圖，導(dǎo)航加速度計和陀螺都安裝在導(dǎo)航平臺上，加速度計輸出的信息，送到導(dǎo)航計算機(jī)，導(dǎo)航計算機(jī)除計算飛行器位
置、速度等導(dǎo)航信息外，還要計算對陀螺的施矩信息。陀螺在施矩信息作用下，
通過平臺穩(wěn)定回路控制平臺跟蹤導(dǎo)航坐標(biāo)系在慣導(dǎo)空間的角運(yùn)動。而飛行器的姿
態(tài)和方位信息，則從平臺的框架軸上直接測量得到。
圖 1.3是捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的原理示意圖。導(dǎo)航加速度計和陀螺直接安裝在載體上，用陀螺測量的角速度信息減去計算的導(dǎo)航坐標(biāo)系相對慣性空間的角速
度，則得到機(jī)體坐標(biāo)系相對導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度，利用這個信息進(jìn)行姿態(tài)矩陣的
計算。有了姿態(tài)矩陣，就可以把機(jī)體坐標(biāo)系軸向的加速度變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系軸向，
然后進(jìn)行導(dǎo)航計算。同時利用姿態(tài)矩陣的元素，提取姿態(tài)和航向信息。所以，姿
態(tài)矩陣的計算、加速度信息的坐標(biāo)變換、姿態(tài)航向角的計算。這三項功能實(shí)際上
代替了導(dǎo)航平臺的功能，因此，計算機(jī)的這三項功能也就是所謂的“數(shù)學(xué)平臺”。
而計算的導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度信息則相當(dāng)于導(dǎo)航平臺上的陀螺施矩信息。
圖 1.3 捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)原理
1.4 慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)
1.4.1 初始對準(zhǔn)的分類
(1) 按對準(zhǔn)的階段來分慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)一般分為兩個階段：第一個階段為粗對準(zhǔn)，對平臺進(jìn)行水平與方位粗調(diào)，要求盡快地將平臺對準(zhǔn)在一定精度范圍內(nèi)，為后繼的對準(zhǔn)提供基礎(chǔ)，所以要求速度快，精度可以低一些。第二階段為精對準(zhǔn)，是在粗對準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，要求在保證對準(zhǔn)精度的前提下盡量快。
(2) 按對準(zhǔn)的軸系來分取地理坐標(biāo)系為導(dǎo)航坐標(biāo)系的情況下，初始對準(zhǔn)可分為水平對準(zhǔn)和方位對準(zhǔn)。在平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)中，物理平臺通常先進(jìn)行水平對準(zhǔn)，然后進(jìn)行平臺的水平與方位對準(zhǔn)。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)平臺，一般情況下水平對準(zhǔn)與方位對準(zhǔn)是同時進(jìn)行的。
(3) 按基座的運(yùn)動狀態(tài)來分按照安裝慣導(dǎo)系統(tǒng)所在基座的運(yùn)動狀態(tài)可分為靜基座對準(zhǔn)和動基座對準(zhǔn)。動基座對準(zhǔn)通常是在載體運(yùn)動狀態(tài)下進(jìn)行的。
(4) 按對準(zhǔn)時對外信息的需求來分慣導(dǎo)系統(tǒng)只依靠重力矢量和地球速率矢量通過解析方法實(shí)現(xiàn)的初始對準(zhǔn)稱為自主式對準(zhǔn)，此時不需要其它外部信息，自主性強(qiáng)、但精度不高。非自主式對準(zhǔn)可通過機(jī)電和光學(xué)方法將外部參考坐標(biāo)系引入系統(tǒng)，使平臺對準(zhǔn)至導(dǎo)航坐標(biāo)系。在捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)的粗對準(zhǔn)階段，可引入主慣導(dǎo)系統(tǒng)的航向信息，迅速將數(shù)學(xué)平臺對準(zhǔn)導(dǎo)航坐標(biāo)系，減少初始失調(diào)角。在精對準(zhǔn)階段，可采用受控對準(zhǔn)方法，利用其它導(dǎo)航設(shè)備（如GPS、記程儀等）提供的信息（如位置和速度等）作為觀測信息，通過卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)精對準(zhǔn)。
