车载惯导平台设计.docx

1、车载惯导平台设计车载惯导平台设计 摘 要 车载惯导平台是指车辆在道路上行驶时，路面的颠簸将会引起车辆发生俯仰、侧倾和横摆运动，。这些角运动的大小与车辆行驶速度和路面不平度具有密切关系。由于车辆行驶路况的种类很多，而且车速变化范围也很大，若将环境识别传感器直接安装于车体之上，则传感器的标定就必须随着车辆行驶路况的随机变化而实时改变。只有在传感器做出正确的标定之后，才能获取正确的车辆行驶环境信息。 关键词：平台的设计 初始对准Onboard inertial navigation platform designAbstract Onboard inertial navigation platfor

2、m 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

3、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 envi

4、ronment.Key Words:The design of the platform;Initial alignment 目 录 1 绪 论 11.2. 惯性导航的基础知识 31.2.1地球形状及重力特性 31.2.2地球的自转和角速度 41.2.3 导航用坐标系 41.3 捷联式和平台式惯导系统的主要区别 51.4.1 初始对准的分类 71.4.2 初始对准的要求 71.4.3 干扰观测与补偿 71.4.4 质量恢复控制 81.5 车载惯导平台的概述 91.5.1 摄像稳定平台的结构特点 112 车载惯导平台的整体形状及分析 122.1 车载惯导平台的整体形状 122.1.1 稳定平台的

5、性能要求 122.1.2 验证是否满足所设计的要求 132.1.3 稳定平台稳像原理 132.2 车载惯导平台方位驱动系统 132.3 舰载摄像稳定平台的传动方式 142.3.1车载摄像稳定平台俯仰驱动系统 142.3.2 摄像稳定平台纵、横摇驱动系统 153 制定车载惯导平台材料的选择和确定尺寸 163.1 整体材料的的选择 163.2 制定整体尺寸 163.2.1 各个零件尺寸的确定 174 计算车在平台惯性力矩和功率 214.1 电机的作用 214.2 由惯性力矩来确定电机的功率 214.2.1 电机种类 214.2.2 功率的计算 22结 论 23参考文献 24致 谢 25毕业设计（论

6、文）知识产权声明 26毕业设计（论文）独创性声明 271 绪 论 进入21世纪，随着科学技本的迅猛发展，传统的制造技术已进入现代制造技术的新阶段。为保证和增强车载武器系统的快速机动性,现代先进的陆地作战车辆,如自行火炮、远程火箭炮、前线侦察车、射击指挥车、导弹发射车等,一般均配备有惯性定位定向系统。车载惯性定位定向系统的技术性能和可靠性与陆地作战车辆的战斗力和快速反应能力有着极为密切的关系。定位定向系统不仅要有较高的精度指标,还必须具备较高的工作可靠性,才能保证产品在恶劣的车载环境条件下全寿命可靠地工作。某型号车载惯性定位定向系统是专门为陆地作战车辆设计的一种导航及姿态参考系统,可为载体快速提

7、供高精度的北向方位和姿态基准,并实时进行定位导航,引导车辆行驶。该系统由双轴陀螺平台、导航计算机、电子控制线路、里程计等部件组成,各部件之间的可靠性逻辑关系为串联形式。惯导平台是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息的测量平台。经过多年的发展，惯导平台也有各种结构形式，其中适合车载的惯导平台一直是研究是热点。本课题为智能车科研项目的一部分，以设计出测量智能车姿态的惯性导航平台为目的，为控制其姿态的研究工作打下基础。惯性导航系统（简称惯导系统）为一种利用加速度计测得的运载体的运动加速

8、度、经过运算求出运载体即时位置的导航设备。惯性导航是二十世纪初才发展起来的一种导航方法。导航的本意就是引导航行的意思，所以导航就是引导运载体在预定的时间内，按照计划的航线，由起始地点航行到目的地。惯导系统的优点是不受外界干扰，隐蔽性好，能实时提供运载体的三维姿态参数，这些参数都是舰艇与飞机上观测系统和火控系统所必需的。惯导系统由于具有上述一系列优点而受到海陆空军，航天和交通运输等部门的青睐和重视。目前，它已广泛应用于潜艇、水面舰艇、军用飞机、战略导弹与战术导弹、战车和人造卫星等领域。惯导系统的性能不断提高，结构类型日新月异。我们根据系统中有无机电式实体平台分为平台式和捷联式惯导系统。捷联式惯导

