半捷联光电稳定平台误差分析与补偿研究
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摘要
由于半捷联光电稳定平台的体积小、重量轻、成本低，其已成为导引头技术的研究重点，并且对其稳定与跟踪精度的要求越来越高。为提高其稳定与跟踪精度，本文针对某半捷联光电稳定平台，在对半捷联稳定平台运动学、动力学以及稳定机理分析的基础上，讨论了影响稳定平台精度的各项误差来源，并对误差的作用规律、误差建模、参数标定与误差补偿等问题展开了深入的分析与探讨。
论文首先基于李群李代数理论，结合半捷联光电稳定平台结构，采用局部指数积方法描述框架姿态关系，并详细讨论了弹体与稳定平台框架间的速度与加速度间的耦合关系，同时给出了光轴在惯性空间的稳定方程，讨论了两种半捷联稳定方案的优缺点。在运动学分析的基础上，运用绕动点转动的动量矩定理，建立了半捷联光电稳定平台俯仰轴与偏航轴的动力学方程，其中包含惯量耦合力矩与框架质量不平衡力矩的具体数学模型。针对半捷联导引头稳定平台，对框架最大角速度与角加速度、惯量耦合力矩以及质量不平衡力矩进行数值仿真分析，为高精度控制系统设计打下了基础。
在分析半捷联光电稳定平台各项误差源的基础上，根据多体系统的运动学误差建模理论建立了光轴指向误差模型；通过Matlab计算，分析了各项误差对光轴指向误差的影响，为合理地进行精度分配以及误差补偿奠定了基础。
为修正半捷联导引头的光轴指向误差，建立了基本参数模型与局部指数积模型，并采用最小二乘法标定基本参数模型的参数以及采用设计的遗传算法标定局部指数积模型的参数。标定实验结果表明：局部指数积模型的稳定性与补偿精度均优于基本参数模型，局部指数积模型可将光轴指向精度由119.9″提高到21.3″。
最后，对半捷联导引头的框架质量不平衡力矩与光轴指向误差进行补偿后，在搭建的半物理实验平台上测试其稳定与跟踪精度。测试结果表明：系统以0.5°/s运动时，在频率为1Hz、幅值为2°的弹体扰动情况下，补偿后的稳定精度提高了79.7%；在系统以3°/s跟踪目标时，补偿后的偏航与俯仰方向的跟踪精度分别提高了20.7%与18.9%；在弹体扰动为频率2Hz、幅值1°时，测得半捷联稳定平台偏航与俯仰方向的隔离度分别为5.63%与5.08%。
Because of its advantages of small volume, light weight and low cost,Semi-Strapdown Photo-Electricity Stabilized Platform (SSPESP) has become animportant part of seeker technology research, its stability and tracking precisionshould be gradually improved. The thesis mainly has a central research on thestability and tracking precision of SSPESP. Based on the analysis of the kinematics,dynamics and stability mechanism for SSPESP, this paper discussed its error sourcesand made a deep research on the effect rule of error, error modeling, parametercalibration and error compensation etc.
Firstly, according to the theory of Lie group and Lie algebras and with thestructure of SSPESP considered, a local product of exponentials (Local POE)representation of framework pose was established for SSPESP. The couplingrelationships of the velocity and acceleration between the missile and theframeworks were analyzed. Following that, the stability equation of optical axis inthe inertial space was established. Two different semi-strapdown stabilizationmethods were compared and each’s advantages and disadvantages were pointed out.Based on the kinematic analysis, the pitch and yaw dynamics models were derivedaccording to momentum moment theorem of rigid body rotating around movingpoint, including the inertial coupling torque model and the mass imbalance torque model. According to stabilized platform of semi-strapdown seeker, the angularvelocity and acceleration, inertial coupling torque and mass imbalance torque wereanalyzed by numerical simulation, which provided a fundamental for future controlsystem design.
On the basis of analysis of various error sources of SSPESP, the optical axispointing error model was defined and set up according to the kinematics errormodeling theory of multi-body system. Then, Matlab was used to simulate and analyze the influence of the errors on optical axis pointing, which lay a foundation forprecision allocation and error compensation.
In order to correct the optical axis pointing error of SSPESP, the basicparameter model and Local POE model were established and calibrated through theleast squares method and self-designed genetic algorithm respectively. Thecalibration experimental results indicate that the compensation accuracy andstabilization of Local POE models are superior to the basic parameter model, theoptical axis pointing precision increases from119.9″to21.3″.
