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大场图像扶引头位标器设想

点击次数:   发布时间:2019-07-10

  第 33卷 第 1期 2009年 2月 南京理工大学学报 ( 天然科学版 ) Journa l of N anjing U n ive rsity o f Sc ience and T echno logy ( N a tura l Sc ience) Vo . 33 N o 1 l . F eb 2009 . 大场图像扶引头位标器设想 周 琼, 闫 杰 (西北工业大学 航天工程学院, 陕西 西安 710072) 摘 要: 针对无限布局尺寸下设想大视场位标器的难点, 该文对某低成本电视图像扶引头 位标器的设想进行了研究。采用双框架动力陀螺不变位标器, 通过优化设想位标器的布局和关 键器件, 不只实现无限布局尺寸下的大视场, 并且能够实现图像探测系统全体不变和减小 电磁干扰对图像探测系统的影响。理论阐发表白: 该位标器动力陀螺的章动振幅很小。 环节词: 大场; 图像扶引头; 位标器; 陀螺电机 中图分类号: T J 765 3 . 文章编号: 1005- 9830( 2009) 01- 0093- 03 D esign of Coordinator of I age Seeker w ith Large Track Field m ZHOU Q iong YAN J ie , ( School of A stronautic Engineering, Northwestern Po ly techical Un iv ersity, X i an 710072 Ch in a) , Abstract In v iew of the d ifficulty of design ing coord in ators w ith large track fields in a li ited : m space the desig n o f a coord in ator o f a low cost telev isio n seeker is d iscussed A doub le g i bal gy ro , . m scope is used in th e coordinator By opti izin g th e structures and key equ ip ents of coordinato rs a . m m , large track f ield in a li ited space can be realized and the i age detection syste tends to be stable m m m w hile the influence caused by e le ctrom agnetic in terference is reduced The theoret ica l ana ly sis show s . that th e am plitu de o f gyro nutation is very sm al. l K ey w ord s large track fields; i age seekers coord in ators; gy ro m oto rs : m ; 电视图像扶引头属于被动式自从寻的系统, 它具有抗电磁干扰能力强、 荫蔽性好、 精度高 等特点, 因而正在对于中距离 ( 中距导弹复 合制导 末段可采用电视图像制导 ) 或近距离方针时是一 [ 1] 种行之无效的制导手段 。然而, 保守的电视图 像器视场偏小, 过程中容易丢失方针, 正在 航空制导等需要大视场的使用中遭到限 制 [ 2] 平决定了扶引头的探测能力、 视线不变度和 精度 [ 3] 。位标器的次要 设想思惟 是正在确保 场、 速度、 不变精度和外形尺寸等前提下, 力 求小型化、 高靠得住性和低成本, 而正在无限布局尺寸 下实现大视场成为位标器设想的难点。目前 用于和术导弹扶引头的不变位标器次要包罗: 动 力陀螺不变位标器方案 ( 内框架式或外框架式 )、 速度陀螺不变平台方案、 捷联取半捷联式不变平 台方案 [ 4] , 因而本文的研究沉点是通过位标器设想实 位标器是扶引头的焦点组件, 其设想制制水 现无限布局尺寸下的大视场。 