具有陀螺定向功能的伺服平臺設計與誤差分析

鄧勁松，魏貴玲 ，王俊杰，樊 雷，朱仕杰，王 斌

(1.中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 40006；2. 成都中電錦江信息產(chǎn)業(yè)有限公司，四川 成都 610051)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)場攻防對抗日益激烈，單一模式的偵察系統(tǒng)受地形和全天候條件的影響無法滿足復雜背景下準確截獲、跟蹤目標的要求。運用雷達、電荷耦合器件 (CCD)可見光和紅外等探測器進行多模復合偵察具有較明顯的優(yōu)勢。雷達作用距離遠，CCD和紅外圖像處理對運動目標跟蹤精度高，多模復合偵察已成為準確獲取情報的最佳手段。

多模偵察系統(tǒng)的承載平臺又稱隨動系統(tǒng)，其工作原理是：多模探測器通過信號處理分辨出移動目標，然后將目標與探測中心點的角度偏差數(shù)據(jù)傳給伺服平臺。平臺控制器進行處理后控制承載平臺轉(zhuǎn)動，使雷達、CCD或紅外攝像機的電軸或光軸瞄準目標，實現(xiàn)同步自動跟蹤。本研究的伺服平臺是跟蹤系統(tǒng)的骨架，其誤差大小直接影響偵察系統(tǒng)的性能。

1 伺服平臺構(gòu)架

1.1 平臺結(jié)構(gòu)組成

傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)由控制機箱和伺服平臺兩部分組成，控制機箱為車內(nèi)設備，伺服平臺為車外設備，它們之間通過電纜連接。本文的伺服平臺安裝在升降桿上，若采用分離架構(gòu)的安裝形式，工作時升降高差跨度大，導致整體性差、電纜長、可靠性低的問題。為了克服這種缺陷，經(jīng)分析和綜合比較，設計一種U型框架整體結(jié)構(gòu)式伺服平臺，平臺方位轉(zhuǎn)動范圍為360°連續(xù)，俯仰角為-10°～90°。根據(jù)平臺承載的雷達、CCD光學儀器的使用情況，伺服平臺由方位和俯仰構(gòu)成雙軸系統(tǒng)，方位軸在U型框架的最下端，其上支承的是俯仰軸，為了降低不平衡力矩，減小驅(qū)動力，設計時將U型框架上的載荷重心盡量設計在轉(zhuǎn)動中心。平臺由方位電機、方位角度傳感器、控制電路、俯仰電機、減速器、俯仰角度傳感器和高精度尋北儀等組成，其結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

圖1 伺服平臺結(jié)構(gòu)布局圖

1.2 陀螺尋北儀

為了提高偵察設備的綜合作戰(zhàn)性能，歐美等發(fā)達國家在各種軍用偵察系統(tǒng)中裝備陀螺定向裝置。我國一直很注重新裝備軍事技術(shù)的發(fā)展,對系統(tǒng)集成技術(shù)提出了更高的要求。90年代，我國自主研制的陀螺尋北定向裝置逐漸全面替代傳統(tǒng)的磁羅盤或光學儀器?；趽闲酝勇莸膶け倍ㄏ蜓b置已大量應用于雷達車、偵察指揮車及發(fā)射車等系統(tǒng)。撓性陀螺的基本原理已有闡述，如在撓性陀螺尋北儀二位置尋北方案中提出，利用陀螺儀敏感在相差180°的兩個方向上的地球自轉(zhuǎn)角速率分量，準確解算出地理真北方向與陀螺軸向的交角，從而實現(xiàn)尋北的方案[1]。該方案采用高精度轉(zhuǎn)位對消了陀螺常值漂移，降低了對陀螺精度的要求。在二位置陀螺尋北儀靜態(tài)誤差分析中[2]，進一步地對尋北儀的靜態(tài)誤差源進行了討論，給出了一種靜態(tài)誤差分析法和誤差模型，得到了較規(guī)律的誤差源，為提高尋北精度奠定了基礎。

隨著光纖陀螺技術(shù)的發(fā)展，光纖陀螺以其壽命長，可靠性高，抗振動沖擊能力強和機動性強(可瞬時啟動，無關(guān)機延時)等顯著優(yōu)點逐漸應用于陀螺尋北儀中。國內(nèi)文獻提出采用四位置法、多位置法和連續(xù)旋轉(zhuǎn)法等開展光纖陀螺尋北儀技術(shù)研究。四位置法尋北原理是在4個方向(相差90°)敏感地球自轉(zhuǎn)角速率分量，通過計算來消除光纖陀螺零偏和漂移趨勢項，解算出光纖陀螺尋北儀基準軸向與北向的夾角，這種尋北方式的可靠性高。本文的光纖陀螺尋北儀為伺服平臺提供高精度的指向信息，伺服平臺采集北向數(shù)據(jù)后，與轉(zhuǎn)動方位角融合得到雷達或CCD的指向信息，再通過上位機將指向角傳輸出去。

