位姿仿真平台的设计与研究

论文摘要

三轴转台是飞行器及地面半实物仿真的关键设备,它可以模拟飞行器及宇航员在空间飞行时方位、俯仰、横滚等姿态的运动。作为一种高精度的半实物仿真设备,三轴转台广泛应用于航空、航天、航海等领域中。飞行器在太空中不可避免的遇到各种意外,在遭遇意外的的情况下,宇航员的运动轨迹将会发生急剧变化,此时宇航员的头部将是意外环境中薄弱环节,因此宇航员的头部是保护的重点,制造头部的防护装置需要了解头部在各种环境下的运动轨迹,即头部的受力数据,三轴转台可以在地面实验室模拟相似环境下头部的运动轨迹。三轴转台的仿真数据直接影响到防护用具的研制与加工。仿真数据是制造宇航员防护用具的依据,三轴转台的仿真数据直接关系到飞行器中的飞行员的生命安全。研制的仿真设备很多,但用于仿真数据验证的设备却不多。因此,设计一套集模拟仿真、数据输出和数据验证于一体的空间目标位姿仿真平台非常重要。本文根据三轴转台的模拟仿真原理和摄像机拍摄位姿的可靠性设计了一套地面实验室的仿真设备。首先设计了一套用于仿真的三轴转台,而后利用UG软件建立了三轴仿真转台的三维实体模型,并进行了运动仿真,验证三个框架运动性能及整体平台的运动性能。同时利用ANSYS软件对三轴转台进行有限元分析,并设计一套摄像机拍摄装置,对模拟目标的运动轨迹进行拍摄跟踪。控制系统依据摄像机拍摄的数据对三轴转台的仿真数据进行对比验证。其次对空间目标位姿仿真平台的机械系统和控制系统进行了分析和设计。对三轴转台的结构进行了改进和创新,提高了转台的回转精度,同时更便于控制转台轴系的垂直度误差。最后,对三轴转台的误差源进行了分析,建立了误差数学模型。设计并实施自准直仪仪器对三轴转台的回转精度测试和轴系垂直度测试。利用数学模型对三轴转台的误差值进行了计算。实际测试结果表明,本文设计三轴转台的精度完全达到相关单位所提各项性能指标的要求,空间目标位姿仿真平台的总体设计合理可行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的背景及意义
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.2.1 国外的研究现状
• 1.2.2 国内的研究现状
• 1.3 论文的主要研究内容
• 第2章 空间目标位姿仿真平台总体方案设计
• 2.1 空间目标位姿仿真平台的技术指标
• 2.2 空间目标位姿仿真平台系统组成及功能
• 2.2.1 三轴转台的方案设计
• 2.2.2 摄像机移动平台
• 2.2.3 两轴移动平台
• 2.2.4 支撑平台
• 2.2.5 三轴转台的虚拟装配与运动干涉检查
• 2.3 空间目标位姿仿真平台的工作原理
• 2.4 机械系统的设计方案
• 2.5 控制系统
• 2.6 框架轴系精度分析与保证措施
• 2.7 本章小结
• 第3章 空间目标位姿仿真平台的总体结构设计
• 3.1 三轴转台的结构设计
• 3.1.1 底座设计
• 3.1.2 三轴转台的各轴系设计
• 3.1.3 轴承的选取
• 3.1.4 负载转矩的计算
• 3.1.5 驱动电机的选择
• 3.2 二轴移动平台设计
• 3.2.1 驱动电机的选择
• 3.2.2 滚动直线导轨副的性能指标
• 3.3 摄像机移动平台总体方案设计
• 3.4 三轴转台的有限元分析
• 3.4.1 建立有限元模型
• 3.4.2 静态分析
• 3.4.3 模态分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 伺服控制系统的设计
• 4.1 控制系统设计及功能
• 4.1.1 转台控制系统的设计指标
• 4.1.2 转台控制系统的组成及原理
• 4.2 系统设计
• 4.2.1 硬件设计
• 4.2.2 软件设计
• 4.2.3 上、下位机软件设计
• 4.2.4 软件功能
• 4.3 本章小结
• 第5章 三轴转台的检测与分析
• 5.1 误差分析
• 5.1.1 误差模型的建立
• 5.1.2 误差分析
• 5.2 误差测试
• 5.2.1 转台测角反馈元件与测试仪器
• 5.2.2 三轴转台的三轴回转精度测试
• 5.2.3 三轴转台轴系垂直度的检测
• 5.3 误差处理
• 5.4 提高转台静态精度的措施
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历