基于ADAMS两轴三框架光电稳定平台动力学分析

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随着光学、电子和航空技术的快速发展，无人机载光电稳定平台系统凭借其体积孝重量轻、操作灵活、稳定度高等优点，被广泛应用于军事及 民用领域中。然而，由于无人机负载要求，光电稳定平台的重量、体积，直接影响整个无人机载光电稳定系统的性能。因此，探究小型化、轻型化光电稳定平台结构具有重要意义。

1 两轴三框架光电稳定平台结构形式 分析光电稳定平台的框架结构在结构中占有很大作用，其结构的形式直接影响了光电稳定平台的整体结构设计、承载能力和稳定精度等。根据对小型光电稳定平台的体积、重量、控制精度及挂载方式的要求，本文采用两轴结构形式。二轴二框架结构体积小，重量轻，但其控制精度不高，工作角度受限，容易造成自锁现象；然而，二轴四框架结构虽然控制精度高，但其结构复杂，不能够满足本文对结构小型化的要求Ⅱ0。基于以上分析，本文折中选择两轴三框架结构，如图1所示。

本文设计的光电稳定平台框架结构主要包括内方位框架、内俯仰框架、外方位框架，按照方位-俯仰-方位”的方式排列。绕X轴转动的轴为俯仰轴，绕z轴转动的轴为方位轴，方位轴与俯仰轴相互独立且正。外方位框架由伺服电机经齿轮减速驱动，绕外方位轴转动，从而完成方位方向上360。转动动作；内俯仰框架由力矩电机直接驱动，使其绕俯仰轴转动，完成平台的俯仰动作；内方位框架由力矩电机驱动，绕内方位轴系转动，完成方位角度的调整。

图1 两轴三框架结构示意图2 光电稳定平台运动方程的建立光电稳定平台的结构由三个刚体组成，即，外方位框架、内俯仰框架、内方位框架。作用于三个框架刚体上的力矩大体分为：作用在刚体上的外加力矩及各刚体之间的约束力矩和摩擦力矩。

通过平台结构受力分析可知，外方位框架既受其外加力矩 ， ， 及基座对外方位框架的作用力矩 ， ， ，还有内俯仰框架对外方位框架的作用力矩-M ，-M ，-M 。内俯仰框架存在两个自由度，即绕自己转轴Oxm旋转和随外方位环绕OZo旋转，内俯仰框架所受力矩为内俯仰框架外加力矩M ，M ， 、外方位框架对内俯仰框架的作用力矩M ， ， 、内方位框架对内俯仰框架的作用力矩-M ，-M ，-M 及电机对内俯仰收稿日期：2013-03-07作者简介：王晶东 (1981-)，男，吉林人，博士生，研究方向为精密与超精密加工和微机械系统。

第35卷 第6期 2013-06(下) [145] l 匐 似M M 。 J a sinrsinp-批cos y sin p-矗p sinycos e ∞s7-酊 sinnl -， cosrsin卢4-，Ssm，xdcos， 十 -( -J )d sin 辩lM M 瞄口( -M )-sm (‰ - ) COSa(J 瞄 -1- ) sinP)-sin(Jsin.o-·，- -JR)a，0sin，oJ (#cosysin/Y-sinysin，8 (1)l sinyeas 锄 7 cosn(， - X-asin ysin 瞄 ，×dcee，埘l帆 M DE- cos，-越sin， ( - ×叫 sinrsin 嘲 ，xd嘲 ysin pslnn3 基于ADAMS动力学分析[146] 第35卷 第6期 2013-06(下)图2 小型无人机载光电稳定平台物理模型在机械结构中，轴承及框架与轴端的联接为影响结构特性的主要因素，因此，在添加模型驱动过程中，将轴承视为-个弹簧阻尼器；在框架与轴的联结处各自加上-个弹簧阻尼器 。其物理模型如图2所示。

3.2约束的添加模型简化和导入之后，根据各零件间相对位置关系添加约束。根据小型无人机载光电稳定平台运动情况，内方位框架与内俯仰框架均绕各 自旋转轴往复摆动，而外方位框架相对大地绕其旋转轴匀速转动，对于相对运动，本文在内方位轴系与内俯仰框架建立转动lJJointl，并添加驱动Motionl，负载与内方位框架固联以提供载荷，因此无需添加负载力；在内俯仰轴系与外方位框架间建立转动lJoint2，并添加驱动Motion2；在外方位轴系与大地建立转动1]Joint3，并添加驱动Motion3。由于光电稳定平台自身重力不容忽略，需要添加重力加速度。根据前文计算得知，轴承摩擦载荷相对较小，因此，忽略各轴系转动副间的轴承摩擦载荷〃立的仿真模型如图3所示。

