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三轴仿真转台控制系统的设计作者：孙克诚王琪来源：《无线互联科技》2015年第18期摘要：文章介绍了一种无人机飞行半物理仿真平台的控制系统，本系统是以ARM处理器为核心控制器，采用模块化设计的方法，设计了一个三轴转台控制系统。
系统采用PC机与下位机两级控制，使用积分分离式的PID控制算法，对三轴转台进行精确控制。
控制系统能控制三轴转台转动并对平台上捷联惯导系统姿态信息进行实时测量，保存和显示。
关键字：三轴转台；PID算法；STM32；姿态控制；捷联惯导系统；近些年来，随着现代战争的日益发展，无人机也因其无人驾驶的独特性能得到各国的重视与关注。
飞行仿真转台能够真实地模拟出无人飞行器的动力学特性，在实验室中就能对飞行器的飞行姿态进行仿真，是检测无人飞控系统性能以及进行半物理仿真实验的重要装置。
三轴转台的控制精度直接影响了仿真或调试、检测的结果，因此，三轴转台的控制系统设计往往决定了转台的质量。
本文结合实际设计了一种可实时测量平台上传感器数据的飞行仿真转台控制系统。
1系统结构及总体方案设计本三轴转台控制系统由惯性传感器模块、STM32微控制电路、OLED显示模块、按键输入模块、步进电机驱动模块、RS 232串口通信模块、编码器数据采集模块等部分组成。
系统整体结构框图如图1所示。
惯性传感器系统采集到原始信号，通过I2C总线发送给STM32微控制器，STM32控制器运用捷联惯导算法处理惯性传感器获得的数据，解算出转台的实时姿态。
在LCD液晶显示屏上实时显示姿态参数，另外使用MAX3232将TTL电平转换成RS232电平，再与PC机的COM口连接，并将姿态数据打包成固定格式的串口数据包，通过串口发送给上位机软件，在PC端上位机软件实时动态显示姿态参数和波形曲线。
在上位机软件上可以控制三轴平台的状态，模拟无人机的俯仰、翻滚、航向三轴方向上的姿态控制，控制信息通过COM口发送给STM32控制器，编码器模块采集三轴平台的转动数据经过PID算法处理后反馈给驱动电路控制步进电机转动，提高了三轴转台的转动精度。
三轴仿真转台控制系统的设计
孙克诚;王琪
【期刊名称】《无线互联科技》
【年(卷),期】2015(000)018
【摘要】文章介绍了一种无人机飞行半物理仿真平台的控制系统,本系统是以ARM处理器为核心控制器,采用模块化设计的方法,设计了一个三轴转台控制系统.系统采用PC机与下位机两级控制,使用积分分离式的PID控制算法,对三轴转台进行精确控制.控制系统能控制三轴转台转动并对平台上捷联惯导系统姿态信息进行实时测量,保存和显示.
【总页数】3页(P45-47)
【作者】孙克诚;王琪
【作者单位】南昌航空大学信息工程学院,江西南昌 330063;南昌航空大学信息工程学院,江西南昌 330063
【正文语种】中文
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硕士学位论文三轴转台控制系统设计CONTROL SYSTEM DESIGN OF THREE-AXIS TURNTABLE陈丽娟哈尔滨工业大学2010年6月国内图书分类号：TP273.2 学校代码：10213 国际图书分类号：681.5 密级：公开硕士学位论文三轴转台控制系统设计硕士研究生：陈丽娟导师：伞冶教授申 请 学 位：工学硕士学科、专业：控制科学与工程所在单位：信息科学与工程学院答辩日期：2010年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index：TP273.2 School Number: 10213 U.D.C：681.5 Security: OpenDissertation for the Master Degree in EngineeringCONTROL SYSTEM DESIGN OFTHREE-AXIS TURNTABLECandidate: Chen LijuanSupervisor:Prof. San YeAcademic Degree Applied for:Master of Engineering Specialty: Control Science and Engineering Affiliation: School of Information Scienceand EngineeringDate of Defence:June, 2010Degree-Conferring-Institution:Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘 要三轴转台是应用在半实物仿真系统中，模拟被测物体姿态变化的装置。
本文中，我们研究的主要内容为三轴转台。
本文以实际工程项目为背景，主要研究三轴转台的控制系统设计。
随着武器系统精度的不断提高，对其测试装置的要求也越来越高。
论文首先简要阐述了国内外三轴转台的研究现状，并简要总结了我国转台的发展方向、各类控制方法在该领域的应用情况以及转台控制系统存在的主要问题。
摘要三轴雷达仿真转台是三轴转台的一种，本次设计的三轴雷达仿真转台主要用于某型机载雷达的测试。
转台性能的优劣直接关系到仿真和测试试验的可靠性，是保证某型机载雷达的精度和性能的基础。
本文针对三轴雷达仿真转台的机械结构设计进行了详细的讨论，并进行了理论论证及必要的计算，同时对本转台中使用到的测量元件及联轴器等其他原件的结构及原理作了简单的介绍，设计中采用铸铝合金作为台体的材料，实现了低转速、高精度的要求，并且减轻了整体的重量，使机构在满足：转角范围、速度范围、最大角加速度等设计参数要求的前提下，使结构设计尽量优化。
本设计紧紧围绕着设计任务书中的各项指标，从内环开始至外环一步一步地展开设计。
本文主要内容包括转台的总体结构论证、转台的详细结构设计、转台的误差分析等。
结合转台设计的特点，本文重点讨论了转台机械结构的设计思想及设计过程。
关键词：三轴仿真转台；机载雷达；测量元件；联轴器：内环：中环：外环。