9、系统与平台式惯导系统的区别，在于前者没有实体的稳定平台，而代之以导航计算机产生的数学平台，陀螺仪和加速度计直接与运载体固联。惯导系统的性能不断提高，结构类型日新月异。我们根据系统中有无机电式实体平台分为平台式和捷联式惯导系统。捷联式惯导系统与平台式惯导系统的区别，在于前者没有实体的稳定平台，而代之以导航计算机产生的数学平台，陀螺仪和加速度计直接与运载体固联。导航系统是根据测得的运载体的加速度，经过积分运算求得速度与位置。为此，必须知道初始速度和初始位置。此外，以地理坐标系为导航坐标系的惯导系统中（包括平台式和捷联式），物理平台和数学平台都是测量加速度的基准，而且平台必须准确的对准和跟踪地理坐标

10、系，以避免由平台误差引起的加速度测量误差。初始对准的精度直接关系到惯导系统的工作精度，初始对准的时间是惯导系统的重要战术技术指标。因此，初始对准是惯导系统最重要的关键技术之一。 惯性系统初始对准的目的是在惯导系统进入导航工作状态之前建立起导航坐标系。对平台式惯导系统来说，就是控制平台旋转使之与要求的导航坐标系重合；对捷联式惯导系统来说，就是计算出机体坐标系到导航坐标系的姿态矩阵。初始对准过程中，一般还要求算出陀螺的偏置量，即测漂。机载光电跟瞄平台在飞机火力控制系统、导航系统中有广泛的应用, 它能够在机载环境下迅速捕获、跟踪、瞄准运动目标。由于机载环境下干扰严重, 而跟瞄平台自身的跟踪精度要求又

11、较高, 所以平台的稳定性与跟踪控制方法的优劣直接决定着平台的性能。为了精确的控制平台光学系统的视轴, 使其在隔离扰动的同时准确跟踪运动目标, 人们采用了多种控制方法。机载光电跟瞄平台的功能是捕获、跟踪、瞄准飞机所处空域内的目标, 如飞机、车辆、房屋等。平台主要由光电探测器、跟踪伺服平台、电子设备和惯性元件组成。惯性导航系统是一种完全自主式的导航系统,以其不依赖任何外界信息的优势,被应用于越来越多的场合,所以提高系统的导航精度变得日益重要。针对这一问题,实现了惯导平台车载试验的仿真系统,并对惯性导航系统的误差模型参数的辨识方法进行了研究。 介绍了惯性导航系统的工作原理和导航误差方程,建立了惯导平

12、台车载试验仿真系统各仿真模块的数学模型。论文重点完成了惯导平台车载试验仿真系统的设计和实现,在设计上主要实现了以下功能:它可根据用户需求完成外测数据(即载车的航迹)的生成、系统误差设置;提供了导航信息显示功能,可供用户直观地查看导航信息的变化情况。在实现过程中,为了提高软件的开发效率,在分析比较了几种Matlab与VC+之间混合编程方法的优缺点之后,该仿真平台决定采用Matcom来实现Matlab之间的混合编程。在利用车载试验对惯性导航误差模型辨识时,首先建立了惯性导航系统的误差模型,然后用传统的经典最小二乘方法对误差模型参数进行了辨识,辨识效果不好,经分析原因是系统存在严重的复共线性。因此采

13、用偏最小二乘方法对误差模型参数进行辨识,得到更高的辨识精度。 惯导平台车载试验的仿真系统实现了分析平台系统误差及外测信号精度对导航精度影响的目的,可以直观地看出导航信息的实时变化。此仿真系统可供从事惯性导航系统研究、设计的工程技术人员使用,也可以供相关专业人员作学习仿真使用。1.1 本文研究的背景和目的 为加速度计提供一个准确的安装基准和测量基准，以保证不管载体姿态发生多大变化，平台相对于惯性参考坐标系的方向始终保持不变，即三个加速度计的空间指向是不变的。例如，某些飞机上的惯导系统要求这个稳定平台在方位上要对正北向，在平面上要和当地水平面平行，使平台的三个轴正好指向东、北、西三个方向。能够实现