。本文采用双 框架动力 陀螺不变 位标 器方案, 将光学系统和图像传感器安拆正在前框架 收稿日期: 2008- 12- 29 修回日期: 2009- 01- 10 做者简介: 周琼 ( 1964- ), 女, 博士生, 次要研究标的目的: 切确制导手艺, E m a i: q iangw eil@ 163. com。 l i 94 南京理工大学 学报 (天然科学版 ) 第 33卷第 1期 上, 能够实现图像探测系统全体不变和减小电磁 干扰对图像探测系统的影响, 从而提高制导精度; 陀螺电机和力矩电机 /电 位器组件安拆正在后框架 上, 通过优化设想陀螺电机、 力矩电机和测角电位 计的布局结构, 可获得大的框架角范畴, 从而实现 无限布局尺寸下的大视场; 无效地消弭动力 陀螺线包驱动扶引头存正在的 角效应。 由动量矩定律可得出陀螺进动角速度: = M /H 当 M 为于陀螺上的干 扰力矩时, 那么 j ( 2) j就 是不单愿呈现的漂移角速度。当陀螺电机处于跟 踪形态时, 式 ( 2)可暗示为 H g =M k / 式中: g ( 3) 为角速度, M k 力矩电机给内、 外环的节制力矩。 1 双框架动力陀螺不变位标器的设想 1 1 位标器构成取工做道理 . 图像扶引头位标器次要由光学系统、 图像传 感器、 框架机构、 陀螺电机、 伺服机构、 力矩电机和 电位器等构成。 位标器具有两套框架系统, 前框架安拆光学系 统和图像传感器, 后框架安拆陀螺电机和力矩电机 / 电位器组件。两套框架系统的外环轴、 内环轴别离 对应平行, 内环用连杆毗连, 形成四连杆传动机构, 并能内环同步活动。位标器靠高速扭转的陀螺 电机转子发生数值很大的角动量来实现光轴的空间 不变; 操纵陀螺电机的进动特征, 通过力矩电机驱动 光轴实现对方针的。其工做道理如图 1所示。 从式 ( 2)能够看出, 为了削减漂移角速度 j, 一方面可尽量减小干扰力矩, 另一方面可增大陀螺 转子的动量矩 H。而干扰力矩的减小是无限的, 也 不成能完全消弭。增大动量矩 H 的路子有两个: 一是增大陀螺转子的极轴动弹惯量, 二是添加陀螺 转子的自转角速度, 但都存正在必然难度。若动量矩 H 增大, 对于必然的角速度来讲, 就只能添加 节制力矩, 增大节制力矩是无限的, 它受体积和沉 量以及节制电源功率等要素的影响。因而, 陀螺电 机手艺目标的选定必需兼顾探测系统高度的定轴 性和方针的快速性。考虑到和术导弹的快速 反映要求等要素, 选择了高电压启动、 低电压连结 的反势 节制 曲流 无刷 永磁 陀螺 电机, 其动 量为 8 000 gf cm s 该电机具有下列次要手艺特点: 。 ( 1)采用无刷电机、 无传感器, 故具有结 构简单的长处; ( 2)转速不变性好, 降服了 异步电机转速不 够不变的错误谬误, 具有较好的图像不变性; ( 3)效率高, 一般为 85 以上; % ( 4)供电电压为曲流, 易于取弹上电源跟尾; ( 5)启动力矩大, 易于实现快速启动。 1 3 力矩电机 - 电位计组件设想 . 力矩电机采用无限转角堵转无刷曲流力矩电 机。无刷电机发生的干扰力矩小, 这种电机还可 间接取框架固联, 有益于提高节制回刚度。为 了缩小布局尺寸, 采用力矩电机取电位计同轴安 拆正在一路的一体化组合件, 其线性度仍能满脚总 体手艺要求。按照扶引头精度的要求, 选择 力矩电机的峰值堵转力矩为 2 500 gf cm。 1 4 位标器总体布局设想 . 电视图像扶引头动力陀螺不变位标器采用双 框架布局方案。前框架安拆光学系统和图像传感 器, 后框架安拆陀螺电机和外环的驱动电机 - 电位 计组件, 为减小位标器曲径, 获得大视场, 力矩 电机 - 电位计组件安拆正在本体上通过传动杆取前 框架内环毗连, 两个框架的联动通过安拆正在前后内 图 1 电视图像扶引头位标器工做道理图 1 2 陀螺电机设想 . 陀螺电机是动力陀螺位标器中的一个焦点部 件; 恰是因为陀螺仪的定轴性和进动特征, 才可以或许 实现光轴的空间不变和对方针的。要实现光 轴的的不变必需依托陀螺电机高速扭转的陀螺转 子所具有的动量矩 H, 按照动量矩定义: H = rJ ( 1) 式中: r 为陀螺转子自转角频次, J 为陀螺转子极 轴动弹惯量。 