ABSTRACTThree shafts radar simulation turntable is one type of the three shafts turntable . The three shafts radar simulation turntable in this design is mainly used to test a certain type of airborne radar. The simulation turntable has great influence on the reliability and credence of experimentation,so the precision accuracy of a certain type of airborne radar is based on simulation turntable.This paper discusses detailedly the design of mechanical structure of the three shafts radar simulation turntable . Then uses the principle to demonstrate it and do the necessary calculation . At the same time, introduce the principle and structure of measurement components and clutch and other components used in the turntable in brief . This design closely revolves around every targets in design assignment,and spreads out from inner frame to outer frame step by step. The chief content of this paper involves the demonstration of the general structure , the design of the detailed structure and the analysis of error of the turntable. Combining the designing character of the turntable ,this paper emphatically discusses the idea and the process in designing the turntable.Key words：；Three Axis simulation turntable；Airborne radar；Measuring element；Coupling；Inner ring；Central；Outer ring目录摘要 (1)第1章绪论 (5)1.1课题背景 (5)1.2.1 智能扫描机械台的发展状况 (5)1.2.2 国内智能扫描机械台的发展状况 (7)1.2.3 未来转台的发展趋势 (8)1.3 立题的目的和意义 (8)1.4 本文主要工作 (8)第2章智能扫描机械台总体设计 (9)2.2总体设计流程 (9)2.3转台类型的确定 (9)2.4转台运动功能设计 (10)2.4.1 工作原理 (10)2.4.2 运动功能方案 (10)2.5转台总体布局设计 (10)2.6转台主要参数设计 (11)第3章智能扫描机械台机械结构详细设计 (12)3.1转台内环结构设计 (12)3.1.1 结构设计 (12)3.1.2 转矩计算 (13)3.1.3轴向固定方式的选择 (14)3.1.4轴的最小直径的确定 (15)3.1.5轴承的选择 (15)3.1.6轴承的固定与密封 (15)3.1.7内框轴与负载盘的联接方式 (16)3.1.8 主要零件刚度校核 (17)3.1.9 电机转矩的校核 (18)3.2转台中环结构设计 (19)3.2.1 结构设计 (19)3.2.2 转矩计算 (20)3.2.3 电机转矩校核 (21)3.3转台外环结构设计 (21)3.3.1 结构设计 (21)3.3.2 转矩计算 (21)3.3.3 电机转矩校核 (23)3.4机械转角限位装置设计 (23)第4章误差分析 (26)4.1回转精度分析 (26)4.1.1 滚动轴系回转精度 (26)4.1.2 俯仰轴系回转精度 (26)4.1.3 方位轴系回转精度 (27)4.2三轴相交度分析 (27)4.2.1 滚动轴与俯仰轴的相交度 (27)4.2.2 俯仰轴与方位轴的相交度 (28)第5章测量及其它元件简介 (29)5.1直流无刷电机 (29)5.2感应同步器 (30)5.3绝对式光电码盘 (30)5.4钢丝滚道轴承 (31)5.5胀紧式联轴器 (32)结论 (33)参考文献 (34)致谢 (33)第1章绪论1.1 课题背景远古时代，人类的祖先面对着充满神秘色彩的天空，编织出许多美丽、动人的神话、传说故事。
目录摘要 (3)Abstract (4)1 绪论 (6)1.1 引言 (6)1.2 国外研究状况 (6)1.3国内研究状况 (6)2 三轴转台的机械设计 (8)2.1 三轴转台的概述 (8)2.1.1 三轴转台的性能指标 (8)2.1.2三轴转台工作原理概述 (8)2.1.3 伺服驱动电机的选择与计算 (9)2.1.4 直流力矩电机的计算分析 (12)2.1.5 框架的选材 (13)2.2 转台结构的设计 (14)2.2.1 外环装配示意图 (14)2.2.2 中环装配示意图 (15)2.2.3 内环装配示意图 (15)2.2.4 总装配示意图 (16)2.2.5 零件示意图 (16)3 伺服系统的总体设计 (17)3.1伺服系统的组成 (17)3.2 三轴转台的工作原理 (18)3.3 伺服系统硬件的选择 (18)3.3.1 直流电机驱动器的选择 (19)3.3.2 圆光栅编码器增量式YGM506 的选择 (20)3.3.3 稳压器的选择 (20)3.3.4 软件可编程器件的选择 (21)3.3.5 串口卡的选择 (21)3.4 伺服控制系统的硬件接线图 (23)4 三轴转台的运动仿真 (24)4.1 概述 (24)4.1.1 主要优点 (25)4.1.2 研究复杂的实际情况 (25)4.2 三轴转台仿真过程[20] (26)5 结论 (28)6 工作展望 (29)致谢 (30)参考文献 (31)2王伟摘要航空、航天工业发展水平是一个国家科技、经济及国防实力的重要标志。
在航空航天领域中, 惯性导航和制导技术是一项核心技术, 三轴转台是测试惯性元件及半实物仿真的重要非标设备, 其性能的好坏直接影响仿真和测试的可靠性和置信度。
