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基于虚拟微陀螺技术的惯性稳定平台的研究

作　者: 尹作刚
导　师: 严质彬
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 微机电陀螺虚拟陀螺技术参数辨识随机误差建模 Allan方差惯性稳定平台模型参考自适应控制
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

MEMS陀螺作为一种很有潜力的角速度敏感测量元件，与传统的陀螺相比没有高速转子，不存在机械磨损、质心失衡等现象；与光纤陀螺、激光陀螺相比具有体积小、成本低、功耗小的优点，本文正是在这样的背景下研究如何采用低成本的MEMS陀螺惯性元件来得到高精度的角速度敏感值；另一方面MEMS陀螺作为光电惯性稳定平台的测量反馈元件，将四框架两轴的光电惯性稳定平台作为研究对象，并将其稳定控制技术作为另一研究问题。论文对MEMS陀螺系统从可靠性角度进行分析，得出了对此系统配置的一种方案——虚拟陀螺系统；针对单个陀螺通过采用Allan方差进行随机误差建模，将Allan方差作为一个随机变量，从统计学的角度得到离散情况下的Allan方差的数字统计特征，然后基于Gauss-Markov定理进行辨识得到随机误差项的关键系数，通过仿真验证了此方法的辨识是有效的，同时也验证了得到的Allan方差数字特征是正确的；应用虚拟陀螺技术将阵列陀螺作为一个子系统进行Kalman滤波数据融合，达到对输入角速度的高精度敏感值，虚拟动态滤波器的仿真设计证明了方法的有效性，敏感值在一定程度上得到了提高。另一方面，建立了两轴四框架的运动学和动力学模型，得到了框架系统的控制系统框图。针对稳定平台的跟踪稳定系统的稳定控制回路，着重考虑了低速爬行下的视轴“抖颤”现象并探讨了其原因，在传统PI控制器的基础上设计了基于模型参考自适应控制的补偿器对非线性库伦摩擦进行补偿，仿真结果表明此设计得到的混合控制器不仅能有效的进行了非线性摩擦补偿，而且具有抑制外界干扰的能力和对外界系统参数变化时的所具有的自适应性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-6
目录  6-8
第1章绪论  8-13
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  8-10
  1.2 国内外研究情况  10-12
  1.3 本课题研究内容  12-13
第2章虚拟陀螺系统的数据融合  13-43
  2.1 引言  13
  2.2 MEMS 陀螺系统的配置问题  13-15
  2.3 虚拟陀螺系统中 MEMS 陀螺的建模分析  15-33
    2.3.1 单个 MEMS 陀螺的随机误差来源  15-16
    2.3.2 MEMS 陀螺随机误差建模方法  16-24
    2.3.3 随机建模中 Allan 方差法的改进  24-27
    2.3.4 单个 MEMS 陀螺的建模及参数辨识  27-33
  2.4 虚拟陀螺系统的数据融合  33-42
    2.4.1 连续型和离散型 Kalman 滤波模型间的关系  33-35
    2.4.2 离散 Kalman 滤波的基本递推方程  35-36
    2.4.3 虚拟陀螺静态滤波设计  36-39
    2.4.4 虚拟陀螺动态滤波设计  39-42
  2.5 本章小结  42-43
第3章光电稳定平台系统建模及分析  43-53
  3.1 引言  43-44
  3.2 光电稳定平台框架系统的力学分析  44-51
    3.2.1 框架间角速度变换  44-47
    3.2.2 运动学耦合性分析  47
    3.2.3 框架系统的力矩变换  47-50
    3.2.4 力矩耦合性分析  50-51
  3.3 ISP 框架系统结构框图  51-52
  3.4 本章小结  52-53
第4章光电稳定平台稳定回路控制系统设计  53-72
  4.1 引言  53
  4.2 模型参考自适应  53-60
    4.2.1 光电惯性稳定平台的自适应系统结构  53-54
    4.2.2 MRACS 的直接法设计  54-60
  4.3 低速爬行问题的研究  60-61
  4.4 光电稳定平台稳定回路的控制器设计  61-71
    4.4.1 稳定回路常规控制器的设计  61-63
    4.4.2 基于摩擦补偿的 MRAC 稳定回路组合控制器设计  63-71
  4.5 本章小结  71-72
结论  72-73
参考文献  73-78
致谢  78

基于虚拟微陀螺技术的惯性稳定平台的研究

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