38120字硕士毕业论文大直径大功率望远镜系统的机械稳像设计
论文类型：硕士毕业论文
论文字数：38120字
论点：稳定,陀螺,平台
论文概述：
本论文拟通过借鉴军事领域的稳像平台相关技术，探讨设计精度相对较低，对环境条件要求较为松懷的民用级整体稳定式的陀螺稳定平台作为主要研究对象，以平台伺服控制为研究方向，对陀螺
论文正文：
介绍
1.1机械稳像平台研究的背景和意义
目前，各种稳像技术发展迅速。人们在解决一些通常用于军事和智能领域的稳像问题时，经常使用光学稳像和电子稳像。该技术具有智能化程度高、设计复杂、成本高等特点。然而，在一些民用领域，需要一些结构简单、操作方便、成本相对较低的稳像观测系统。本文试图用一种相对简单的方法设计一种便携式机械稳像平台，使一些常见的猫眼光学系统能够通过该平台广泛应用于车辆、船舶等不稳定状态。
1.2各种图像稳定技术的当前发展
1.2.1光学稳像
光学稳像采用光学元件自适应调整的原理。当产品抖动时，光学元件会调整光路，以补偿产品抖动造成的光轴偏移，从而达到图像稳定的目的。一般来说，光学图像稳定方法不需要稳定整个仪器或光学系统，从而减轻稳定系统的重量，但是光学图像稳定对于消除轻微抖动和小角加速度通常是有效的。它在军事和医疗仪器中有应用，特别是在使用人眼观察一些民用视野的小型观察仪器中。光学图像稳定可以受控方式分为折射光学元件和反射光学元件。折射元件使用可变光楔来控制视线的方向，并根据出射角和入射角之间的关系来补偿图像偏移。此外，根据图像稳定元件的位置，光学图像稳定可分为空之间的图像稳定和空 [2]之间的物体稳定。
1.2.2电子稳像技术
电子稳像是一种利用电子技术和计算机数字图像处理方法来确定图像序列之间的喊间偏移并对其进行补偿的技术。电子稳像首先由美国的Itek公司开发。随着新传感器技术和计算机技术的发展，图像稳定系统已经发展成为集光、机、电、计算机于一体的综合系统。近年来，还提出了机电传感器和数字图像的组合。这些方法的共同点是使用高精度陀螺仪作为传感器来检测图像的位移矢量，然后使用数字图像处理方法来处理像素以实现图像稳定性。
1.2.3机械稳像技术
机械稳像通过陀螺传感器等设备检测相机平台的抖动，然后对信号进行处理，控制伺服系统调整姿态，稳定相机平台，从而稳定载体的视轴。在一些大型系统中，例如武器系统，整个成像设备通常被放置在平台上以形成图像稳定平台。惯性元件用于检测载体姿态角的变化。输出信号经检测、放大和处理后，驱动电机保持摄像机的稳定性，以保证输出图像序列的稳定性。根据消除姿态不稳定误差的不同方法，平台稳定模式分为一次稳定和二次稳定[5]。一级稳定技术的稳定性是用框架系统作为光电传感器的光电平台，在平台上放置陀螺仪测量平台的姿态，用陀螺仪检测姿态角的变化，并将信号反馈给框架的力矩电机，通过力矩电机驱动平台保持光电传感器的稳定性。一般来说，一级稳定性完全依赖于平台的整体稳定性，平台受到多种干扰，稳定性精度有限。另一方面，二次稳定技术是指在稳定平台和镜系统粗调的基础上进行精调，使镜系统和稳定平台可以一起使用，达到更高的稳定精度。
1.3国内外稳定平台发展现状
稳定跟踪平台隔离载体干扰，实时监测平台姿态和位置变化，不断修正参数，维护姿态基准，通过前端光电设备实现动态目标的自动跟踪，广泛应用于光电精密制导系统。所谓的“视轴稳定技术”可以隔离弹丸角运动对武器射击线的干扰，实现高精度自动跟踪，从而稳定光电脑视设备的睡眠准线，从而稳定光电脑视设备获得的目标图像，从而保证识别和测量目标的基准，保证图像清晰，保证运动中的射击精度。[7]稳定跟踪平台用于许多领域，特别是在高空、海面和车辆上。由于工作环境的原因，需要稳定的图像平台来获得高效、清晰和准确的图像。目前视轴稳定的应用方法主要有光学稳定和电子稳定、齿轮传动稳定、陀螺惯性稳定等。其中，陀螺惯性稳定是最重要、最广泛的方法。基于陀螺的视轴惯性稳定可分为:1)进动陀螺类型:传感器、光学系统和进动陀螺固定连接在一起，利用陀螺的角动量实现视轴稳定。反馈误差信号用于驱动陀螺向目标进动，进行目标搜索和跟踪。2)伺服连接类型:观测设备和陀螺仪分离。观察设备安装在转台上，陀螺仪沿载体轴向安装在另一个位置。两者通过“电轴”连接，实现视轴的稳定。3)整体稳定性:陀螺仪和猫眼设备同时安装在机架上，由力矩电机驱动。系统工作时，陀螺仪检测空之间的三个方向的姿态，向控制中心输出信号，根据姿态计算驱动电机，并保持空之间的视轴稳定。