1.4.2 初始對準(zhǔn)的要求
慣導(dǎo)系統(tǒng)不論用于運(yùn)載體導(dǎo)航和武器彈藥中的制導(dǎo)，還是用于觀測系統(tǒng)與火
控系統(tǒng)的航向姿態(tài)基準(zhǔn)，均要求初始對準(zhǔn)保證必需的準(zhǔn)確性與快速性。用于艦船
與飛機(jī)的慣導(dǎo)系統(tǒng)，對準(zhǔn)時間可略長些，如裝備民航飛機(jī)用的慣導(dǎo)系統(tǒng)的對準(zhǔn)時
間容許為15～20分鐘。平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)的水平對準(zhǔn)精度達(dá)到10″以內(nèi)，方位對
準(zhǔn)精度達(dá)2′～5′以內(nèi)。用于艦炮武器系統(tǒng)的捷聯(lián)式航姿系統(tǒng)，基于對其快速反應(yīng)的要求，靜基座對準(zhǔn)時間要求在10分鐘左右，動基座對準(zhǔn)時間要求在20分
鐘左右。
為了達(dá)到初始對準(zhǔn)精而快的要求，陀螺儀與加速度計必須具有足夠高的精度
和穩(wěn)定性，系統(tǒng)的魯棒性要好，對外界的干擾不敏感。
1.4.3 干擾觀測與補(bǔ)償
抑制干擾是穩(wěn)定回路的主要任務(wù)。如果干擾量可測, 就能通過前饋補(bǔ)償?shù)姆绞絹硪种? 但光電跟瞄平臺的干擾輸入一般無法直接測量?？梢圆捎没跔顟B(tài)空間的干擾觀測器觀測擾動并進(jìn)行前饋補(bǔ)償, 具體方法是對干擾信號的模型進(jìn)行合理假設(shè), 將干擾作為系統(tǒng)的增廣狀態(tài)變量, 把干擾模型加入到原系統(tǒng)中構(gòu)成增廣系統(tǒng),用常規(guī)的極點(diǎn)配置設(shè)計方法設(shè)計狀態(tài)觀測器和狀態(tài)反饋控制器, 從而同時實(shí)現(xiàn)干擾補(bǔ)償和跟蹤控制。采用此方法設(shè)計了跟瞄平臺穩(wěn)定控制回路, 經(jīng)仿真驗證, 穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差從011 mrad 降至0104 mrad。以上方法在進(jìn)行模型假設(shè)時,將干擾看作確定性信號,而實(shí)際跟瞄平臺所受的干擾很復(fù)雜,只能獲得它的隨機(jī)統(tǒng)計模型,因此上述方法具有一定局限, 特別是當(dāng)擾動發(fā)生變化時抗擾性能會降低。
1.4.4 質(zhì)量恢復(fù)控制
質(zhì)量恢復(fù)技術(shù)的提出是為了解決光學(xué)元件跟蹤結(jié)構(gòu)的干擾抑制問題。圖1.4控制回路中的擾動主要是飛機(jī)的姿態(tài)運(yùn)動、高頻振動通過摩擦耦合與幾何耦合產(chǎn)生的力矩擾動, 它的頻帶較寬, 是引起跟蹤誤差的主要因素。為了抑制粗、精跟蹤回路中的高頻力矩干擾,常規(guī)的設(shè)計思想是, 用精跟蹤回路對粗跟蹤回路的跟蹤誤差進(jìn)行前饋補(bǔ)償,通過提高精跟蹤回路的帶寬, 實(shí)現(xiàn)對寬帶干擾的主動抑制。由于精跟蹤回路的帶寬受到慣性反饋元件的帶寬限制無法提得很高, 所以慣性元件帶寬以外的干擾無法抑制。質(zhì)量恢復(fù)控制的設(shè)計思想與常規(guī)相反: 首先斷開精跟蹤回路的參考輸入, 使圖1.4 中的K =0,同時通過設(shè)計反射鏡光路使λ = 1 ,此時精跟蹤回路僅僅起隨動粗跟蹤回路的作用, 通過盡量降低精跟蹤回路的帶寬, 可以有效的濾除粗跟蹤回路輸出信號中由于擾動產(chǎn)生的高頻噪聲,這種類似低通濾波的干擾抑制方法不受慣性反饋元件的帶寬限制, 能獲得很高的穩(wěn)定精度。使用此方法的前提是跟蹤指令具有低頻特性(5～3 Hz) , 適用于跟蹤指令頻帶較窄而干擾嚴(yán)重的機(jī)載跟瞄平臺。德州儀器公司生產(chǎn)的圖像穩(wěn)定平臺和西安應(yīng)用光學(xué)研究所設(shè)計的光電跟瞄系統(tǒng)原理樣機(jī)都采用了這種設(shè)計思想。