2 平臺軸系誤差分配及有限元分析

多模偵察系統(tǒng)的測量誤差有：

1) 雷達、CCD和紅外探測器等載荷本身的測量誤差。

2) 載荷電軸或光軸基準相對于伺服平臺基準零位的安裝誤差。

伺服平臺是雷達或光學載荷主體承載部件的骨架。系統(tǒng)機械軸系誤差與U型框架的結(jié)構(gòu)剛性強度有關(guān)。為了滿足惡劣環(huán)境車載長期使用后的高精度，查閱相關(guān)資料，分析結(jié)果表明,用于汽車或摩托車發(fā)動機的航空用鑄鋁ZL101A材料，其機械強度較弱，不太適合制造成高強度的負載體；LY12硬鋁的機械強度高于ZL101A，加工性能也好，適合制造成高負荷的零件；航空用材LD10號鍛鋁，其硬度與LY12相當，但其抗拉強度、屈服強度，伸長率較好。3種材料特性對比如表1所示，由表可知，航空用材LD10號鍛鋁作為U型框架結(jié)構(gòu)材料，可以滿足惡劣野外環(huán)境使用要求。

表1 材料特性對比表

伺服平臺安裝在升降桿上，系統(tǒng)要求承載能力強，自身質(zhì)量及變形量小,如圖2所示。為了滿足高剛性強度和高精度的使用需要，通過采用加強筋、鉆孔減重等方法，建立平臺三維模型，進行ANSYS有限元分析、網(wǎng)格分析及模態(tài)分析等得到優(yōu)化的U型框架結(jié)構(gòu)。伺服平臺采用鍛件―失效―粗加工―失效―再粗加工―失效―檢驗―精加工―檢驗的工藝路線，在加工誤差、應力消除和裝配誤差方面進行研究，有效保證結(jié)構(gòu)件的力學性能和精度穩(wěn)定性。最后，將電源模塊、電機、驅(qū)動器等電氣部分安裝在伺服平臺里，構(gòu)成伺服系統(tǒng)。

圖2 平臺結(jié)構(gòu)有限元分析圖

3 試驗結(jié)果

為了驗證伺服系統(tǒng)的精度，采用多組平行光管組成天頂儀作為測試儀器。如圖3所示，水平方向布置了8個平行光管，俯仰方向布置9個平行光管，作為測量的基準點，伺服平臺安裝在水平中心點，其上架設1個伺服平行光管。測量時，調(diào)節(jié)好伺服平行光管，使其與水平基準點在同一水平面，分別轉(zhuǎn)動伺服平臺的方位和俯仰角，得到伺服平臺與各基準點的差值，即為方位和俯仰角度誤差。

圖3 天頂儀組成示意圖

測量垂直軸回轉(zhuǎn)誤差時，伺服平行光管的光軸瞄準水平0°起點的基準點，然后每隔45°轉(zhuǎn)動伺服平臺，測量轉(zhuǎn)動后伺服瞄準點與水平基準點的誤差。測量水平軸回轉(zhuǎn)誤差時，每隔10°沿俯仰方向轉(zhuǎn)動伺服平臺，測量轉(zhuǎn)動后伺服瞄準點與俯仰基準點的誤差。測量正交度時，以水平基準點為0°為起點，伺服平行光管分別對準90°和270°位置的水平基準點，然后調(diào)整伺服平臺的基座使其逼近大地水平，即垂直軸系為鉛錘[4]。轉(zhuǎn)動伺服平臺的俯仰角，記錄每次俯仰相對于鉛錘線的水平偏差，其最大值就是正交度誤差為14″，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

圖4為采用正弦曲線平滑模擬得到誤差曲線。由圖可知，垂直軸回轉(zhuǎn)誤差為14.3″，水平回轉(zhuǎn)誤差為17.2″，經(jīng)計算測量到的機械軸系誤差為28.22″，滿足總體分配要求。

圖4 誤差曲線

4 結(jié)束語

本文設計的具有陀螺尋北定向功能的U型框架結(jié)構(gòu)平臺，在伺服系統(tǒng)中得到應用。伺服系統(tǒng)在野外環(huán)境使用多年，其性能穩(wěn)定，滿足車載高精度偵察跟蹤系統(tǒng)的需要。