总第 164期 周 琼 闫 杰 大场图像扶引头位标器设想 95 0 环上的传动杆实现。总体布局结构如图 2所示。 沿外框架轴标的目的的感动力矩为零, 则 式 ( 6)得 ( t) = Jx ( t) = H Jx Jy H 0 0 = 0 代入 , sin n t ( 7) n ( 1- cos t) 所以冲击力矩感化的成果, 惹起陀螺同时绕 内、 外两个框架轴做不衰减的振荡, 正在轨迹平面内 陀螺的活动轨迹是一个椭圆; 当 J x = J y 时, 该椭 圆将退化为一个圆。陀螺仪正在常值力矩感化下, 一方面发生进动, 一方面也发生章动。从推 导可知, 陀螺章动活动的振幅为 图 2 图像扶引头位标器布局示企图 J x Jy ; 因为 J x 、 y J H 0 远小于 H, 故章动的振幅很小。因而, 本文设想的 位标器不需要设置阻尼器来减小章动。 2 陀螺电机的章动特征阐发 陀螺仪转子高速扭转后, 正在遭到冲击环境下, 常呈现章动现象, 即陀螺仪并不从原无方向发生 显著偏离, 而将连结正在本来附近做高频微幅 振动。陀螺的章动将惹起机械磨损, 会间接影响 陀螺的机能。所以正在陀螺仪的设想中, 凡是一方 面尽量提高章动频次 n; 另一方面设置 阻尼器, 使章动活动变成衰减的振荡, 从而提高陀螺的性 能。下面临陀螺电机的章动特征进行理论阐发。 一个三度 陀螺仪活动的 手艺方程 可简 化为 [ 5] 3 竣事语 大的视场、 小型化的布局和低廉的价钱, 为动力陀螺不变位标器供给了广漠的使用前景。 本文选用动力陀螺双框架系统对某低成本电视图 像扶引头位标器开展了设想研究, 正在相关计较根本 上对位标器环节器件进行了选择, 给出了无限尺寸 下大视场位标器的全体设想方案。 设想成果表 明, 对小负载型探测器的扶引头而言, 正在满脚制导 精度的前提下, 选择动力陀螺不变方案是合适的。 参考文献: [ 1] [ 2] 祁飞, 周 志刚, 于 雷. 电视 扶引 头系 统仿 实数 学模 型 [ J] . 火力取批示节制, 2005 30( 6): 74- 76 , . 穆学桢, 周树 平, 赵桂 瑾. A I - 9X 空空 导弹 位标 M 器新手艺分 析和评价 [ J]. 红外取 激光工 程, 2006, 35( 4): 392- 394. : ( 4) Jx + H = mx Jy - H = my 当陀螺仪遭到冲击后, 仅惹起陀螺仪绕内、 外 环轴动弹的初始速度, 冲击事后将没有任何力矩 感化, 并 不使陀螺转子轴的发生变化, 故有 mx = my = 0 。此时, 陀螺仪的手艺方程为 Jx + H = 0 Jy - H = 0 对式 ( 5) 进 行拉 氏变 换, 并代 入 初始 前提 ( 0 ( 5) 0 [ 3] 赵善彪, 张天孝, 李晓钟. 红外 扶引头位标器陀螺 的 方位效应研究 [ J]. 弹箭取制导学报, 2007, 27( 3): 33 - 35. , [ 4] ), 拾掇后解得 Jy ( t) = H Jx ( t) = H Jy 0H Jx 0H 0 郭 富 强, 于波 , 汪叔 化, 等. 陀 螺 不变 拆 置 及 其应 用 [M ]. 西安: 西北工业大学出书社, 1995 . 王阿春, 于治会. 位 标器陀螺转子的动均衡 [ J]. 弹 箭取制导学 报, 2000 20( 4): 18- 25. , L I Zhe YAO Yu, MA K e M ao T he design of los re N , . construction filter fo r strap down i ag ing seeker [ A ]. m P roceed ings of 2005 International Con fe rence on M a chine L earn ing and Cybernetics[ C]. G uangzhou: IEEE P ress, 2005: 2 272- 2 277 . cos n t+ J x Jy H Jx J y H 0 sin sin n t ( 6) t [ 5] [ 6] 0 cos n t + 0 n 式中: n = H , 即为陀螺轴的章动频次。为便 J x Jy 于申明正在冲击力矩感化后陀螺的活动纪律, 假设