14、这一要求的，只有陀螺仪，所以也叫陀螺稳定平台。陀螺也就成为稳定平台和惯性导航系统的核心部件。正因为有了这样一个基准平台，飞机相对该平台在方位上的偏角反映了航向，飞机相对该平台在水平两个轴向上的偏角反映了俯仰和倾斜（横滚）。所以稳定平台代替了地平仪、罗盘或航向姿态系统的功能1.2. 惯性导航的基础知识1.2.1地球形状及重力特性 地球表面有山脉河流陆地海洋，形成了高低起伏形状复杂的不同规则的物理实体，为了导航定位的需要，把地球近似为一个能用简单数学公式描述的几何球体。第二近似是把地球视为旋转椭球，如图 1.1所示。 图 1.1 近似的地球数理模型 （1.1） 式中 a-为长短轴，在赤道平面内；

15、b-短半轴，与地球自转重合。 旋转的椭球的扁率为 = （1.2） 已知其参数：长半轴 a = 6378.206km 短半轴 b = 6356.586km 椭球度 =1/2951.2.2地球的自转和角速度 在惯性空间，地球绕本身的地轴自转，并绕太阳作公转。地球公转一周为一年，需365 天，实际上地球相对恒星转动了366 次，因此地球在24 小时内相对恒星自转了1,00274 周。太阳在惯性空间不是恒定不变，但它的旋转影响可以忽略不计。地球的自转的角速度为 w = 7.2921158x10*-5rad/s1.2.3 导航用坐标系 宇宙间任何物体的运动都是相对的，因此运载体的运动和导航定位，均需研究

16、它们相对坐标系的运动与位置。在惯性导航中常用的坐标系由下列7种： (1) 地心惯性坐标系（简称i系）坐标系原点为O,设在地球的中心，X i轴和Yi 轴在地球赤道平面内。Xi轴指向春分点，Zi轴指向地球极轴。春分点为天文测量中确定恒星时的起点。由此构成的右手直角坐标系OXYZ即为地心惯性坐标系。 (2) 地球坐标系（简称e系）坐标系的原点取在地球中心，与地球固联，Ze轴指向地球极轴,Xe轴和Ye轴位于赤道平面，且Xe轴通过零子午线。由此构成的右手直角坐标系OXYZ即为地球坐标系。 (3) 地理坐标系（简称g 系）坐标系的原点取在运载体重心。 Yg轴指向东，即E；Yg轴指向北，即N；Zg轴指向地，

17、即D。此时的地理坐标系常表示为右手直角坐标系OEND，即东北地坐标系。有时采用ONEZ坐标系，即北东天坐标系，Zg轴指向天顶。本篇论文除特别说明外，均采用OEND坐标系。 (4) 运载体坐标系（简称b系）坐标系的原点取在运载体重心，并与运载体固联。Yb轴指向运载体的纵轴方向；Zb轴指向运载体的竖轴方向，由此构成的右手直角坐标系为运载体坐标系，可简称为载体坐标系。运载体为舰艇时,b系即为舰艇坐标系。 (5) 平台坐标系（简称p系）与惯导系统中的物理平台（平台式系统）或数学平台(捷联式系统)固联的右手直角坐标系 OXYZ称为平台坐标系. (6) 导航坐标系（简称t 系）导航坐标系为惯导系统在求解导

18、航参数时所采用的坐标系。对平台式惯导系统来说，理想的平台坐标系就是导航坐标系。指北半解析式惯导系统中平台的理想指向为地理坐标系，则该系统中的导航坐标系即采用地理坐标系。对捷联式惯导系统来说，导航参数并不一定在运载体坐标系内求解，可将加速度计的信号分解到某个求解导航参数较方便的坐标系内进行计算. (7) 计算坐标系（简称c 系）此种坐标系是为了便于研究惯导系统而人为引进的一种虚拟坐标系，是以计算所得的经纬度（c,Lc）为原点O建立起来的地理坐标系OXYZc，它与运载体实际位置O点上建立的地理坐标系OXYZg不一致。两个坐标系之间的夹角为惯导系统的定位误差。平台坐标系OXYZp相对于地理坐标系 O

