光电稳定跟踪装置误差建模与评价问题研究

论文摘要

光电稳定跟踪装置是现代精确制导、火控武器装备的重要组成部分,随着精确打击作战方式的不断发展,对该类装置的高精度设计提出了更高的要求。装置是光机电技术结合的产物,其性能受到光学、机械和控制技术等多方面因素的影响,深入分析设计、制造和伺服控制等误差的影响机理,研究误差的测量与评价方法,对于提高装置精度具有重要意义。本文围绕着如何合理评价装置性能这一主题,在对装置进行运动学、动力学机理分析的基础上,针对影响装置精度的各项误差源,开展了误差建模及各项误差作用规律的研究,对装置误差的定量评价、几何误差的分配以及测试等问题也做了深入的分析和探讨。本文的研究工作包含以下几个部分:1.分析了装置基本工作原理和系统组成,采用空间机构运动学理论,研究了两轴、三环两轴、三轴等多轴多环架结构形式的稳定跟踪机理,深入分析几种结构形式的特点以及适用的载体和目标环境,为合理选择结构类型和建立几何误差模型奠定了基础。2.应用牛顿力学理论,以两轴稳定结构为例,分析了在载体振动环境中装置各种干扰力矩的来源与耦合方式,推导了惯量耦合力矩、偏心力矩等的具体作用模型,采用数学模型并结合仿真研究了被动隔振器与装置结构的动力学特性,为分析干扰力矩的影响、设计高精度控制器提供了依据。3.分析了影响装置稳定跟踪精度的主要误差来源,应用框图形式说明了它们的作用途径;采用光学成像质量评定方法,定量的分析了不同振动形式对光电探测器的性能影响。结合稳定跟踪机构的设计指标,提出了装置性能综合评价的具体方法。4.基于多体系统运动学误差建模理论,分析了机构几何误差的组成,建立了基于几何误差的机构指向误差和定位误差模型,并研究了其概率分布特征,为装置总体性能评价提供了理论模型;对陀螺安装和机构垂直度误差造成的陀螺敏感误差进行了运动学分析,利用仿真手段说明了各项误差与载体运动的耦合关系,对陀螺安装和误差测试有指导作用。5.根据误差项的随机性特点,提出了基于统计理论和Monte Carlo方法的误差综合和分配方法;通过误差敏感度概念的构建,研究了几何误差的合成与分配问题,并给出了某实际装置的稳定误差分析评价的具体实例。6.分析了几何误差测试的运动学原理,设计、分析和比较了多种测试方案,提出了几何误差分离和补偿的方法,对某装置进行的误差测试进一步验证了方法的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略词
• 本文常用符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究的背景和意义
• 1.2 光电稳定跟踪技术的发展现状
• 1.2.1 光电稳定跟踪装置的发展概况
• 1.2.2 国内外光电稳定跟踪技术的研究现状
• 1.3 光电稳定跟踪装置误差分析、检测与补偿技术的发展现状
• 1.3.1 装置误差建模与评价技术的研究现状
• 1.3.2 装置误差检测与补偿技术的研究现状
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第二章 光电稳定跟踪装置的运动学机理研究
• 2.1 引言
• 2.2 装置的工作原理与系统组成
• 2.2.1 装置实现主动稳定的两种工作方式
• 2.2.2 装置实现跟踪的工作原理
• 2.2.3 装置的基本组成
• 2.3 装置的坐标系建立与运动学理论
• 2.3.1 坐标系的建立
• 2.3.2 基本运动学理论
• 2.4 多轴多环架机构的运动学分析
• 2.4.1 两轴机构的运动学分析
• 2.4.2 三轴机构的运动学分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 光电稳定跟踪装置的动力学机理研究
• 3.1 引言
• 3.2 稳定跟踪结构的刚体动力学建模
• 3.2.1 欧拉动力学方程
• 3.2.2 两轴结构的刚体动力学建模
• 3.3 主要干扰力矩的影响分析
• 3.3.1 摩擦耦合力矩
• 3.3.2 结构偏心导致的干扰力矩
• 3.4 装置结构与隔振器的弹性动力学特性分析
• 3.4.1 载体环境分析
• 3.4.2 稳定跟踪结构的动力学特性分析
• 3.4.3 被动隔振器与结构的动力学特性分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 装置误差成因分析及总体评价方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 稳定跟踪误差的形成机理
• 4.2.1 关于稳定和跟踪误差
• 4.2.2 装置的误差来源分析
• 4.2.3 各项误差的特性及其作用方式分析
• 4.3 光电成像探测器的性能评价问题
• 4.3.1 光学系统成像质量的评价方法
• 4.3.2 干扰运动对光学成像质量的影响
• 4.4 光电稳定跟踪装置的综合性能评价方法
• 4.4.1 稳定控制系统的设计指标
• 4.4.2 装置性能的综合评价步骤
• 4.5 本章小结
• 第五章 装置的几何误差建模与分析
• 5.1 引言
• 5.2 基于多体系统运动学理论的几何误差建模
• 5.2.1 多体系统运动学理论以及误差建模方法
• 5.2.2 几何误差项分析
• 5.3 两轴稳定跟踪机构的几何误差建模与分析
• 5.3.1 基于几何误差的指向误差涵义
• 5.3.2 指向误差建模
• 5.3.3 指向误差的概率模型
• 5.4 三轴稳定跟踪机构的几何误差建模与分析
• 5.4.1 基于几何误差的指向误差和定位误差涵义
• 5.4.2 指向误差和定位误差建模
• 5.4.3 指向和定位误差的概率模型
• 5.5 陀螺安装误差对陀螺敏感误差的影响
• 5.5.1 直接式稳定系统中的陀螺安装误差分析
• 5.5.2 捷联式稳定系统中的陀螺安装误差分析
• 5.6 机构垂直度误差对陀螺敏感误差的影响
• 5.6.1 垂直度误差对陀螺敏感量的运动学影响
• 5.6.2 对垂直度误差影响的仿真分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 装置几何误差的综合与分配问题研究
• 6.1 引言
• 6.2 装置误差综合与分配的基本理论
• 6.2.1 基于统计理论的误差综合和分配方法
• 6.2.2 Monte Carlo方法
• 6.2.3 装置误差综合与分配的具体步骤
• 6.3 几何误差的分析与分配研究
• 6.3.1 关于公差分析与分配
• 6.3.2 公差分析的概率计算
• 6.3.3 几何误差敏感度
• 6.3.4 公差控制的工艺方法
• 6.4 装置误差评价分析的具体实例
• 6.5 本章小结
• 第七章 装置几何误差的检测与补偿技术研究
• 7.1 引言
• 7.2 几何误差的测试原理
• 7.3 测试方案的设计与分析
• 7.3.1 角位置工作模式测量
• 7.3.2 角速率工作模式测量
• 7.3.3 跟踪工作模式测量
• 7.4 几何误差的分离与补偿问题
• 7.5 测试实例分析
• 7.6 本章小结
• 第八章 结束语
• 8.1 全文总结
• 8.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 1. 学术论文
• 2. 科研项目
• 附录 光电成像光学系统的基本参数