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業有限公司，四川 成都 610051)

0 引言

現代戰場攻防對抗日益激烈，單一模式的偵察系統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。

多模偵察系統的承載平臺又稱隨動系統，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據傳給伺服平臺。平臺控制器進行處理后控制承載平臺轉動，使雷達、CCD或紅外攝像機的電軸或光軸瞄準目標，實現同步自動跟蹤。本研究的伺服平臺是跟蹤系統的骨架，其誤差大小直接影響偵察系統的性能。

1 伺服平臺構架

1.1 平臺結構組成

傳統的伺服系統由控制機箱和伺服平臺兩部分組成，控制機箱為車內設備，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，經分析和綜合比較，設計一種U型框架整體結構式伺服平臺，平臺方位轉動范圍為360°連續，俯仰角為-10°～90°。根據平臺承載的雷達、CCD光學儀器的使用情況，伺服平臺由方位和俯仰構成雙軸系統，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，減小驅動力，設計時將U型框架上的載荷重心盡量設計在轉動中心。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，其結構布局如圖1所示。

圖1 伺服平臺結構布局圖

1.2 陀螺尋北儀

為了提高偵察設備的綜合作戰性能，歐美等發達國家在各種軍用偵察系統中裝備陀螺定向裝置。我國一直很注重新裝備軍事技術的發展,對系統集成技術提出了更高的要求。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的磁羅盤或光學儀器。基于撓性陀螺的尋北定向裝置已大量應用于雷達車、偵察指揮車及發射車等系統。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，從而實現尋北的方案[1]。該方案采用高精度轉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誤差分析中[2]，進一步地對尋北儀的靜態誤差源進行了討論，給出了一種靜態誤差分析法和誤差模型，得到了較規律的誤差源，為提高尋北精度奠定了基礎。

隨著光纖陀螺技術的發展，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，無關機延時)等顯著優點逐漸應用于陀螺尋北儀中。國內文獻提出采用四位置法、多位置法和連續旋轉法等開展光纖陀螺尋北儀技術研究。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據后，與轉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。系統機械軸系誤差與U型框架的結構剛性強度有關。為了滿足惡劣環境車載長期使用后的高精度，查閱相關資料，分析結果表明,用于汽車或摩托車發動機的航空用鑄鋁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型框架結構材料，可以滿足惡劣野外環境使用要求。

表1 材料特性對比表

伺服平臺安裝在升降桿上，系統要求承載能力強，自身質量及變形量小,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、網格分析及模態分析等得到優化的U型框架結構。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，有效保證結構件的力學性能和精度穩定性。最后，將電源模塊、電機、驅動器等電氣部分安裝在伺服平臺里，構成伺服系統。

圖2 平臺結構有限元分析圖

3 試驗結果

為了驗證伺服系統的精度，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，調節好伺服平行光管，使其與水平基準點在同一水平面，分別轉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°轉動伺服平臺，測量轉動后伺服瞄準點與水平基準點的誤差。測量水平軸回轉誤差時，每隔10°沿俯仰方向轉動伺服平臺，測量轉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″，測試數據如表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，垂直軸回轉誤差為14.3″，水平回轉誤差為17.2″，經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 結束語

本文設計的具有陀螺尋北定向功能的U型框架結構平臺，在伺服系統中得到應用。伺服系統在野外環境使用多年，其性能穩定，滿足車載高精度偵察跟蹤系統的需要。