机载光电平台能隔离载体（固定翼飞机、直升机、无人机等）的扰动,通过不断地测量、修正平台的位姿变化,精准地保持扰动姿态下的基准,是获取情报的基本、有效的手段。借助内部搭载的图像传感器实现对机动目标的跟踪,在军、民、商等多个领域发挥着重要作用。传统机载光电平台由内、外多层框架组成,图像传感器由正交的环形框架环绕,框架和驱动元件占用了很大一部分空间。随着多图像传感器任务（诸如红外相机、可见光相机、激光测距等）、多轴运动需求的增长,多层框架的尺寸也变得越来越大,导致系统刚度变差,通过电机加载力矩到环型结构进行稳定控制时,会严重限制系统带宽等性能。此外,力矩直驱电机通过轴系组件直接作用于内框架,再通过内框架对图像传感器进行驱动,电机、轴系等的摩擦扰动通过轴系直接传递到图像传感器上,降低了图像的获取精度。为解决传统光电平台带宽、稳定精度低的问题,本文旨在设计一款基于非正交的万向节光电平台结构,并开展了如下研究:首先,从总体技术指标方面,对万向节光电平台系统的各个指标进行了综合分析;对几种典型光电平台结构的优缺点进行了总结归纳,从机械臂概念引出万向节关节机构的设计理念;根据技术指标对万向节光电平台结构的基座组件、关节组件和驱动组件进行了详细设计与分析;针对设计的万向节平台结构,对编码器和陀螺仪元器件进行了选型,最终设计了一套基于万向节的机载光电平台。其次,进行了机器人的运动学描述,在此基础上利用D-H参数法对万向节关节机构进行了正、逆运动学的建模,以驱动电机为末端建立了电机和关节角度之间的映射关系,建立了速度和加速度雅克比矩阵,分析了末端执行器在惯性坐标系下沿三轴的速度和加速度分量,利用机器人工具箱进行了关节结构的运动学仿真,最后进行了万向节关节机构的轨迹规划,对运动学模型的正确性进行了验证,为后续关节机构动力学分析奠定了基础。再次,开展了万向节光电平台的动力学建模工作,先后建立了三个关节臂的动能和势能的力学方程,通过对惯量矩阵项、重力项等的求解,进一步得到了万向节关节机构的动力学方程;最后利用ADAMS动力学仿真软件,开展了光电平台的正运动和逆运动关系仿真,对驱动元件、关节机构、末端之间的运动关系进行了验证,并得到了正、逆运动条件下关节机构角度与关节处转矩的关系;通过模态分析研究对万向节光电平台整机的机械系统谐振频率进行了预测。最后,搭建了万向节光电平台的实验环境,对光电平台的稳定精度、控制带宽等相关技术指标进行了测试。结果表明,本系统的各项性能参数均达到了设计指标要求,验证了系统模型的正确性。本文以传统机载光电平台控制带宽低、稳定精度低为切入点,开展了新型结构形式的光电平台机构研究,引入了关节机构、音圈电机等新型结构器件,开展了完整的运动学、动力学建模及相关实验研究,最终设计出的光电平台结构稳定精度达到5μrad,控制带宽为60.2 Hz,为新型机载光电平台的研制提供了一定的理论参考和应用价值。