圖 1.4 質(zhì)量恢復(fù)的控制原理圖
1.4.5 捷聯(lián)式與平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)的區(qū)別
在平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)中，平臺的誤差方程是研究初始對準(zhǔn)的基礎(chǔ)。平臺誤差方
程描述了平臺系相對地理坐標(biāo)系的誤差變化率與系統(tǒng)誤差源之間的關(guān)系。平臺式
慣導(dǎo)系統(tǒng)是利用加速度計輸出信息作為對準(zhǔn)修正信息。對準(zhǔn)的本質(zhì)是將重力加速
度的方向作為水平對準(zhǔn)的基準(zhǔn)，其對準(zhǔn)精度主要取決于兩個加速度計的精度。作
為方向?qū)?zhǔn)的羅經(jīng)準(zhǔn)則是利用了羅經(jīng)效應(yīng)，其本質(zhì)則是將地球角速率向量的方向
（北向分量）作為方位對準(zhǔn)的基準(zhǔn)，其對準(zhǔn)精度主要取決于東向陀螺漂移。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)的基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)平臺的誤差方程。對準(zhǔn)的修正信息，除了加速度計的輸出信息外，還利用了陀螺儀的輸出信息。其水平對準(zhǔn)精度同樣取決于加速度計的測量精度；方位對準(zhǔn)精度取決于等效東向陀螺漂移。因此，為了提高捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)精度，有必要建立慣性器件的誤差方程，并對其誤差補(bǔ)償，為提高初始對準(zhǔn)精度提供必要的條件。平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)是由慣性器件輸出的信息，經(jīng)計算機(jī)中的對準(zhǔn)程序處理產(chǎn)生控制信號，施矩于陀螺儀，從而迫使平臺在陀螺的控制下自動趨向于地理系。而捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)，則是由慣性敏感元件的輸出信息，經(jīng)過計算機(jī)的實(shí)時運(yùn)算（按對準(zhǔn)程序），不斷的將數(shù)學(xué)平臺變換到能精確的描述理想載體系到地理系（導(dǎo)航系）的方向余弦矩陣。這兩種慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)的主要區(qū)別在于慣性器件安裝的環(huán)境不同，捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)精度受載體的干擾運(yùn)動的影響比較嚴(yán)重，因此，濾波技術(shù)的應(yīng)用比平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)顯得重要。
1.5 車載慣導(dǎo)平臺的概述
攝像穩(wěn)定平臺的結(jié)構(gòu)通常由方位轉(zhuǎn)臺、雙軸穩(wěn)定框架及俯仰叉架組成。它安裝在汽車的頂部。由于汽車頂部的攝像機(jī)受道路路況的干擾而產(chǎn)生縱、橫搖及上下坡，側(cè)傾運(yùn)動,使方位水平基準(zhǔn)不斷地發(fā)生變化,攝像機(jī)受道路的影響而不穩(wěn)定,常使被攝像目標(biāo)丟失,所以攝像機(jī)必須架設(shè)在穩(wěn)定平臺上,通過穩(wěn)定平臺的縱搖和橫搖驅(qū)動系統(tǒng)補(bǔ)償汽車的搖擺運(yùn)動,使攝像機(jī)保持水平狀態(tài),另外通過方位及俯仰的人為控制實(shí)現(xiàn)對被攝目標(biāo)的捕捉。
1.5.1 穩(wěn)定平臺的種類
穩(wěn)定平臺有多種結(jié)構(gòu)型式:按轉(zhuǎn)軸的數(shù)目可以分為一軸、二軸、三軸、四軸。一般來講搜索、引導(dǎo)雷達(dá)在垂直方向上波瓣較寬或者垂直方向是電掃描的,只要求天線在方位上轉(zhuǎn)動,就能覆蓋預(yù)定的空間;衛(wèi)星通信地球站和射電望遠(yuǎn)鏡,通常采用圓拋物面天線,波束窄,必須使天線在方位和俯仰上同時轉(zhuǎn)動才能掃掠整個空域;雷達(dá)為了補(bǔ)償汽車縱、橫搖擺影響,常采用三軸或四軸的天線座見圖1.5。