Finally, after compensating for the inertial coupling torque and the optical axispointing error, the stability and tracking precision of semi-strapdown seeker weretested on the semi-physical simulation platform. The results show that, the stabilityprecision rises79.7%when the system speed is0.5°/s and the missile disturbancefrequency is1Hz and amplitude is2degree; the tracking precision of yaw and pitchdirection rises20.7%and18.9%when the tracking speed is3°/s; the isolation ofyaw and pitch framework is5.63%and5.08%when missile disturbance frequencyis2Hz and amplitude is1degree.
论文首先基于李群李代数理论，结合半捷联光电稳定平台结构，采用局部指数积方法描述框架姿态关系，并详细讨论了弹体与稳定平台框架间的速度与加速度间的耦合关系，同时给出了光轴在惯性空间的稳定方程，讨论了两种半捷联稳定方案的优缺点。在运动学分析的基础上，运用绕动点转动的动量矩定理，建立了半捷联光电稳定平台俯仰轴与偏航轴的动力学方程，其中包含惯量耦合力矩与框架质量不平衡力矩的具体数学模型。针对半捷联导引头稳定平台，对框架最大角速度与角加速度、惯量耦合力矩以及质量不平衡力矩进行数值仿真分析，为高精度控制系统设计打下了基础。
在分析半捷联光电稳定平台各项误差源的基础上，根据多体系统的运动学误差建模理论建立了光轴指向误差模型；通过Matlab计算，分析了各项误差对光轴指向误差的影响，为合理地进行精度分配以及误差补偿奠定了基础。
为修正半捷联导引头的光轴指向误差，建立了基本参数模型与局部指数积模型，并采用最小二乘法标定基本参数模型的参数以及采用设计的遗传算法标定局部指数积模型的参数。标定实验结果表明：局部指数积模型的稳定性与补偿精度均优于基本参数模型，局部指数积模型可将光轴指向精度由119.9″提高到21.3″。
最后，对半捷联导引头的框架质量不平衡力矩与光轴指向误差进行补偿后，在搭建的半物理实验平台上测试其稳定与跟踪精度。测试结果表明：系统以0.5°/s运动时，在频率为1Hz、幅值为2°的弹体扰动情况下，补偿后的稳定精度提高了79.7%；在系统以3°/s跟踪目标时，补偿后的偏航与俯仰方向的跟踪精度分别提高了20.7%与18.9%；在弹体扰动为频率2Hz、幅值1°时，测得半捷联稳定平台偏航与俯仰方向的隔离度分别为5.63%与5.08%。
Because of its advantages of small volume, light weight and low cost,Semi-Strapdown Photo-Electricity Stabilized Platform (SSPESP) has become animportant part of seeker technology research, its stability and tracking precisionshould be gradually improved. The thesis mainly has a central research on thestability and tracking precision of SSPESP. Based on the analysis of the kinematics,dynamics and stability mechanism for SSPESP, this paper discussed its error sourcesand made a deep research on the effect rule of error, error modeling, parametercalibration and error compensation etc.
Firstly, according to the theory of Lie group and Lie algebras and with thestructure of SSPESP considered, a local product of exponentials (Local POE)representation of framework pose was established for SSPESP. The couplingrelationships of the velocity and acceleration between the missile and theframeworks were analyzed. Following that, the stability equation of optical axis inthe inertial space was established. Two different semi-strapdown stabilizationmethods were compared and each’s advantages and disadvantages were pointed out.Based on the kinematic analysis, the pitch and yaw dynamics models were derivedaccording to momentum moment theorem of rigid body rotating around movingpoint, including the inertial coupling torque model and the mass imbalance torque model. According to stabilized platform of semi-strapdown seeker, the angularvelocity and acceleration, inertial coupling torque and mass imbalance torque wereanalyzed by numerical simulation, which provided a fundamental for future controlsystem design.
On the basis of analysis of various error sources of SSPESP, the optical axispointing error model was defined and set up according to the kinematics errormodeling theory of multi-body system. Then, Matlab was used to simulate and analyze the influence of the errors on optical axis pointing, which lay a foundation forprecision allocation and error compensation.
In order to correct the optical axis pointing error of SSPESP, the basicparameter model and Local POE model were established and calibrated through theleast squares method and self-designed genetic algorithm respectively. Thecalibration experimental results indicate that the compensation accuracy andstabilization of Local POE models are superior to the basic parameter model, theoptical axis pointing precision increases from119.9″to21.3″.
Finally, after compensating for the inertial coupling torque and the optical axispointing error, the stability and tracking precision of semi-strapdown seeker weretested on the semi-physical simulation platform. The results show that, the stabilityprecision rises79.7%when the system speed is0.5°/s and the missile disturbancefrequency is1Hz and amplitude is2degree; the tracking precision of yaw and pitchdirection rises20.7%and18.9%when the tracking speed is3°/s; the isolation ofyaw and pitch framework is5.63%and5.08%when missile disturbance frequencyis2Hz and amplitude is1degree.
引文
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