19、XYZg的夹角为平台的姿态角。平台坐标系OXYZp 相对于计算坐标系 OXYZc的夹角称为 。1.3 捷联式和平台式惯导系统的主要区别 从结构上来说，捷联式和平台式惯导系统的主要区别是前者没有实体导航平台，而后者有实体导航平台。在平台式惯导系统中，导航平台的主要功能是模拟导航坐标系，把导航加速度计的测量轴稳定在导航坐标系轴向，使其能直接测量载体在导航坐标系轴向的加速度，并且可以用几何的方法，从平台的框架轴上直接拾取载体的姿态和航向信息。而捷联式惯性导航系统则不用实体导航平台，把加速度计和陀螺直接安装在载体机体上，在计算机中实时的计算姿态矩阵，通过姿态矩阵把导航加速度计测量的载体沿机体坐标系轴向

20、的加速度信息变换到导航坐标系，然后进行导航计算。同时从姿态矩阵的元素中提取姿态和航向的信息。由此可见，在捷联式惯导中，是用计算机来完成导航平台的功用。所以有时也说捷联式惯导系统是采用“数学导航平台”。除此之外，其它导航计算则是基本相同的。 图 1.2 平台式惯导系统原理 图1.2是平台式导航系统的原理示意图，导航加速度计和陀螺都安装在导航平台上，加速度计输出的信息，送到导航计算机，导航计算机除计算飞行器位置、速度等导航信息外，还要计算对陀螺的施矩信息。陀螺在施矩信息作用下，通过平台稳定回路控制平台跟踪导航坐标系在惯导空间的角运动。而飞行器的姿态和方位信息，则从平台的框架轴上直接测量得到。 图

21、1.3是捷联式惯导系统的原理示意图。导航加速度计和陀螺直接安装在载体上，用陀螺测量的角速度信息减去计算的导航坐标系相对惯性空间的角速度，则得到机体坐标系相对导航坐标系的角速度，利用这个信息进行姿态矩阵的计算。有了姿态矩阵，就可以把机体坐标系轴向的加速度变换到导航坐标系轴向，然后进行导航计算。同时利用姿态矩阵的元素，提取姿态和航向信息。所以，姿态矩阵的计算、加速度信息的坐标变换、姿态航向角的计算。这三项功能实际上代替了导航平台的功能，因此，计算机的这三项功能也就是所谓的“数学平台”。而计算的导航坐标系的角速度信息则相当于导航平台上的陀螺施矩信息。 图 1.3 捷联式惯导系统原理1.4 惯导系统的

22、初始对准1.4.1 初始对准的分类 (1) 按对准的阶段来分惯导系统的初始对准一般分为两个阶段：第一个阶段为粗对准，对平台进行水平与方位粗调，要求尽快地将平台对准在一定精度范围内，为后继的对准提供基础，所以要求速度快，精度可以低一些。第二阶段为精对准，是在粗对准的基础上进行，要求在保证对准精度的前提下尽量快。 (2) 按对准的轴系来分取地理坐标系为导航坐标系的情况下，初始对准可分为水平对准和方位对准。在平台式惯导系统中，物理平台通常先进行水平对准，然后进行平台的水平与方位对准。捷联式惯导系统中的数学平台，一般情况下水平对准与方位对准是同时进行的。 (3) 按基座的运动状态来分按照安装惯导系统所

