● 摘要
随着高分辨率光学侦察、照相、跟瞄技术的不断发展，对新型隔振平台的要求也越来越高。高分辨率光学设备需要工作在低噪声环境中，以实现高分辨率的拍摄和跟瞄。车载和机载光学观测设备由于受到地形、阵风等影响，会受到较大的扰动，影响光学设备正常工作，因此设计针对车载、机载光学设备的低频大振幅振动隔离装置成为亟待解决的问题。 本文以此为背景，提出了以直线电机为作动元件的大行程Hexapod主动隔振平台概念，并设计和研制了平台样机，建立了相应的实验测试系统，对平台进行了性能测试和控制实验研究。 论文首先阐述了研究的背景和意义，介绍了 Hexapod 平台在隔振、定位与跟瞄领域的研究现状，并分析了目前研究存在的问题。在此基础上提出了用于机动平台隔振的基于直线电机的大行程六自由度 Hexapod 主动隔振平台的概念。 其次在大行程 Hexapod 平台构型设计部分对平台的运动学方程、奇异性、误差传递及受力等进行了理论分析和公式推导。设计了满足±8°转动和±30mm 平动工作空间的平台构型，并对其进行了必要的运动学和动力学分析。 接下来在大行程 Hexapod 平台作动器设计部分，在对各类作动元件进行分析对比的基础上，选取直线电机为作动器的作动元件。选取了用于作动器的导轨、传感器及驱动器等部件，并对作动器结构进行了设计。设计作动器的控制系统，并进行了幅频特性、定位精度等测试。利用自适应陷波控制器对作动器进行了3～20Hz 正弦扰动的单杆振动隔离实验，结果显示隔振前后振幅降低 20dB。 结合以上所设计的构型参数及作动器结构等，设计了大行程 Hexapod 平台上下平面的机械结构。 设计了用于大行程 Hexapod 平台的大载荷无间隙两自由度万向节和三自由度万向节铰链，并进行了与作动器与铰链的虚拟装配和干涉检查。在建立平台整体虚拟样机的基础上，进行了平台运动学分析干涉检测。 其次设计了大行程 Hexapod 平台指向/隔振一体化控制系统，指向控制采用 PID控制，隔振控制采用X滤波自适应逆控制。在对平台作动器传递函数进行识别的基础上，利用ADAMS 软件建立的 Hexapod 平台的动力学模型，并进行了运动学和动力学仿真。利用 ADAMS 与 Matlab 的联合仿真接口进行了控制系统在回路的平台隔振仿真，包括大行程隔振，隔振中指向，多自由度叠频隔振，六自由度随机扰动隔振等内容。 接下来在建立 Hexapod 平台指向实验系统的基础上，测试了 Hexapod 平台的实际工作空间，结果显示，平台平动工作空间大于35mm 转动工作空间大于 8°。进行了平台 Z轴方向闭环定位控制实验，定位精度高于 0.05mm。搭建了 Hexapod 平台隔振实验系统，对 Hexapod 平台开环和闭环频率特性进行了测试，测得平台一阶共振频率55Hz，高于平台隔振频段 5～20Hz。进行了Hexapod 平台的主动隔振实验，包括垂直向正弦扰动隔振实验，随机振动隔离实验及平动/转动复合扰动隔离实验。正弦扰动隔振实验结果显示，隔振前后上平面振幅衰减 90%以上，随机振动隔离实验结果显示，上平面峰峰值降低 78%。 平动转动复合隔振实验结果显示， 平动加速度衰减 90%以上，角速度衰减 80%以上。 最后，对全文的创新性研究工作进行了总结，并提出了进一步研究的开展方向。