图3 小型无人机载光电稳定平台仿真模型3.3小型无人机载光电稳定平台运动仿真及耦合分析为了解光电稳定平台运动情况及运动时各环输出力矩，分别分析光电稳定平台各环框架单独旋转时的输出力矩情况及三个框架共同旋转时，各环输出力矩的耦合情况。设置仿真条件：仿真时间为10s，步数为200步。

l违 訇 化1)设置Motion115d×Sin(PI×time)，Motion2Motion30，测量内方位环电机单独作用时的输出力矩 (x方向)如图4所示。

由图4可知 ，内方位环 电机单独作用 时，输 出力矩 的最大值为260.3N·mm，最小值为260.15N·mm，两者相差很小，以幅值变化很小的方式正弦变化，也就是说，内方位环电机单独作用时力矩基本恒定。

图4 内方位轴系单独旋转时，内方位环电机输出力矩2)设置Motion245d×sin(PI×time)，MotionlMotion30，测量内俯仰环电机单独作用时的输出力矩 (Y方向)如图5所示。

图5 内俯仰轴系单独旋转时，内俯仰电机输出力矩由图5可知，内俯仰环电机单独作用时，输出力矩最大值为14.6N·mm，最小值为-27.1N·mm，力矩变化呈正弦趋势。具体来说，内俯仰环电机单独作用时，在00.25s内，内俯仰环电机输出力矩幅值逐渐减小，该力矩为主动力矩；在0.25s1s内，电机输出力矩幅值逐渐增大，此时内俯仰框架运动方向改变并做减速运动，电机输出力矩为阻力矩：在ls1.75s内，电机输出力矩幅值逐渐减小，该力矩为主动力矩，但方向相反，促使内俯仰框架反方向运动；在1.75s3s内，输出力矩幅值逐渐增大，此时内俯仰框架运动方向改变，电机输出力矩为阻力矩。

3)设 置 MotiOn330d×time，Motion 1Motion20，测量外方位轴系单独旋转时的输出力矩 (Z方向)如图6所示。

由图6可知，外方位轴系单独旋转时，输出力矩最大值为901.00N·mm，最小值为900.9N·mm，两者相差很小，也就是说，外方位轴系单独旋转时时力矩基本恒定。

/ - ///. - ，，图6 外方位轴系单独旋转时输出力矩图4)设置MOtiOn115d×Sin(PI×time)，Motion245dsin(PItime)，Motion330d×time，分别测量内方位轴系、内俯仰轴系及外方位轴系旋转时的输出力矩如图7～图9所示。

图7 耦合运动时，内方位环电机的输出力矩图8 耦合运动时，内俯仰环电机的输出力矩L l厂 、、、/ 、 、， 、， ·/ 1. ./， ./，。 - 。 。

图9 耦合运动时，外方位环输出力矩由图7可以看出，当三个框架共同旋转时，内方位环电机输出的最大力矩为260.2 N·mm，最小力矩为-260N·mm，力矩变化大致呈正弦变化。

比较图4和图7可知，两条曲线相差较大，但幅值基本-致。三个框架运动耦合，对内方位环电机输出力矩影响较大，但不会增加其最大力矩值。

随着框架间耦合运动，内方位环电机输出力矩值由大到小，再由小到大，只是方向随之改变。

由图8可以看出，当三个框架共同旋转时，内俯仰环电机输出的最大力矩为334.5 N·mm，最小力矩为-348.8N·mm，力矩变化大致呈正弦变化。

比较图5和图8可知，两条曲线相差很大，耦合运动时的幅值较大。三个框架运动耦合，对内俯仰环电机输出力矩影响很大。

由图9可以看出，当三个框架共同旋转时，外方位环输出的最大力矩为915.8 N·mm，最小力矩下转第156页第35卷 第6期 2013-06(下) [1471务l 訇 似舰船油料补给中对接调整机构的构型进行了综合，给出了多种机构的构型，为实现油管的精确对接提供了理论基矗并获得如下结论：1)对机构运动进行了分类，结合对接过程特点，分析对接过程中的自由度数量及分类；对输出运动进行了合理分配，并提出了单-型和组合式对接调整机构组成方案。

2)对单-型对接调整机构 ，型综合出多种2R(Xy)2T(Xy)型、3R2T(xy)型及3R3T型串联式机构；引入z轴向冗余转动，构型/t25种3R2T(y)型基本类型的并联机构；对3R3T型并联机构进行了讨论。提出了6-RUS并联机构作为舰船补给对接调整机构最优方案，并对典型机构的瞬时性、解耦与奇异等运动特性进行了研究。