三轴转台是以控制理论、相似理论、系统技术和信息技术为基础，利用计算机和专用物理设备为工具，为惯性导航和制导系统仿真试验提供平台的关键设备【1】。
它能够复现空间质心运动中的转角、角速度、角加速度等物理指标。
摘要航空、航天工业发展水平是一个国家科技、经济和国防实力的重要标志。
而转台则作为航空、航天等领域中进行半实物仿真和测试的关键设备，也就在其研制过程中起到了极其重要的作用。
采用飞行模拟转台进行仿真不仅加快了武器与飞行控制系统的研制过程，也是研制费用大大降低，同时它是保证航空、航天型号产品和武器系统精度及性能的基础。
因此，转台的研究与制造对航空、航天工业和国防建设的发展具有重要作用。
本次毕业设计主要工作有对现有三轴飞行转台进行调研和分析，明确三轴转台的工作原理和结构组成部分，同时对实验室现有状况进行考察并对其建模，给出其中现有各物件尺寸及相对位置，还有设计外框马达单通道试验结构、中框马达单通道试验结构和内框电机试验结构、撰写论文。
关键字转台;仿真;驱动元件AbstractAviation and aerospace industry development level is an important symbol of national science and technology, economy and national defense strength. While the turntable as aviation, aerospace and other fields ofhardware-in-the-loop simulation and test of key equipment, also in the process of its development has played a very important role.The flight simulation turntable simulation not only speed up the process of development of weapon and flight control system, also is development cost is greatly reduced, at the same time it is to ensure that aviation and aerospace model product and the basis of weapon system accuracy and performance. Therefore, the study of the turntable and manufacturing for the development of aviation, aerospace industry and national defense construction plays an important role.The graduation design main job is to the existing research and analysis for three axis turntable flight, clear the working principle and structure of the three-axis turntable part of inspection for the laboratory existing conditions and its modeling, given the current size of various objects and the relative position, and the design frame motor single channel of frame structure, the test motor single channel test structure and frame motor test structure, writing essays.Keywords turntable;simulation;driving element目录摘要 (I)Abstract ........................................................................................................................ I I 第1章绪论.. (1)1.1 课题研究的目的、背景和意义 (1)1.2 国内外测试转台的发展概况 (1)1.2.1 国外对测试转台的研究 (1)1.2.2 国内对测试转台的研究 (3)1.3 未来转台发展趋势 (5)1.4 本章小结 (5)第2章半实物仿真 (6)2.1 半实物仿真系统定义 (6)2.2 半实物仿真的先进性及其特点 (6)2.3 半实物仿真的基本组成和原理 (6)2.4 三轴飞型转台与半实物仿真 (7)2.5 本章小结 (8)第3章三轴转台的概述 (9)3.1 三轴转台工作原理的概述 (9)3.2 仿真转台驱动原件的选择和标准 (9)3.2.1 液压驱动的优缺点 (9)3.2.2 电机驱动的优缺点 (10)3.3 驱动型式的选择 (10)3.4 本章小结 (11)第4章驱动元件试验场地 (13)4.1 实验室地基 (13)4.2 储能器 (13)4.3 实验室整体建模 (14)4.4 本章小结 (15)第5章外框马达单通道实验方案 (16)5.1 试验环境 (16)5.2 马达受力计算 (16)5.3 负载盘设计 (16)5.3.1 设计条件 (16)5.3.2 偏载件 (17)5.3.3 负载盘 (17)5.3.4 负载总成 (18)5.4 底座 (19)5.5 外框驱动元件试验结构 (21)5.6 本章小结 (22)第6章中框马达与内框电机试验 (24)6.1 中框马达试验 (24)6.1.1 试验环境 (24)6.1.2 模拟负载 (24)6.1.3 底座 (25)6.1.4 安装弯板 (25)6.2 内框电机试验 (25)6.2.1 模拟负载 (25)6.2.2 电机的安装及固定 (25)6.3 中框马达和内框电机试验 (26)6.4本章小结 (27)结论 (28)致谢 (29)参考文献 (30)附录1 (32)附录2 (36)第1章绪论1.1课题研究的目的、背景和意义航天、航空以及航海事业的发展水平反映了一个国家的综合国力，体现了一个国家的经济发展水平、科技发展水平以及军事实力的综合体现。