圖 1.5 天線座結(jié)構(gòu)圖
縱橫搖框架、攝像機(jī)俯仰叉架組成見圖1.6。
圖 1.6 攝像穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)圖
基座安裝于汽車頂部,橫搖軸與艦首尾線平行。
圖1.5中,基座安裝于汽車上;縱、橫搖框架架設(shè)在方位旋轉(zhuǎn)叉架上;縱、橫搖框架由X和Y軸的兩個搖擺環(huán)組成一個平面,這兩個搖擺環(huán)均為高精度隨動系統(tǒng),能快速準(zhǔn)確地消除汽車搖擺,使攝像機(jī)始終保持水平。攝像機(jī)安裝在俯仰叉架上并懸掛于縱/橫搖框架下,通過方位及俯仰驅(qū)動,實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤攝像。
1.5.2 攝像穩(wěn)定平臺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
因攝像機(jī)的尺寸較大,迎風(fēng)面積大,重量重,如按傳統(tǒng)的設(shè)計思想,將方位俯仰軸置于X軸Y軸搖擺環(huán)之上,會帶來穩(wěn)定平臺輸出功率大、重心高、附加配重等現(xiàn)象,使得整個穩(wěn)定平臺的重量無法滿足總體指標(biāo)的要求;同時,由于攝像機(jī)受其他負(fù)荷的擾動較大,攝像穩(wěn)定精度較低。因此我們選擇了攝像機(jī)下置方式。具體特點(diǎn)如下:
(1) 不需造價昂貴的方位水平儀提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)信號,而是自帶陀螺儀置于穩(wěn)定平臺的平面內(nèi),這對無方位水平儀的中小汽車極為合適。
(2) 由于采用重力平臺,當(dāng)汽車震動時,平臺本身有自回零的能力,因此縱、橫搖驅(qū)動電機(jī)只是克服其重力慣性。由此需要的電機(jī)驅(qū)動功率將減小,這樣縱、橫搖有可能采用直接驅(qū)動,從而可消除齒隙誤差,保證穩(wěn)定平臺的穩(wěn)定精度。
(3) 由于提供汽車信號的陀螺儀置于平臺內(nèi),從結(jié)構(gòu)上構(gòu)成了位置閉環(huán),不需旋轉(zhuǎn)變壓器對接來構(gòu)成位置閉環(huán)。這樣消除了對接誤差,提高了穩(wěn)定平臺的穩(wěn)定精度。
(4) 重力平臺對安裝平面沒有嚴(yán)格的要求,不象間接平臺的安裝平面一定要與方位水平儀安裝平面保持水平且要平行于頂部線,否則將造成很大的安裝誤差。這樣不但提高精度,而且給現(xiàn)場安裝帶來很大的方便。
(5) 由于傳動回差小,使其工作過程極為平衡,確保了攝像過程無抖動,確保圖像質(zhì)量良好。
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2 車載慣導(dǎo)平臺的整體形狀及分析
2 車載慣導(dǎo)平臺的整體形狀及分析
2.1 車載慣導(dǎo)平臺的整體形狀
圖 2.1 平臺的整體結(jié)構(gòu)
零件的實(shí)際形狀如上圖所示，從零件圖上看，該零件是典型的零件，結(jié)構(gòu)比較簡單?；镜脑O(shè)計思路已初步完成。
2.1.1 穩(wěn)定平臺的性能要求
車載攝像穩(wěn)定平臺必須滿足下述性能要求:
（1）由于穩(wěn)定平臺架設(shè)在汽車上,基座是不穩(wěn)定的。這是因為汽車在航行時會發(fā)生震動，傾斜等運(yùn)動。根據(jù)汽車的搖擺幅度和周期,穩(wěn)定平臺的縱搖和橫搖驅(qū)動系統(tǒng)必須滿足架設(shè)在方位轉(zhuǎn)臺上的攝像機(jī)所需的搖擺范圍、搖擺角速度和角加速度,
畢業(yè)設(shè)計（論文）
補(bǔ)償汽車震動的搖擺運(yùn)動。一般穩(wěn)定平臺縱、橫搖的工作角度和周期為:縱搖工作范圍?4b、周期3 s(保精度);橫搖工作范圍?10b、周期4 s(保精度)。
(2) 穩(wěn)定平臺的縱、橫搖驅(qū)動系統(tǒng)以及方位、俯仰驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)具有良好的傳動性能,工作可靠,維護(hù)方便。
(3) 穩(wěn)定平臺應(yīng)具有足夠的穩(wěn)定精度:縱橫搖工作穩(wěn)定精度1 mrd;
