動平臺下的視軸穩(wěn)定控制技術(shù)研究

劉洋

（長春理工大學(xué) 吉林省長春市 130022）

1 引言

隨著我國航空、航天事業(yè)的飛速發(fā)展，無論是民用飛機(jī)，還是無人飛機(jī)，都需要動平臺下的視軸穩(wěn)定控制技術(shù)作為支撐，來完成穩(wěn)定測繪成像和跟瞄功能。在位置、姿態(tài)發(fā)生變化時，該技術(shù)能夠隔離動平臺振動、補(bǔ)償動平臺姿態(tài)變化，保證前方視軸的穩(wěn)定[1-3]，實現(xiàn)特定方向上穩(wěn)定指向和特定方向上穩(wěn)定區(qū)域掃描。

國外在該領(lǐng)域的研究較為成熟，WSC-6系統(tǒng)上使用了BEI公司開發(fā)的QRS10型石英叉陀螺儀，其指標(biāo)達(dá)到戰(zhàn)術(shù)級標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已裝備在美國“捕食者”無人機(jī)平臺上，可以實現(xiàn)穩(wěn)定掃描；美國的OH-58D偵查直升機(jī)的FLIR吊艙，具有穩(wěn)定捕獲和夜視功能；英國的Lynx-3和以色列Msis等武裝直升機(jī)搭載的穩(wěn)定吊艙具有紅外火探功能和夜視功能，但是由于技術(shù)保密和封鎖，具體指標(biāo)鮮有報道[4-6]。

國內(nèi)在該領(lǐng)域進(jìn)行研究的主要有長春光機(jī)所，華中光電所，成都光電所，長春理工大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)等科研院所和高校，分別進(jìn)行航拍穩(wěn)相跟蹤研究、用于穩(wěn)相的高精度雙軸陀螺漂移研究和機(jī)載瞄準(zhǔn)吊艙研究，在動平臺穩(wěn)瞄技術(shù)攻關(guān)中，取得了一系列豐碩成果，但是仍有不足?，F(xiàn)階段大部分穩(wěn)定掃描系統(tǒng)當(dāng)載荷斜掛于平臺下時，在這種應(yīng)用條件下，傳統(tǒng)的控制策略并不能實現(xiàn)高精度穩(wěn)定凝視步進(jìn)掃描[7-10]，另外對于現(xiàn)有模型，以陀螺輸出量抑制平臺振動的開環(huán)掃描系統(tǒng)精度不高，階躍穩(wěn)定效果不好，影響掃描過程中光電成像能力。

本文對動平臺下的視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)進(jìn)行建模，分析工作原理，在傾斜安裝角的條件下，設(shè)計穩(wěn)瞄控制模型，采取合適控制策略，實現(xiàn)動平臺擾動下，穩(wěn)定指向功能和慣性空間自動凝視掃描功能。最后搭建實驗系統(tǒng)進(jìn)行驗證，擾動臺以5°，0.2Hz進(jìn)行擾動模擬，系統(tǒng)在105ms內(nèi)，視軸方位角完成2.16°階躍后，東北天大地坐標(biāo)系下穩(wěn)定駐留時間優(yōu)于53ms，穩(wěn)定凝視掃描范圍60°，在慣性空間穩(wěn)定凝視功能測試中，幀間穩(wěn)定精度RMS優(yōu)于10urad。

2 視軸穩(wěn)定工作原理

基于動平臺下的視軸穩(wěn)定載荷系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、紅外成像系統(tǒng)、反射鏡系統(tǒng)、快反鏡執(zhí)行系統(tǒng)、激光測距收發(fā)系統(tǒng)、信息處理及總控系統(tǒng)等部分構(gòu)成。其中紅外成像系統(tǒng)完成圖像接收，識別目標(biāo)，同時解算目標(biāo)脫靶量信息；單反射鏡伺服系統(tǒng)是穩(wěn)定凝視掃描的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，保證經(jīng)過執(zhí)行器折返光路在紅外相機(jī)里成像清晰、穩(wěn)定，兼具捕獲和跟蹤功能；信息處理及總控系統(tǒng)主要包括單反射鏡掃描、穩(wěn)定、跟蹤控制功能，是掃描算法及策略的實現(xiàn)單元。

系統(tǒng)中的單反鏡主要完成空間的視軸穩(wěn)定功能和目標(biāo)跟蹤功能，穩(wěn)定過程主要采用慣導(dǎo)，由慣導(dǎo)對動平臺姿態(tài)變化進(jìn)行實時監(jiān)測，與反射鏡形成閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)光束的穩(wěn)定，同時在慣性空間內(nèi)，完成方位60°和俯仰4°的掃描，如果在掃描過程中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，迅速實現(xiàn)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。

