浮球式惯导平台(简称浮球平台)是一种新型的无框架惯导系统,由于其在大过载、高动态等环境中具有精度高、抗干扰能力强等卓越性能,成为战略导弹、潜艇和高超声速飞行器等战略武器系统理想的惯性导航系统(简称惯导系统)。本文以此为背景,针对浮球平台进行了开创性的系统研究,研究成果填补了我国浮球平台总体设计及其关键技术研究的空白,对于我国浮球平台的工程研制以及高精度惯导系统的发展具有重要参考价值。论文的主要研究内容如下:(1)提出了一种可行的浮球平台总体技术方案,搭建了浮球平台实验平台,设计并分析了平台的关键系统。根据惯导平台的功能要求,深入的分析了浮球平台设计的新问题与难点,给出了浮球平台的设计目标和要求,并以此提出了浮球平台的总体技术方案;然后详细介绍了平台的系统组成和基本原理,设计了平台悬浮稳定系统方案,搭建了浮球平台实验平台,结合课题组前期的研究成果,确定了平台的任务要求;最后基于上述要求,设计了平台关键的悬浮支承系统、力矩器系统和姿态测量系统,建立了相应的数学模型,深入分析了其性能,结果表明:设计的上述系统可以满足浮球平台的要求。(2)系统全面的分析了平台的受力和力矩,建立了平台完整的六自由度运动方程,深入分析了平台的干扰特性。针对球体悬浮稳定问题,系统全面的分析了平台的受力和力矩,建立了平台支承力、球体重力、浮力等作用力模型以及球体的控制力矩、质量不平衡力等力矩模型;然后重点分析了平台的摩擦问题,对平台特殊的电刷滑动摩擦,基于Stribeck摩擦模型,建立了电刷滑动摩擦力矩模型;对于液体的粘性摩擦,利用流体N-S方程,根据球面间Couette流的特点,通过简化N-S方程,推导了球体和壳体的粘性阻尼力矩模型,解决了平台摩擦的描述问题;然后基于上述模型,建立了浮球平台完整的六自由度运动模型;利用平台平移运动方程,分析了平台在大过载、振动等环境中,球体的悬浮定位问题,仿真结果表明:设计的悬浮支承系统可以有效抵抗干扰力的影响,球体的定位精度优于5 106-?m,满足平台的悬浮定位要求;对于平台的绕质心运动干扰问题,将流体运动项引入平台的运动方程中,推导了完整的平台干扰传播特性路径,从理论上解决了平台的干扰特性分析问题;最后根据平台的悬浮稳定控制方案,构建了平台的悬浮稳定控制回路。(3)针对浮球平台的测量输入去噪问题,深入研究了光纤陀螺的随机误差特性分析及抑制技术。利用光纤陀螺的实测数据,根据不同的分组策略,基于Allan方差基本原理,设计了nflo Avar和fol Avar分析方法;为了提高测量数据的利用率,将实测数据进行了扩展,设计了nflo Tvar、fol Tvar等总方差分析方法,然后详细分析了光纤陀螺的随机误差特性,辨识了光纤陀螺的随机误差系数;对于浮球平台测量输入的去噪问题,深入研究了一类基于最小均方差法则的自适应随机误差滤波抑制技术,分析了LMS、VS-LMS和DLMS三种自适应滤波技术,仿真结果表明:上述三种自适应滤波技术均能有效抑制光纤陀螺的随机误差,其中DLMS滤波效果最佳,其较好的调节了滤波器收敛速度和稳定误差的矛盾,基本抑制了浮球平台光纤陀螺的随机误差。(4)针对浮球平台的未知干扰估计问题,设计了适用于浮球平台的非线性鲁棒干扰观测器。考虑浮球平台干扰模型偏差、参数不确定、噪声、未建动态等未知干扰,针对Luenberger线性观测器的干扰估计不佳问题,分别设计了高增益观测器、滑模观测器和扩张状态观测器三种不依赖干扰模型的非线性观测器,证明了上述观测器的收敛性问题;然后利用浮球平台的闭环控制系统,分别对浮球平台的干扰进行估计,仿真结果表明:三种观测器均能较好估计球体的状态和干扰信息,其中扩张状态观测器的性能最佳,且具有响应速度快、跟踪性能好以及估计精度高等特点,能够满足浮球平台未知干扰估计的要求。(5)设计了浮球平台高精度悬浮稳定鲁棒控制系统。针对浮球平台的高精度悬浮稳定控制问题,深入研究了一类基于滑模控制的鲁棒控制系统;为了解决滑模控制的抖振问题,分别利用观测器理论、模糊滑模控制、自适应理论、二阶滑模控制理论,同时借助助饱和函数、边界层等抑制手段,分别设计了基于观测器滑模控制系统、自适应模糊滑模控制系统和鲁棒有限时间二阶滑模控制系统,仿真结果表明:上述控制系统均能有效控制球体的姿态稳定,满足浮球平台稳定控制的动态性能指标,然而基于观测器滑模控制系统仍然存在抖振,自适应模糊滑模控制系统进一步改善了系统抖振,鲁棒有限时间二阶滑模控制系统有效抑制了系统的抖振,且具有响应速度快、稳定精度高、抗干扰能力强等优点,能够满足浮球平台悬浮稳定姿态控制要求。