(4) 穩(wěn)定平臺應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度,布局要合理,結(jié)構(gòu)要緊湊。
(5) 盡量減輕穩(wěn)定平臺的重量,以利于降低艦艇的重心,提高艦艇的穩(wěn)定性。
(6) 穩(wěn)定平臺應(yīng)具有方位鎖定功能、機(jī)械限收位保護(hù)功能和自動歸零功能。
2.1.2 驗證是否滿足所設(shè)計的要求
要求為滿足車輛在道路上行駛時，路面的顛簸將會引起車輛發(fā)生俯仰、側(cè)傾和橫擺運(yùn)動，。這些角運(yùn)動的大小與車輛行駛速度和路面不平度具有密切關(guān)系。由于車輛行駛路況的種類很多，而且車速變化范圍也很大，若將環(huán)境識別傳感器直接安裝于車體之上，則傳感器的標(biāo)定就必須隨著車輛行駛路況的隨機(jī)變化而實(shí)時改變。只有在傳感器做出正確的標(biāo)定之后，才能獲取正確的車輛行駛環(huán)境信息。因此需要滿足兩個自由度旋轉(zhuǎn)的自由控制，通過兩個獨(dú)立的電機(jī)來分別控制操作X和Y方向的旋轉(zhuǎn)，使其X.Y方向避免相互干擾，此結(jié)構(gòu)正好滿足所設(shè)計的以上要求。
2.1.3 穩(wěn)定平臺穩(wěn)像原理
光學(xué)系統(tǒng)隨車體發(fā)生抖動，要實(shí)現(xiàn)對該抖動量進(jìn)行補(bǔ)償，需要感知該抖動量。然后進(jìn)行補(bǔ)償。本文選用兩軸穩(wěn)定平臺來實(shí)現(xiàn)視軸的穩(wěn)定。兩軸穩(wěn)定平臺以隔離原理為理論基礎(chǔ).選用現(xiàn)代控制元件為執(zhí)行元件.最終實(shí)現(xiàn)視軸在慣性空間的穩(wěn)定。兩軸穩(wěn)定平臺由方位環(huán)和俯仰環(huán)構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)在方位與俯仰方向的穩(wěn)定。方位環(huán)和俯仰環(huán)穩(wěn)定回路均采用陀螺儀作為慣性敏感元件，敏感載體運(yùn)動在方位上產(chǎn)生角誤差;該角誤差信號以相應(yīng)極性和線性比例的電壓信號形式輸出;經(jīng)過預(yù)處理的電壓信號通過控制器在直流力矩電機(jī)軸上產(chǎn)生反作用穩(wěn)定力矩，從而實(shí)現(xiàn)對視軸擾動的抑制、保持視軸在慣性空間的相對穩(wěn)定。
2.2 車載慣導(dǎo)平臺方位驅(qū)動系統(tǒng)
車載攝像穩(wěn)定平臺方位驅(qū)動系統(tǒng)原先采用的是步進(jìn)電機(jī)加一級減速(i=10)驅(qū)動。在實(shí)際運(yùn)用過程中,發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動力矩在高速下略顯不足,產(chǎn)生失步現(xiàn)象。另外步進(jìn)電機(jī)的脈沖驅(qū)動方式降低了攝像的穩(wěn)定性。因此在后續(xù)產(chǎn)品中,將方位驅(qū)動改成了直流伺服機(jī)組加2級減速(i=40)的驅(qū)動。由于減速比的增大,在選擇電機(jī)時,可選擇輸出力矩小一級的電機(jī),同時結(jié)構(gòu)的重量也減輕了。
由于平臺在結(jié)構(gòu)上基本對稱于平臺的方位軸,因此在方位上主要考慮附加震動力矩的影響。實(shí)際運(yùn)用過程中,方位軸所需的輸出力矩為250 Nm方位電機(jī)的輸出扭矩應(yīng)不小于下面公式計算所得:T =T/i=250/40=6.25 Nm(1)式中:T為方位電機(jī)輸出扭矩;T1為平臺方位負(fù)荷;i為傳動比。
2.3 艦載攝像穩(wěn)定平臺的傳動方式
艦載攝像穩(wěn)定平臺由方位驅(qū)動系統(tǒng)、俯仰驅(qū)動系統(tǒng)、縱橫搖驅(qū)動系統(tǒng)組成?？v搖驅(qū)動系統(tǒng)帶動縱搖軸擺動,橫搖驅(qū)動系統(tǒng)帶動橫搖軸擺動。詳細(xì)傳動結(jié)構(gòu)見圖2.7
圖 2.2 攝像穩(wěn)定平臺傳動示意圖
2.3.1 車載攝像穩(wěn)定平臺俯仰驅(qū)動系統(tǒng)