23、在基座的运动状态可分为静基座对准和动基座对准。动基座对准通常是在载体运动状态下进行的。 (4) 按对准时对外信息的需求来分惯导系统只依靠重力矢量和地球速率矢量通过解析方法实现的初始对准称为自主式对准，此时不需要其它外部信息，自主性强、但精度不高。非自主式对准可通过机电和光学方法将外部参考坐标系引入系统，使平台对准至导航坐标系。在捷联式惯性系统的粗对准阶段，可引入主惯导系统的航向信息，迅速将数学平台对准导航坐标系，减少初始失调角。在精对准阶段，可采用受控对准方法，利用其它导航设备（如GPS、记程仪等）提供的信息（如位置和速度等）作为观测信息，通过卡尔曼滤波实现精对准。1.4.2 初始对准的要求惯

24、导系统不论用于运载体导航和武器弹药中的制导，还是用于观测系统与火控系统的航向姿态基准，均要求初始对准保证必需的准确性与快速性。用于舰船与飞机的惯导系统，对准时间可略长些，如装备民航飞机用的惯导系统的对准时间容许为1520分钟。平台式惯导系统的水平对准精度达到10以内，方位对准精度达25以内。用于舰炮武器系统的捷联式航姿系统，基于对其快速反应的要求，静基座对准时间要求在10分钟左右，动基座对准时间要求在20分钟左右。为了达到初始对准精而快的要求，陀螺仪与加速度计必须具有足够高的精度和稳定性，系统的鲁棒性要好，对外界的干扰不敏感。1.4.3 干扰观测与补偿 抑制干扰是稳定回路的主要任务。如果干扰量

25、可测, 就能通过前馈补偿的方式来抑制, 但光电跟瞄平台的干扰输入一般无法直接测量。可以采用基于状态空间的干扰观测器观测扰动并进行前馈补偿, 具体方法是对干扰信号的模型进行合理假设, 将干扰作为系统的增广状态变量, 把干扰模型加入到原系统中构成增广系统,用常规的极点配置设计方法设计状态观测器和状态反馈控制器, 从而同时实现干扰补偿和跟踪控制。采用此方法设计了跟瞄平台稳定控制回路, 经仿真验证, 稳态跟踪误差从011 mrad 降至0104 mrad。以上方法在进行模型假设时,将干扰看作确定性信号,而实际跟瞄平台所受的干扰很复杂,只能获得它的随机统计模型,因此上述方法具有一定局限, 特别是当扰动发

26、生变化时抗扰性能会降低。1.4.4 质量恢复控制 质量恢复技术的提出是为了解决光学元件跟踪结构的干扰抑制问题。图1.4控制回路中的扰动主要是飞机的姿态运动、高频振动通过摩擦耦合与几何耦合产生的力矩扰动, 它的频带较宽, 是引起跟踪误差的主要因素。为了抑制粗、精跟踪回路中的高频力矩干扰,常规的设计思想是, 用精跟踪回路对粗跟踪回路的跟踪误差进行前馈补偿,通过提高精跟踪回路的带宽, 实现对宽带干扰的主动抑制。由于精跟踪回路的带宽受到惯性反馈元件的带宽限制无法提得很高, 所以惯性元件带宽以外的干扰无法抑制。质量恢复控制的设计思想与常规相反: 首先断开精跟踪回路的参考输入, 使图1.4 中的K =0,

27、同时通过设计反射镜光路使 = 1 ,此时精跟踪回路仅仅起随动粗跟踪回路的作用, 通过尽量降低精跟踪回路的带宽, 可以有效的滤除粗跟踪回路输出信号中由于扰动产生的高频噪声,这种类似低通滤波的干扰抑制方法不受惯性反馈元件的带宽限制, 能获得很高的稳定精度。使用此方法的前提是跟踪指令具有低频特性(53 Hz) , 适用于跟踪指令频带较窄而干扰严重的机载跟瞄平台。德州仪器公司生产的图像稳定平台和西安应用光学研究所设计的光电跟瞄系统原理样机都采用了这种设计思想。 图 1.4 质量恢复的控制原理图1.4.5 捷联式与平台式惯导系统初始对准的区别 在平台式惯导系统中，平台的误差方程是研究初始对准的基础。平台