動平臺下的視軸穩(wěn)定系統(tǒng)原理如圖1所示，包括初始指向、穩(wěn)定凝視階躍掃描、粗跟蹤等功能，其控制策略由伺服控制技術(shù)實現(xiàn)，單反鏡由編碼器完成自己的位置環(huán)和速度環(huán)閉環(huán)，相機(jī)為回路提供脫靶量實現(xiàn)外部光閉環(huán)，陀螺數(shù)據(jù)用來抑制平臺自身振動，同時為慣性空間中的凝視提供輸入量，三部分協(xié)同工作實現(xiàn)慣性空間凝視掃描，當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入視場內(nèi)時，迅速轉(zhuǎn)入跟蹤脫靶量的搜索、跟蹤一體化模式。如圖1所示。

圖1：伺服系統(tǒng)工作原理

3 伺服系統(tǒng)設(shè)計

3.1 伺服系統(tǒng)模型設(shè)計

對伺服系統(tǒng)而言，主要需要設(shè)計光電編碼器模型、低通濾波器模型和力矩電機(jī)及平臺負(fù)載模型，然后根據(jù)設(shè)計的三種模型特性再設(shè)計相應(yīng)的控制算法。在光電編碼器的傳遞函數(shù)中首先要建立角位置量對時間的導(dǎo)數(shù)關(guān)系，即v=dθ/dt，其中v表示角速度，對上式進(jìn)行差分，得到方程（1）如下：

圖2：反射鏡負(fù)載及其擾動數(shù)學(xué)模型框圖

圖3：伺服系統(tǒng)帶載電機(jī)及其擾動等效框圖

式中H表示軸角編碼器獲得的角位置信息，K表示采樣時刻，Ts表示采樣時間，H(K)表示K時刻的角位置量，將速度環(huán)的采樣頻率設(shè)定為800Hz，即Ts=0.00125，整理得到光電編碼器的傳遞方程如（2）所示。

算法的濾波器采用一階低通濾波器，其傳遞函數(shù)如方程（3）所示，

設(shè)計使低通濾波器的帶寬為40Hz，傳遞系數(shù)為0.9，Tf=0.00398，Kf=0.9，得到方程（4）為設(shè)計的低通濾波器傳遞方程。

伺服系統(tǒng)在正常工作時會受到摩擦力矩和線阻力局等擾動，根據(jù)動力學(xué)原理和力矩電機(jī)的電樞電壓平衡方程和電磁方程得到方程（5）。

3.2 伺服系統(tǒng)速度環(huán)模型設(shè)計

速度環(huán)控制采用雙閉環(huán)復(fù)合控制，模型如圖4所示。速度反饋結(jié)構(gòu)中，軸角速度信息由光電軸角編碼器作為速度反饋元件。擾動補(bǔ)償前饋通道采用陀螺儀作為載體擾動速率的測量元件。圖中的W1為被控對象數(shù)學(xué)模型，W2為陀螺儀數(shù)學(xué)模型，W3為光電編碼器及濾波器數(shù)學(xué)模型，Wωc為速度內(nèi)環(huán)校正環(huán)節(jié)，Wf表示慣性速率濾波器。

圖4：反射鏡速度環(huán)控制框圖

由于軸角編碼器角精度高，測量帶寬寬，在動平臺無方位運(yùn)動時，掃描鏡可獲得較高的穩(wěn)速精度。當(dāng)動平臺產(chǎn)生方位姿態(tài)變化時，通過陀螺儀產(chǎn)生慣性空間速率反饋信號，經(jīng)過平滑濾波器濾波后，去除陀螺儀自身的隨機(jī)游走信號和載體的高頻抖動信號等噪聲后，控制方位軸以恒定的慣性空間轉(zhuǎn)速擺動掃描并拍照。為了保證具有較高的速度跟蹤精度，將Wωc速度校正環(huán)節(jié)配置為具有一次積分的校正環(huán)節(jié)。使系統(tǒng)至少具有一階無差度。在合理選擇速度前饋補(bǔ)償參數(shù)時，可使系統(tǒng)在動平臺姿態(tài)擾動下的誤差得以補(bǔ)償，大大提高系統(tǒng)的速度穩(wěn)定精度。使系統(tǒng)具有很高動態(tài)穩(wěn)速性能。

3.3 視軸穩(wěn)定模型設(shè)計

受到動平臺諧振頻率的限制，系統(tǒng)的速度環(huán)帶寬不能做到很高，在這種情況下為了避免動平臺擺動時速度和加速度過大導(dǎo)致穩(wěn)定目標(biāo)丟失的情況，我們設(shè)計了慣性空間視軸穩(wěn)定模型，用慣導(dǎo)的輸出量作為穩(wěn)定前饋的輸入量，抵消擾動信號，實現(xiàn)開閉環(huán)復(fù)合控制。