車載攝像穩(wěn)定平臺俯仰驅(qū)動系統(tǒng)由原來的扇齒輪傳動機(jī)構(gòu)改為滾珠絲杠機(jī)構(gòu)。滾珠絲杠機(jī)構(gòu)又稱為滾動螺旋機(jī)構(gòu),是一種可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動,又可以將直線運(yùn)動變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。它具有速比大、體積小、重量輕、摩擦損耗小、傳動精度高等特點(diǎn)。相比以往扇齒輪傳動機(jī)構(gòu),選擇滾珠絲杠機(jī)構(gòu)作為傳動機(jī)構(gòu)是比較臺理的,它具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1) 因為攝像機(jī)重量大,雖然俯仰軸基本安裝在攝像機(jī)的型心位置,但在運(yùn)動過程中,慣性較大,同時攝像機(jī)的焦距大,俯仰角度變化要求小,所以要求傳動功率大,速比大。而滾珠絲杠副的導(dǎo)程小,降速比大,如要得到相同的牽引力.所需的扭矩與扇齒輪傳動相比較要小。
(2) 滾珠絲杠機(jī)構(gòu)體積小、重量輕,有利于減輕整個穩(wěn)定平臺的重量及縱、橫電機(jī)的輸出扭矩;而且絲杠機(jī)構(gòu)本身就具備限位和緩沖功能。
(3) 滾珠絲杠機(jī)構(gòu)的精度高,有利于提高整個平臺的精度。由于攝像機(jī)俯仰范圍小,絲杠的有效行程很短,絲杠軸向間隙可以控制。
(4) 滾珠絲杠機(jī)構(gòu)運(yùn)動平穩(wěn),無顫動,低速運(yùn)行無爬行,傳動效率高,適合小容量伺服電機(jī)。由于攝像機(jī)的配重較好,俯仰軸所考慮的力矩主要是攝像機(jī)迎風(fēng)時的上下形狀不規(guī)則所產(chǎn)生的風(fēng)力矩,加上其他因素,俯仰軸所需的輸出力矩為25 Nm。俯仰電機(jī)的輸出扭矩應(yīng)不小于下面公式計算所得:
Ta=Fal/2πη=0.25 Nm(2)式中:Ta為俯仰電機(jī)輸出扭矩;Fa為滾珠絲杠軸
向負(fù)荷;l為滾珠絲杠導(dǎo)程等于0.004;η為正效率為0.9。
2.3.2 攝像穩(wěn)定平臺縱、橫搖驅(qū)動系統(tǒng)
車載攝像穩(wěn)定平臺縱、橫搖驅(qū)動系統(tǒng)是整個平臺的關(guān)鍵所在,它直接影響到平臺的穩(wěn)定精度。因此我們采用了直流力矩電機(jī)、測速機(jī)直接驅(qū)動的方式。在圖 2.7中,平臺上部由X和Y軸的2個搖擺環(huán)(縱搖、橫搖)組成一個平面,這2個搖擺環(huán)均為高精度隨動系統(tǒng),能快速準(zhǔn)確地消除船體搖擺,使攝像機(jī)始終保持水平。
3 制定車載慣導(dǎo)平臺材料的選擇和確定尺寸
3 制定車載慣導(dǎo)平臺材料的選擇和確定尺寸
3.1 整體材料的的選擇
車載慣導(dǎo)平臺要求具有較高強(qiáng)度，耐磨性，耐熱性及減振性，由于承受較大應(yīng)力和要求耐磨零件，以及經(jīng)濟(jì)適用性，所以選其材料為HT200，該材料為灰鑄鐵。
3.2 制定整體尺寸
圖 3.1 車載慣導(dǎo)平臺的整體尺寸公差
畢業(yè)設(shè)計（論文）
3.2.1 各個零件尺寸的確定
圖 3.2 平臺底座基本尺寸
圖 3.3 平臺支撐架基本尺寸
圖 3.4 平臺外框基本尺寸
圖3.5 內(nèi)框基本尺寸
4 計算車在平臺慣性力矩和功率
4 計算車在平臺慣性力矩和功率
4.1 電機(jī)的作用
執(zhí)行元件影響著被控對象的運(yùn)動狀況與系統(tǒng)精度。通常選用電機(jī)作為穩(wěn)定平臺伺服控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件。目前使用的電機(jī)有:直流伺服電動機(jī)、交流伺服電動機(jī)、步進(jìn)電機(jī)以及直流力矩電機(jī)等。根據(jù)平臺穩(wěn)定系統(tǒng)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的工作要求，選用直流力矩電機(jī)作為穩(wěn)定平臺伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件。
4.2 由慣性力矩來確定電機(jī)的功率
4.2.1 電機(jī)種類
（1） 按工作電源種類工作電源種類工作電源種類工作電源種類劃分可分為直流電機(jī)直流電機(jī)直流電機(jī)直流電機(jī)和交流電機(jī)交流電機(jī)交流電機(jī)交流電機(jī)。
（2） 按結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理劃分可分為直流電機(jī)直流電機(jī)直流電機(jī)直流電機(jī)、異步電機(jī)異步電機(jī)異步電機(jī)異步電機(jī)、同步電機(jī)同步電.
