光电吊舱内框架减振系统设计_甘至宏

２ 陀 螺 稳 定 平 台 工 作 过 程 和 减 振 的 必要性
本文描述的吊舱分系统光电头舱是陀螺稳定 平 台 ，是 一 种 稳 定 和 伺 服 相 结 合 的 自 动 控 制 系 统 ， 它有两种工 作 过 程，稳 定 过 程 和 跟 踪 过 程。 稳 定 过程实际上就是 隔 离 载 机 扰 动 的 过 程，载 机 的 扰 动将给稳定平台 施 加 一 个 扰 动 力 矩，使 平 台 产 生 错误的偏转，装在 平 台 上 的 陀 螺 感 受 到 这 个 偏 转 运动后，陀螺上的 角 度 传 感 器 相 应 地 输 出 一 个 电 信号，经伺服回路 操 纵 伺 服 电 机 纠 正 这 一 错 误 偏 转，从而消除载机 扰 动 对 光 电 跟 踪 器 的 干 扰 和 平 台的扰动，使 瞄 准 线 得 到 稳 定。 跟 踪 过 程 由 光 电 跟踪器给出瞄准线 和 目 标 间 的 相 对 偏 差 信 号 （脱 靶量），转换后输 入 力 矩 器，产 生 一 个 力 矩 加 在 陀 螺上，陀螺输出一 个 电 信 号 驱 动 伺 服 电 机 带 动 平 台运动消除此偏差，使瞄准线准确地跟踪目标 。 ［８］
收 稿 日 期 ：２０１０－０４－０７；修 订 日 期 ：２０１０－０６－０８． 基 金 项 目 ：国 家 ９７３ 重 点 基 础 研 究 发 展 规 划 项 目 （Ｎｏ．２００９ＣＢ７２４００１０５）
第９期
甘 至 宏 ：光 电 吊 舱 内 框 架 减 振 系 统 设 计
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｉｎｎｅｒ ｆｒａｍｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐｏｄ
ＧＡＮ Ｚｈｉ－ｈｏｎｇ
（Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００３３，Ｃｈｉｎａ）
由于平台的陀 螺 带 宽、电 机 的 运 转 特 性 以 及 机械结构的固有 频 率 等 因 素 限 制，陀 螺 稳 定 平 台 的控制作用只能 是 低 通 滤 波 作 用，目 前 控 制 带 宽 可做到 ２５ Ｈｚ，而 ２５ Ｈｚ～２ ０００ Ｈｚ及 以 上 的 振 动扰动需减 振 隔 离。 另 外，振 动 也 使 陀 螺 仪 产 生 漂 移 ，使 加 速 度 计 产 生 误 差 ，交 变 干 扰 力 矩 也 会 使 陀螺仪产生过大 的 角 运 动，直 接 影 响 平 台 稳 定 系 统 的 工 作 ，这 些 都 需 要 对 平 台 采 取 防 振 措 施 。
由于本吊舱横 挂 在 飞 机 的 机 翼 处，与 飞 机 上 的标准挂架连接，陀 螺 稳 定 平 台 外 框 架 系 统 无 法 加减 振 器，因 此，本 文 选 择 内 框 架 系 统 加 载 减 振 器。
２０３８
光学 精密工程
３ 陀螺稳定平台内框架减振结构特性
内框架减振 有 其 特 殊 性，不 是 原 有 内 框 架 直 接加减振器就能 解 决 的，这 里 首 先 分 析 其 结 构 特 性。以往内外框 架 间 是 刚 性 连 接，外 框 架 的 球 体 就是内框架的支 架，改 进 后 内 框 架 系 统 要 通 过 减 振器与外框 架 的 球 体 柔 性 连 接，结 构 对 比 如 图 １ 所示：
测时的稳定性的 要 求 及 飞 机 的 高 速 飞 行 状 况，结 合以前平台的经 验，采 用 了 四 框 架 两 轴 陀 螺 稳 定 平 台 的 形 式 ，外 框 架 系 统 用 于 克 服 风 阻 ，随 动 于 内 框 架 运 动 ；内 框 架 系 统 用 于 精 确 跟 踪 ，相 对 外 框 做 小 角 度 运 动 ，从 而 实 现 了 过 顶 跟 踪 ，观 测 过 程 无 死 区等。
第 １８ 卷 第 ９ 期 ２０１０年９月
光学 精密工程
Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．１８ Ｎｏ．９
Ｓｅｐ．２０１０
文 章 编 号 １００４－９２４Ｘ（２０１０）０９－２０３６－０８
பைடு நூலகம்
光电吊舱内框架减振系统设计
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｏｂｓｅｒｖｅ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｍｉｓｓｉｌｅ ｌａｕｎｃｈｉｎｇ ｂｙ ａ ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐｏｄ，ａｎ ｉｎｎｅｒ ｆｒａｍｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐｏｄ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｄ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｎｅｃｅｓｓｉｔｙ ｔｏ ｄａｍｐ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｎｅｒ ｆｒａｍｅ ｗａｓ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ａｎｄ ｈｏｗ ｔｏ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｔｈｅ ｓｈａｆｔ ｇａｓ ｗａｓ ｇｉｖｅｎ．