在视觉惯性定位系统中，传感器位姿关系的标定对于实现精确空间定位至关重要，针对现有标定方法对多传感器系统缺乏集成性、标定精度受限等问题，提出了一种视觉惯性系统位姿高精度一体化标定方法。通过精密三轴转台提供角度基准，基于重力矢量不变性和匀速圆周运动下向心加速度数值的一致性求解惯性测量单元（IMU）与转台之间的外参，利用转台构建控制场为相机标定提供空间角度约束，联合优化求解无重叠视场多相机内外参。仿真和实验结果表明，该方法具有较高的标定精度和稳定性，在多相机IMU系统组合定位测试中，与经典标定方法Kalibr相比，本文方法系统运动轨迹拟合轴线的角度偏差降低40.32%，距离偏差降低18.93%，可满足高精度视觉惯性定位系统的标定需求。

目前在三轴转台跟踪中缺乏对运动目标进行有效解算的实时方法, 而普遍应用的锁定横滚轴的地平式跟踪方法和锁定方位轴的水平式跟踪方法存在跟踪盲区问题, 为此提出了一种三轴角速度偏差最小方法。对三轴转台建立运动模型, 以各轴速度偏差平方和最小作为指标, 利用转台轴角位置、轴角速度和跟踪目标位移等参数, 建立运动模型的广义逆矩阵, 求解出唯一确定的三轴转角偏差, 将目标的空间指向变化平均分配到三个轴系, 实现对三轴转台的实时伺服控制。相比于地平式方法和水平式方法, 在跟踪越过盲区的目标时, MDTV方法可以大幅降低跟踪过程中转台的角速度和角加速度, 保证跟踪转台平稳运行。在跟踪旋转靶标时, MDTV方法的跟踪偏差最大值只有地平式方法的15.4%。试验证明该方法可以解决跟踪盲区问题, 能够提高设备的跟踪精度。

为了减小转台误差对激光陀螺捷联惯组(SIMU)标定精度的影响, 采用模观测法设计了正二十面体-12点的位置和速率试验计划。首先, 利用在重力场下的12个静态位置标定加速度计的零偏、标度因子和安装误差矩阵; 然后, 采用外环角速率、中内环双轴翻滚至12点位置来标定陀螺的零偏、标度因子和安装误差矩阵; 最后, 利用SIMU框架坐标系为桥梁, 实现了加速度计和陀螺参数坐标系的统一。仿真分析表明: 该方法能有效抑制转台误差对SIMU标定结果的影响, 当转台各轴系垂直度误差为角秒级且角位置误差小于1′时, 加速度计和陀螺的标度因子相对误差和安装误差矩阵的标定误差均小于10-5, 加速度计零偏的标定误差小于10 ?滋g , 陀螺零偏的标定误差小于0.01(°)/h与测量噪声处于同一数量级。

为了补偿转台伺服系统的非线性扰动以及抑制滑模控制的高频震颤现象, 设计了一种新型滑模控制器。首先, 利用反双曲正弦函数设计一种三阶扩张状态观测器, 通过该扩张状态观测器估计二阶系统的状态变量和未知非线性扰动。然后, 采用反双曲正弦函数构造滑模控制律, 设计了一种利用扩张状态观测器的滑模控制器, 并证明系统渐近稳定。最后, 三轴转台伺服系统的仿真实验结果表明扩张状态观测器能获取系统各状态高精度估计值, 采用该新型滑模控制器的伺服系统具有较高的位置和速度跟踪精度, 有效抑制了滑模控制输入的高频震颤现象。

针对纬轴工作范围为±20°的三轴跟踪架结构不能跟踪半球空域内所有卫星的问题,本文研究了卫星跟踪原理,结合纬轴受限的三轴结构特点,推导出了三轴之间关系的公式,并由此仿真得出了STTA卫星跟踪策略算法.跟踪仰角70°以上的卫星时,采用方位轴定位式水平式跟踪,这种跟踪方式既利用了水平式结构保精度跟踪天顶附近目标的优势,又克服了地平式结构有天顶跟踪盲区问题;跟踪仰角70°以下的卫星时,采用方位轴随动式水平式跟踪,这种跟踪方式使地平式跟踪方式和水平式跟踪方式有机地结合起来,实现优势互补,达到了更为理想的跟踪效果.该跟踪策略不仅解决了三轴转台纬轴工作范围受限问题,而且能够捕获跟踪半球空域内所有卫星,并保证卫星全程在保精度跟踪范围内.最后设计了实验,证明了该跟踪策略算法的有效性和可行性.

针对三轴转台伺服系统位置精度要求不断提高, 提出了改进型重复控制与微分前馈控制相结合的复合控制作用于伺服系统的位置回路。根据某型三轴转台伺服系统的组成, 分析并建立了电流环、速度环与位置环的模型, 并于位置环设计了改进型重复控制器。设计时, 考虑了三轴转台的三个框架转动时互相产生的耦合影响, 并分析三个框架同时转动时三轴转台的内框快速性与稳定性。仿真结果表明, 采用复合控制策略时三轴转台的位置控制响应快、精度高、抗干扰性强, 满足系统性能指标。

低速性能是衡量转台伺服系统性能的重要指标之一,提高转台低速性能的方法很多,但都因复杂而影响其在工程中的应用.采用了在工程中简单易行的双极性PWM驱动控制来提高系统的低速性能.经分析和计算,确定了双极性PWM驱动的结构和开关频率.实验结果表明双极性PWM驱动对改善方位轴伺服系统低速性能具有明显作用.