28、误差方程描述了平台系相对地理坐标系的误差变化率与系统误差源之间的关系。平台式惯导系统是利用加速度计输出信息作为对准修正信息。对准的本质是将重力加速度的方向作为水平对准的基准，其对准精度主要取决于两个加速度计的精度。作为方向对准的罗经准则是利用了罗经效应，其本质则是将地球角速率向量的方向（北向分量）作为方位对准的基准，其对准精度主要取决于东向陀螺漂移。捷联式惯导系统的初始对准的基础是数学平台的误差方程。对准的修正信息，除了加速度计的输出信息外，还利用了陀螺仪的输出信息。其水平对准精度同样取决于加速度计的测量精度；方位对准精度取决于等效东向陀螺漂移。因此，为了提高捷联式惯导系统的初始对准精度，有必

29、要建立惯性器件的误差方程，并对其误差补偿，为提高初始对准精度提供必要的条件。平台式惯导系统的初始对准是由惯性器件输出的信息，经计算机中的对准程序处理产生控制信号，施矩于陀螺仪，从而迫使平台在陀螺的控制下自动趋向于地理系。而捷联式惯导系统的初始对准，则是由惯性敏感元件的输出信息，经过计算机的实时运算（按对准程序），不断的将数学平台变换到能精确的描述理想载体系到地理系（导航系）的方向余弦矩阵。这两种惯导系统初始对准的主要区别在于惯性器件安装的环境不同，捷联式惯导系统的初始对准精度受载体的干扰运动的影响比较严重，因此，滤波技术的应用比平台式惯导系统显得重要。1.5 车载惯导平台的概述 摄像稳定平台的

30、结构通常由方位转台、双轴稳定框架及俯仰叉架组成。它安装在汽车的顶部。由于汽车顶部的摄像机受道路路况的干扰而产生纵、横摇及上下坡，侧倾运动,使方位水平基准不断地发生变化,摄像机受道路的影响而不稳定,常使被摄像目标丢失,所以摄像机必须架设在稳定平台上,通过稳定平台的纵摇和横摇驱动系统补偿汽车的摇摆运动,使摄像机保持水平状态,另外通过方位及俯仰的人为控制实现对被摄目标的捕捉。1.5.1 稳定平台的种类稳定平台有多种结构型式:按转轴的数目可以分为一轴、二轴、三轴、四轴。一般来讲搜索、引导雷达在垂直方向上波瓣较宽或者垂直方向是电扫描的,只要求天线在方位上转动,就能覆盖预定的空间;卫星通信地球站和射电望远

31、镜,通常采用圆抛物面天线,波束窄,必须使天线在方位和俯仰上同时转动才能扫掠整个空域;雷达为了补偿汽车纵、横摇摆影响,常采用三轴或四轴的天线座见图1.5。 图 1.5 天线座结构图纵横摇框架、摄像机俯仰叉架组成见图1.6。 图 1.6 摄像稳定平台结构图基座安装于汽车顶部,横摇轴与舰首尾线平行。图1.5中,基座安装于汽车上;纵、横摇框架架设在方位旋转叉架上;纵、横摇框架由X和Y轴的两个摇摆环组成一个平面,这两个摇摆环均为高精度随动系统,能快速准确地消除汽车摇摆,使摄像机始终保持水平。摄像机安装在俯仰叉架上并悬挂于纵/横摇框架下,通过方位及俯仰驱动,实现对目标的跟踪摄像。1.5.2 摄像稳定平台的结构特点 因摄像机的尺寸较大,迎风面积大,重量重,如按传统的设计思想,将方位俯仰轴置于X轴Y轴摇摆环之上,会带来稳定平台输出功率大、重心高、附加配重等现象,使得整个稳定平台的重量无法满足总体指标的要求;同时,由于摄像机受其他负荷的扰动较大,摄像稳定精度较低。因此我们选择了摄像机下置方式。具体特点如下: (1) 不需造价昂贵的方位水平仪提供稳定的基准信号,而是自带陀螺仪置于稳定平台的平面内,这对无方位水平仪的中小汽车极为合适。 (2) 由于采用重力平台,当汽车震动时,平台本身有自回零的能力,因此纵、横摇驱动电机只是克服其重力惯性。由此需要的电机驱动功率将减小,这样纵、横摇有可能采用