（3） 按起動與運(yùn)行方式起動與運(yùn)行方式起動與運(yùn)行方式起動與運(yùn)行方式劃分電容起動式單相異步電機(jī)電容起動式單相異步電機(jī)電容起動式單相異步電機(jī)電容起動式單相異步電機(jī)、電容運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電機(jī)電容運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電機(jī)電容運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電機(jī)電容運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電機(jī)、電容起動運(yùn)電容起動運(yùn)電容起動運(yùn)電容起動運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電機(jī)轉(zhuǎn)式單相異步電機(jī)轉(zhuǎn)式單相異步電機(jī) 轉(zhuǎn)式單相異步電機(jī)和分相式單相異步電機(jī)分相式單相異步電機(jī)分相式單相異步電機(jī)分相式單相異步電機(jī)。
（4） 按用途用途用途用途劃分驅(qū)動用電機(jī)驅(qū)動用電機(jī)驅(qū)動用電機(jī)驅(qū)動用電機(jī)和控制用電機(jī)控。
（5）按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)劃分籠型感應(yīng)電機(jī)籠型感應(yīng)電機(jī)籠型感應(yīng)電機(jī)籠型感應(yīng)電機(jī)舊標(biāo)準(zhǔn)稱為鼠籠型異步電機(jī)鼠籠型異步電機(jī)鼠籠型異步電機(jī)鼠籠型異步電機(jī)和繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)繞線轉(zhuǎn)
畢業(yè)設(shè)計（論文）
子感應(yīng)電機(jī)繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)舊標(biāo)準(zhǔn)稱為繞線型異步電機(jī)繞線型異步電機(jī)繞線型異步電機(jī)繞線型異步電機(jī)。
（6） 按運(yùn)轉(zhuǎn)速度運(yùn)轉(zhuǎn)速度運(yùn)轉(zhuǎn)速度運(yùn)轉(zhuǎn)速度劃分高速電動機(jī)高速電動機(jī)高速電動機(jī)高速電動機(jī)、低速電動機(jī)低速電動機(jī)低速電動機(jī)低速電動機(jī)、恒速電動機(jī)恒速電動機(jī)恒速電動機(jī)恒速電動機(jī)、調(diào)速電動機(jī)調(diào)速電動機(jī)調(diào)速電動機(jī)調(diào)速電動機(jī)。
4.2.2 功率的計算
內(nèi)外框的質(zhì)量分別是0.8kg、1kg。所以有公式可得 G = mg （4.1）
內(nèi)框重量 G1 = 0.8*9.8 = 7.84 N （4.2）
外框重量 G2 = 1*9.8 = 9.8 N （4.3）
已知各摩擦系數(shù)μ= 0.36 則可得其內(nèi)外框的力為 f1 = 2.8224 N
外框力為 f2 = 3.528 N
由公式 = FV就可以計算功率太小，所以選擇最小的步進(jìn)電機(jī)足以滿足其設(shè)計要求，即選擇步進(jìn)電機(jī)型號為：
表 4.1
電機(jī)型號
步距角
機(jī)身長
相電壓
相電流
相電阻
相電感
靜力矩
定位
力矩
轉(zhuǎn)動慣量
引線數(shù)
57BYGH7610
1.8
76mm
8.6v
1.0A
8.6Ω
18mH
2N.M
6N.cm
480
6
結(jié)論
結(jié) 論
機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計是我們在學(xué)完了大學(xué)的全部基礎(chǔ)課，專業(yè)基礎(chǔ)課以及專業(yè)課后進(jìn)行的。這是進(jìn)行了生產(chǎn)實(shí)習(xí)之后的一項重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，也是在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計之前對所學(xué)的各科課程一次深入的綜合性總復(fù)習(xí)，和一次理論聯(lián)系實(shí)際的訓(xùn)練。因此，它在我們的大學(xué)四年生活中占有重要的地位。
