关键词:
内框架测角
球面运动副
球面电容传感器
四象限差分式结构
二维角运动信号检测
摘要:
航空光电吊舱多采用两轴四框架的万向转动机构使其内部的光学载荷同时产生俯仰(a)、横滚(a)角运动以实现对空间目标的精确跟踪,其中外框架的主要作用是大范围的转动和对风阻扰动的隔离,内框架可在±4°的小角度范围实现精密的惯性稳定与跟踪功能。传统的内框架结构多采用正交框架结构,其框架的尺寸跨距大、传动路径长,因此,内框架结构占据较大的尺寸空间与重量。球面运动副相比于框架结构而言,具有体积小、运动自由度多、传动路径短等显著技术优势,但其二维角运动信号难以检测,限制了其在航空光电吊舱中的应用。虽然索菲亚平流层红外天文台(SOFIA)采用了球面运动副做为轴承结构去承载光学载荷,并利用激光角度测量技术实现了对球面运动副二维角运动信号的检测,但激光式测角方法结构体积大,难以应用在航空光电吊舱有限的尺寸结构中。本文通过调研国内外球面运动副及其测量技术的发展现状,结合航空光电吊舱内框架测角的应用需求,研究一种基于电容差分测量原理的小型化两自由度测角技术。主要开展的研究工作:一、基于球面运动副的结构与传动特性,提出一种四象限差分式结构形式的球面型电容传感器,建立球面电容传感器两维角运动信号与差分输出电容信号的数学测量模型,针对运动中存在的角度耦合问题,构建信号解耦计算方法,为角运动信号的检测提供理论依据;二、设计球面电容传感器的初始结构参数,基于有限元电磁模型对球面电容传感器进行分析;将电磁仿真结果与传感器理论模型对比,进一步验证了球面运动副二维角运动信号检测方案的可行性,确定了传感器的设计要求;三、针对耦合的微弱信号难以检测的难题,提出了一种新的交流激励式驱动电路对耦合的二维角运动信号进行解耦,并设计了FPGA数字互相关检测算法对f F级微弱信号进行检测,完成了电容传感器二维角运动信号检测系统的软硬件设计;四、搭建球面电容传感器的测量装置,开展了二维角运动信号的检测实验,分析并讨论了实验数据中非线性误差、温度漂移的主要来源。针对由安装误差引入的非线性误差进行数学建模,并提出了校正方法。经补偿校准后,球面电容传感器在±4°的测量范围内能够实现0.002°的角度测量,迟滞误差为0.93%,重复性误差为±0.86%,补偿后的温度漂移为0.00008°/℃。综上所述,本文深入研究了球面电容传感器的设计理论与方法,研究了小角度运动范围的电容传感器的调制解调软硬件技术,分析了安装误差对电容传感器输出特性的影响,搭建了实验装置,完成了对设计的电容传感器的测试。课题突破了小角度球面运动副的二维角运动信号检测技术瓶颈,为球面运动副在航空光电载荷中的应用奠定了重要的技术基础。