2设计分析
2.1。总体设计分析
根据实际使用要求，经常需要观察移动车辆(船舶、车辆)上的远程目标。由于孔径和倍数的限制，普通双目手持望远镜在实现大功率远距离观测方面存在局限性。然而，为了实现大直径和高功率观测，首先要解决的是图像稳定问题。民用稳像观测需要解决的是在人类视觉范围内实现可调精度。由于人眼的视觉延迟和自身的适应性，该指标远低于军事领域猫毛的图像稳定要求，只需要较低的延迟要求和图像中心标定范围。从这一设计思想出发，围绕整个稳像系统提出了相关指标和相应的结构。构成整个机械稳像平台的系统设计主要由两部分组成。它们是光学设计、结构设计和电路控制设计。
3系统结构设计……23 [/BR/] 3.1光学系统的结构设计.........23[/比尔/] 3.1.1使用45度倾斜的图像传输结构.........25 [/BR/] 3.1.2光学目镜和电子目镜的通用接口设计.........27
3.1.3目镜连接座结构的设计.........27 [/BR/] 3.1.4光学目镜.........28 [/BR/] 3.1.5电子目镜的设计.........28 [/BR/] 3.1.6外部显示或图像信号输出模式.........29
3.2平台机构设计.........29 [/溴/]3.2.1平台底座和框架.........29
3.3伺服系统结构.........29
3.4总体结构图.........29
3.5本章摘要.........30
4。系统模型分析.........30
4.1系统中的陀螺仪配置.........31 [/BR/] 4.2速率稳定环各环节数学模型的建立.........32 [/BR/] 4.3本章概述.........35[/溴/] 5主要部件的选择和设计.........36 [/BR/] 5.1驱动电机的选择.........36 [/BR/] 5.1.1 DC电机.........36
5.1.2扭矩计算.........37
5.2角速度陀螺仪选择.........40
5.2.1微机电陀螺的原理.........41
5.2.2角速度陀螺仪选择.........42
5.3模数转换器和其他器件.........43
5.4。功率放大器电路中的运算放大器选择.........43
5.4.1校正设备中的运算放大器选择.........4
5.5本章摘要.........46
结论
首先，设计了一种适用于民用级人眼观测望远镜的稳像平台的结构方案。同时，建立了陀螺稳定平台的方案配置，推导了各空坐标系与稳定隔离载体角运动方程之间的映射转换关系，为民用级稳定图像平台的建立提供了理论依据。确定了适合大口径大功率望远镜机械稳像的望远镜结构，阐述了平台和框架的基本组成原理。通过设计计算，完成了系统采用的稳像平台各组件的选择。推导了伺服系统关键部件的传递函数。在此基础上，建立了伺服系统各部分的数学模型，并提出了一些改进系统的校正方法，在一定程度上提高了控制系统的性能。对所研究的系统进行了误差分析，确定了适合进行平板望远镜的指标参数。本文所用的微机械角速度陀螺和DC力矩电机为降低系统成本和小型化提供了条件。在考虑和计算实际指标的基础上，摒弃了完全采用人机站一体化隔离的设计思想。这种思路不符合民用级的要求，民用级具有体积小、结构简单、成本低的特点。提出了将CCD外部显示与人眼观察相结合的产品设计方案，满足了民用多功能的要求。同时，提出了一种以微机电陀螺为核心，以两个框架和两个轴为图像稳定结构，以DC力矩电机为主体的伺服系统。经过设计计算，该平台的指标能够满足以大口径、高倍望远镜为主要载荷的产品指标要求。设计了观测稳像的一般要求的解决方案，确定了直径小于25倍望远镜机械稳像的通用平台，为从军用到民用的技术改造提供了思路。
参考
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