三轴云台数学模型建立和仿真分析[范文]

 摘要：最近几年来，无人机在民事工业、航天航空等区域的影响度不断提高，而平衡平台是最关键的基础设备。使得拍摄照片的相机处于平静状态，随着计算机快速发展、自动对自动化理论知识的不断研究分析，加上图像处理领域的发展也比较成熟，在无人机上面安装跟踪或者拍摄设备，从而对地面或低空目标进行跟踪或拍摄的无人机系统也随之产生，因此也得到了广大相关研究人员的重视和关注。

云台框架各坐标系间关系示意图

本文主要是通过对三轴云台的分析，建立三轴稳定云台的数学模型。以三轴稳定云台为研究对象，根据三轴云台的工作原理和云台总体结构，对其进行了详细的分析，建立了地面、载体和各个框架转动系统的坐标系，完成了运动学方程和动力学方程的分析和建立，其次通过对三轴稳定云台控制模型图、云台的单通道机电模型结构图和单通道电机及光轴负载回路模型的分析，对云台数学传递函数进行构建，在图书馆上网查找资料，得到三轴云台各框架的具体所需要的基本参数，经过一系列整理分析得到三个通道模型，并且对三轴云台在实际操作中的所会受到的外界环境因素整理给出，为后续的精确控制奠定基础；再次在最后一章采用合适的控制算法，针对三轴云台的三个通道，分别在matlab/simulink中进行仿真控制，不断对参数进行测试改进，确定出仿真控制中的比例系数、微分系数、积分系数，对每次仿真结果进行分析，经过多次优化，使得仿真结果达到较优效果。最后完成对论文的整体总结，提出无人机还有可能遇到的现实问题并给予解决措施，通过云台系统在操作中的各种干扰问题，展望一下三轴云台的未来发展趋势和我们国家以后很多年的研究状况。

1 绪论

1.1 研究背景

三轴稳定云台是无人车、无人机、各种监控设备的最基本最重要的基础设施，一个稳定的云台是保证无人运动器巡航、感知、监控准确的基础设施。拍摄设备是需要装在稳定云台上面，需要始终是保持一个姿势的，当然也是需要能够使得云台上面的拍摄相机和外界各种环境得以隔绝，这样子使得拍摄相机的云台在拍摄过程之中始终保持稳定状态。实际生活操作中，外界自然环境势必会对承载拍摄相机的云台有影响，当承载拍摄相机的云台本身规模不大，而且结构比较轻便的话，受外界自然环境影响，云台上的拍摄轴不停转动导致失去平衡，甚至有时会发生畸变等不可控效果。拍摄相机若要拍出高质量的相片或视频，则需要使得承载拍摄照片的设备始终是保持水平线，使得这个被拍摄设备在高空或者地面保持一样的拍摄飞行速度，这样使得相机能够匀速地对所要拍摄方位进行拍摄，从而可以获得高质量、无失真的低空遥感图像。同时，为了能够是相机在云台的三个通道轴上进行自由切换，稳定云台需要遵循相关的规则进行转动。无人机在民事工业、航天航空等区域的影响度不断提高，随着计算机快速发展、自动对自动化理论知识的不断研究分析，加上图像处理领域的发展也比较成熟，在无人机上面安装跟踪或者拍摄设备，从而对地面或低空目标进行跟踪或拍摄的无人机系统也随之产生，因此也得到了广大相关研究人员的重视和关注。

1.2 研究意义

云台框架受力分析图

在互联网快速发展、信息化的时代下，生活中各种数字趋向于数字化、清晰化，科学技术也在不断有所进展，为了更好地探索宇宙的奥秘，可以利用稳定云台进行航测，升高航行测试的效果，获得高品质的遥感图像，减少工人们的各种高空实践的风险。工人们用云台来进行高空拍摄时候，不会再对工人们的身体素质或者高空操作技能进行考虑，直接利用云台来发挥自身的作用，这样对其他相关从事相关工作的人员来说，比较轻松省事。利用稳定云台能监拍摄设备器准确地监拍标准位置，使得相机可以在外界更加空阔的地方拍摄图像。承载拍摄相机的设备在拍照片的各种动作中如果一直处于平定线，那么在进行拍照处理时，会发现东西很是清晰，普遍都是高质量的画面，当然在拍摄期间什么状况都是很有可能出现的，这都是必须要考虑清楚在内的，外界环境，自身因素，设备自身因素等等。第一点也是比较重要的一点，在操作过程中，必须得考虑承载相机的设备上面相机或者摄影机以及其他需要在上面安装的东西的多少，三轴稳定云台的基本结构和工作原理分析得到云台的重心不是云台的几何中心。同时还要受到重力等因素的制约，三个轴之间会因为其他两个轴的转动而发生错误。还有一点也是比较重要，承载相机的设备在运行状态时候肯定毋庸置疑的会遇到很多很多难以想象的、无法预测的情况，所以到最后在拍摄时候会因为拍摄环境较差，使得云台没办法一直处于稳定状态，可能会有风力的影响，至于影响程度取决于当时当地的风力大小和风向。通过研究改进不断，提升我国在稳定云台方面的发展技术，对我国航空航天事业有着重要的意义。