Ａ ｍｏｄｕｌｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｓｈａｆｔ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｅｓ ｏｆ ｔｏｒｑｕｅ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｔｏ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｓｈａｆｔｉｎｇ ｓｐａｃｅ ａｎｄ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｓｐａｃｅ ｏｆ ｅｆ－ ｆｅｃｔｉｖｅ ｌｏａｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｎ ｉｎｎｅｒ ｆｒａｍｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｂｙ ｍｏｄｕｌｅ ｃｏｍｂｉｎａ－ ｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｍｏｒｅ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ａｎｄ ｕｎｉｖｅｒｓａｌ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ａｐｐｌｉａｎｃｅ ａｎｄ ｃａｒｒｙｉｎｇ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｌｙ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｉｎｎｅｒ ｆｒａｍｅ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｏｕｔｓｉｄｅ ｆｒａｍｅ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｅａｓｙ ｔｏ ａｓｓｅｍｂｌｅ ａｎｄ ａｄｊｕｓｔ ｇｒｅａｔｌｙ．Ａ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐｏｄ ｗｉｔｈ ａｎ ｉｎｎｅｒ ｆｒａｍｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｂ－ ｓｏｒｂｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｉｎ ａ ｔｅｓｔ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ａ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｔａｒｇｅｔ ｗａｓ ａｌｓｏ ｏｂｓｅｒｖｅｄ，ｏｂｔａｉｎｅｄ ｒｅ－ ｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｏｄ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｉｄｅｏ ｉｍａｇｅ ｏｆ ｔａｒｇｅｔ ｉｓ ｃｌｅａｒ ａｎｄ ｆｌｕ－
１ 引 言
吊舱是指安装有机械设备或武器并吊挂在机 身或机翼下的流 线 形 短 舱 段，光 电 吊 舱 可 用 于 观 测导弹发射和飞行过程中的动态状况。由于飞机 起降会产生较大 的 冲 击，空 中 飞 行 的 大 机 动 动 作 也要产生较高的 过 载 力，因 此 对 吊 舱 的 结 构 强 度 和刚度有一 定 的 要 求。 另 外，飞 机 发 动 机 组 产 生 的 振 动 ；飞 机 航 线 、速 度 、高 度 、姿 态 的 急 剧 变 化 产 生 的 振 动 ；各 种 大 气 现 象 和 空 气 动 力 现 象 颤 振 、扰 流、抖 振、结 冰 等 引 起 的 振 动；相 对 摄 像 机 窗 口 的 空气流动和低频热动力现象等引起的振动等都会 使观测载荷的视 轴 瞄 准 线 产 生 晃 动，严 重 影 响 图 像质量和指 向 精 度 。 ［１－２］ 以 往 光 电 吊 舱 和 其 载 体 飞 机 间 通 过 ４ 个 减 振 器 相 连 ，在 多 数 情 况 下 ，光 电 吊舱需探出机外 工 作，其 质 心 与 减 振 器 的 支 撑 中 心 很 难 重 合 ，在 动 态 环 境 下 容 易 产 生 耦 合 角 振 动 ， 对 成 像 质 量 、目 标 定 位 和 数 据 引 导 精 度 都 有 影 响 。 不过由于飞机飞行速度较低而且在光电吊舱工作 时间段飞行姿态 较 平 稳，因 而 光 电 平 台 的 基 准 与 飞机惯导基准的 关 系 可 认 为 固 定 不 变，通 过 坐 标 变换综合计算光电平台瞄准线的角度数据和飞机 惯导的航姿数据，就 可 实 现 目 标 定 位 和 数 据 引 导 功能 。 ［３－７］ 本文描 述 的 吊 舱 工 作 环 境 与 通 常 的 环 境不同，在工作中 该 吊 舱 与 飞 机 上 的 标 准 挂 架 连 接，吊舱与飞 机 间 无 法 加 减 振 器。 为 了 用 该 吊 舱 观测导弹飞行过 程 的 动 态 状 况，本 文 从 设 计 和 安 装实用性的角度 出 发，设 计 了 光 电 吊 舱 内 框 架 减 振系统。描述了吊舱分系统光电头舱的设计思路 和设计过程，分析 了 吊 舱 的 工 作 环 境 和 框 架 结 构 的 工 作 原 理 ，指 出 内 框 架 减 振 的 必 要 性 ；通 过 分 析 减 振 轴 系 的 特 性，设 计 了 一 种 模 块 式 驱 动 轴 系。 实验检测证明设计的内框架减振系统轴系紧凑， 可增 加 有 效 载 荷 空 间，减 振 器 布 局 合 理，减 少 了 线－角耦合的程度，且安装方便。该吊舱能实现 横 滚 向ｎ×３６０°，方 位 向 ±９０°观 测 ；１８０°处 于 保 护 状 态；工作时有 目 标 定 位 和 数 据 引 导 功 能。 考 虑 观
２０３７
ｉｄ．Ｔｈｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｅｒｒｏｒ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １ ｍｒａｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｏｅｌｅｃｒｏｎｉｃ ｐｏｄ；ｉｎｎｅｒ ｆｒａｍｅ ｄａｍｐｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｍｏｄｕｌｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｓｈａｆｔ