1绪论
1.1开展机械稳像平台研究背景和意义
目前各种稳像技术的发展突飞猛进。人们在解决一些稳像问题时较多地采用光学稳像和电子稳像，通常使用在军事和智能化程度较高的领域。这种技术的特点是智能化高，设计复杂，成本高。然而在一些民用的领域需要一些结构简单，操作容易，成本相对较低的稳像观察系统。本文试图采用一种较为简单的方法，设计具备可移植的机械稳像平台，让一些普通的观猫光学系统能够通过该平台的使用，广泛地应用在车载、船舶等非稳定状态下的。
1.2当前各种稳像技术的发展
1.2.1光学稳像
光学稳像是采用光学部件的自适应调整原理。当产品抖动时，光学部件会调整光路，补偿产品抖动产生的光轴偏移，从而实现稳像的目的。通常来讲，光学稳像方法不需要将整个仪器或光学系统稳定，从而减轻了被稳定系统的重量，但是光学稳像通常对于消除细微的抖动和较小的角加速度比较有效。在军事、医疗仪器等方面均有应用，特别是在一些民用视场，采用人眼观察小型的观测仪器上。光学稳像按控制的方式，可分为折射光学元件和反射光学元件的方法。折射元件的方法是利用可变光楔来控制瞄准线的方向，根据出射角和入射角的关系来补偿像移。另外根据稳像元件的位置，光学稳像又可分为像空间稳像和物空间稳像[2]。
1.2.2电子稳像技术
电子稳像是采用电子技术和计算机数字图像处理的方法确定图像序列的喊间偏移并进行补偿的技术。电子稳像最早由美国Itek公司研制的，随着新的传感器技术和计算机技术的发展，稳像系统己经发展成为应用光、机、电、算的综合性的系统。近年来，利用机电传感器和数字图像结合的方法也被提出。这些方法的共同点都是利用高精度陀螺做传感器，检测出图像的位移矢量，然后利用数字图像处理的方法对像素进行处理，实现图像的稳定。
1.2.3机械式稳像技术
机械稳像通过陀螺传感器等器件检测摄像平台的抖动，然后将信号进行处理，控制伺服系统进行姿态调整，稳定摄像平台，而达到稳定载体视轴的目的。在一些大的系统中，如武器系统中，往往将整个成像设备置于平台上，形成稳像平台的方式，通过惯性元件来检测载体的姿态角的变化，其输出信号经过检测、放大、和处理后，驱动电机来保持摄像机的稳定，以便确保输出图像序列的平稳。根据消除姿态不稳定误差方式的不同，平台稳定方式分为一级稳定和二级稳定[5]。一级稳定技术的稳定是采用一个框架系统作为光电传感器的光电平台，在平台上放置陀螺来测量平台的姿态，用陀螺来检测姿态角的变化将信号反馈给框架的力矩电机，通过力矩电机驱动平台来保持光电传感器的稳定。一般来说，一级稳定完全依靠平台来整体稳定，受到的各种干扰较多，稳定精度受限制。而二级稳定技术是指在稳定平台粗调的基础上，再用反射镜系统实现精调，使反射镜系统和稳定平台配合使用，可达到更高的稳定精度。
1.3国内外稳定平台发展现状
稳定跟踪平台隔离载体的扰动，实时监测平台姿态和位置的变化，不断修正参数，能够保持姿态基准，并通过前端光电设备实现对动态目标的自动跟踪，广泛的应用于光电精确制导系统中。所谓的“视轴稳定技术”，就是能够隔离弹体角运动对武器射击线的扰动实现高精度的自动跟踪，使得光电观脑设备的睡准线稳定，从而使得通过其获得的目标图像稳定，从而保证了识别和测量目标的基准，图像清晰，保证了在运动中的射击精度。[7]在很多领域都用到了稳定跟踪平台，特别是在高空中、海面上、车辆上因为工作环境的原因，需要采用稳像平台来达到获取高效、清晰、准确的图像。目前所应用的视轴稳定方法主要包括光学稳定和电子学稳定，齿轮传动稳定，陀螺惯性稳定等，其中最为主要和广泛的是陀螺惯性稳定方法。基于陀螺的视轴惯性稳定可分为：1)进动陀螺式：把传感器、光学系统、与进动陀螺固联在一起，利用陀螺角动量实现视轴稳定。利用反馈的误差信号驱动陀螺朝目标方向进动，进行目标的搜索和跟踪。2)伺服连接式：观测设备和陀螺是分幵的，观测设备安装在转台上，陀螺沿着载体进行轴向安装在另外的位置，两者通过“电轴”连接，实现视轴稳定；3)整体稳定式：把陀螺仪和观猫设备同时安装框架上，由力矩电机驱动。系统工作时陀螺在空间三个方向上感应姿态，输出信号至控制中心，根据姿态计算驱动电机，使视轴在空间上保持稳定。
2设计分析
2.1.总体设计分析
根据实际的使用需求在运动的载具（船只，车载）上经常需要对远距离目标实施观察。一般的双目手持式望远镜因为口径和倍数的限制，实现高倍远距离观察存在局限性。但是要实现大口径高倍观察首先需要解决的是稳像问题。民用稳像观察需要解决的是达到人眼视力范围内能够调整的精度。因为人眼的视觉延迟和自身的适应，这个指标比在军用领域的猫准线的稳像要求大大降低，只需要更低的延迟要求以及图像中心校准范围。从这个设计思路出发，围绕着整个稳像系统提出切合的指标和相应的结构。构成整个机械稳像平台的系统设计主要由二部份构成。分别是，光学设计、结构设计、电路控制设计。
3系统结构设计...........23
3.1光学系统的结构设计.........23
3.1.1采用翘45°的转像结构方式.........25
3.1.2光学目镜和电子目镜通用接口设计.........27
3.1.3目镜连接座结构的设计.........27
3.1.4光学目镜.........28
3.1.5电子目镜的设计.........28
3.1.6外接显示器或图像信号输出模式.........29
3.2平台的机构设计.........29
3.2.1平台底座和框架.........29
3.3伺服系统的结构.........29
3.4总体结构示意图.........29
3.5本章小结.........30
4.系统模型分析.........30
4.1系统中陀螺的配置.........31
4.2速率稳定环各环节的数学模型建立.........32
4.3本章小结.........35
5主要元器件选型设计.........36
5.1驱动电机选择.........36
5.1.1直流电机.........36
5.1.2转矩计算.........37
5.2角速率陀螺选择.........40
5.2.1 MEMS陀螺的工作原理.........41
5.2.2角速率陀螺的选择.........42
5.3 A/D转换器及其他器件.........43
5.4.功率放大电路中运算放大器选择.........43
5.4.1校正装置中运算放大器选择.........4
5.5本章小结.........46
结论
本论文首先结合实际设计出适用于民用级人眼观察望远镜稳像平台结构方案。同时建立了陀螺稳定平台方案配置，推导了各空间坐标系之间的映射转换关系和稳定隔离载体角运动方程，为民用级稳像平台的建立供了理论依据。确定了大口径高倍望远镜机械稳像适合的望远镜结构并说明了平台、框架的基本构成原理，通过设计计算完成了系统所采取的稳像平台各器件的选型。推导了伺服系统关键部件的传递函数，在此基础上，建立了伺服系统各部分数学模型，提出了改进系统的一些校正方法，使得控制系统的性能得到了一定的改善。针对所研究的系统进行了误差分析，确定了适合搭载在平望远镜的指标参数。论文中采用的微机械角速率陀螺、直流力矩电机使得系统降低成本及体积小型化提供了条件。本文通过对实际指标的考虑和计算放弃了完全釆用人机工位一体隔离的设计思想。这个思路不符合民用级要求体积小、结构简单、成本低的特点。提出了采用在产品上耦合CCD外置显示以及人眼观察结合的设计方案，符合民用多功能的需求。同时拟定了以MEMS陀螺为核心，二框二轴为稳像结构，以直流力矩电机为主的伺服系统，经过设计计算该平台指标可以满足本文大口径高倍望远镜为主要负载的产品的指标要求。设计了一般观察稳像要求的解决方案，确定了以25倍口径以下望远镜机械稳像的通用平台，为军转民的技术转化提供了思路。
参考文献
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[3]陈猫.车载电子稳像技术研究[D].中山大学,2006.
[4]黎新群.红外热像仪的稳像研究[D].长春理工大学，2007.
[5]庞新良，范大鹏，滕旭东，等.数字式机载光电伺服系统的实现[J].光电工程.2007(3): 10-15.
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