就我個人而言，我希望通過這次畢業(yè)設(shè)計對自己未來將從事的工作進(jìn)一步適應(yīng)性的訓(xùn)練，希望自己在設(shè)計中能鍛煉自己的分析問題、解決問題、查資料的能力 ，為以后的工作打下良好的基礎(chǔ)。
這次畢業(yè)設(shè)計綜合運(yùn)用完美以前學(xué)習(xí)過的專業(yè)知識，聯(lián)系實(shí)際生產(chǎn)過程中所學(xué)習(xí)到的知識，獨(dú)立分析問題，解決問題；根據(jù)技術(shù)參數(shù)及相關(guān)要求，對一些基本的機(jī)械結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計，完成設(shè)計方案，達(dá)到預(yù)期的目的；同時也是一次熟悉和查閱相關(guān)手冊、圖標(biāo)、文獻(xiàn)的機(jī)會，以及設(shè)計、計算、交合的系統(tǒng)化的演練。
由于能力有限、時間有限，設(shè)計尚有很多不足之處，希望各位老師給予指導(dǎo)。
參考文獻(xiàn)
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致謝
致 謝
本論文的所有研究工作從論文的選題、實(shí)現(xiàn)條件到論文的寫作等階段都是在賈導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下完成的。賈老師以其嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風(fēng)和大膽創(chuàng)新的進(jìn)取精神對我產(chǎn)生重要影響。他淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。賈老師經(jīng)常到寢室來悉心指導(dǎo)我的學(xué)習(xí)，在我設(shè)計遇到難題時，是他給了我信心，使我能夠順利地完成畢業(yè)設(shè)計。在此謹(jǐn)向賈老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。
感謝我的同班同學(xué)們，從遙遠(yuǎn)的家來到這個陌生的城市里，是你們和我共同維系著彼此之間兄弟般的感情，維系著寢室那份家的融洽。四年了，仿佛就在昨天。也祝愿離開學(xué)校的兄弟們開開心心，我們在一起的日子，我會記一輩子的。
在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的老師、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們!
畢業(yè)設(shè)計（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明
畢業(yè)設(shè)計（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明
秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)與優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文）是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計（論文）中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的成果，不包含他人已申請學(xué)位或其他用途使用過的成果。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了致謝。
畢業(yè)設(shè)計（論文）與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。
畢業(yè)設(shè)計（論文）作者簽名：
指導(dǎo)教師簽名：
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