為了便于建模，我們將XJYJZJ定義為載體坐標(biāo)系，將XYZ定義為慣性坐標(biāo)系，將R定義為載體姿態(tài)橫滾分量，將P定義為載體姿態(tài)俯仰分量，將Y定義為載體姿態(tài)航向分量，將Anglel、AngleX、AngleY分別定義為安裝傾斜角、XYZ坐標(biāo)系下的方位角、XYZ坐標(biāo)系下的俯仰角，將慣性空間角度分解到動平臺下的變換模型如方程（7）所示：

對方程（7）進(jìn)行空間轉(zhuǎn)換后得到方程（8），

最后將動平臺下的直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)系，由方程（8）得到方程（9）：

式中HX表示動平臺下航向補(bǔ)償角度，F(xiàn)Y表示動平臺下俯仰補(bǔ)償角度。將上述補(bǔ)償量用Gn(s)表示，則補(bǔ)償后的誤差模型為其中G1(s)和G2(s)表示前置反饋傳遞函數(shù)，N(s)表示擾動量。通過Gn(s)的復(fù)合校正，優(yōu)化選取控制參數(shù)后，能夠在有安裝傾角的條件下有效補(bǔ)償動平臺擾動量，補(bǔ)償后的殘差即為En(s)。

3.4 復(fù)合軸誤差分析

在復(fù)合軸控制系統(tǒng)中，主軸回路未穩(wěn)定時，從軸不工作，此時穩(wěn)定誤差完全取決于主軸，相當(dāng)于單粗跟蹤工作狀態(tài)。進(jìn)入復(fù)合軸工作后，可知誤差傳遞函數(shù)是主、從系統(tǒng)誤差傳遞函數(shù)之積，系統(tǒng)誤差近似等于從軸的穩(wěn)定誤差。實際工作過程中，探測器噪聲和外界隨機(jī)干擾都會引入到系統(tǒng)中，因此設(shè)計了加入噪聲后的復(fù)合軸控制系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5：加入噪聲后的復(fù)合軸控制系統(tǒng)

引入噪聲后的主、從軸誤差傳遞函數(shù)如方程（10）和方程（11）所示：

由方程（10）、（11）推導(dǎo)得到總的誤差傳遞函數(shù)為：

方程（12）中Nmain(s)表示主軸輸入噪聲信號，Naux(s)為從軸輸入噪聲信號，均包含慣導(dǎo)輸出誤差信息，Rmain(s)和Raux(s)分別為主、從軸的輸入信號，當(dāng)引入高斯分布的白噪聲時，隨著噪聲增大，誤差的有效抑制范圍減小，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一般情況下，系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于等效開環(huán)特性的中頻段，在復(fù)合系統(tǒng)中，主軸的高頻衰減越大，對從軸的穩(wěn)定貢獻(xiàn)越大。主軸殘差的高頻噪聲會直接影響從軸穩(wěn)定精度，尤其在帶寬較小時，即倆軸誤差傳遞函數(shù)幅頻特性曲線上過零分貝峰值接近，這時噪聲信號將得到一定程度的放大，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定度。在一級環(huán)路未進(jìn)入穩(wěn)定跟蹤期間，二級環(huán)路不工作，因此，復(fù)合系統(tǒng)的先決條件是一級環(huán)路必須先穩(wěn)定，穩(wěn)定后二級環(huán)路精度越高，復(fù)合軸總系統(tǒng)誤差越小，對跟蹤噪聲抑制越好，因此本系統(tǒng)中需要優(yōu)化選取復(fù)合軸環(huán)路帶寬，以達(dá)到最優(yōu)控制。

4 動平臺視軸穩(wěn)定性能測試

為了驗證穩(wěn)定凝視掃描控制算法性能，搭建了測試系統(tǒng)。實驗系統(tǒng)包括相機(jī)，用來觀察成像狀態(tài)；光學(xué)系統(tǒng)，將光折返入相機(jī)；光源，提供穩(wěn)定的目標(biāo)信號；搖擺臺，模擬動平臺擾動；穩(wěn)定凝視掃描系統(tǒng)，是慣性空間的穩(wěn)定指向、階躍掃描和跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)；電控箱，運(yùn)行設(shè)計的控制算法實現(xiàn)相應(yīng)功能。

在驗證動平臺下視軸穩(wěn)定性能時，光源發(fā)出的光經(jīng)過擺鏡折射進(jìn)系統(tǒng)，此時擺鏡靜止不動，經(jīng)過伺服系統(tǒng)的光入射至光學(xué)系統(tǒng)，在相機(jī)里成像，同時搖擺臺以幅度±5°，頻率0.2Hz的參數(shù)搖擺方位、俯仰、橫滾三個軸，模擬機(jī)載平臺振動曲線，觀測相機(jī)幀頻設(shè)置為100Hz，此時在相機(jī)里獲取脫靶量信息，將相鄰兩幀間的脫靶量轉(zhuǎn)換成微弧度后做差，統(tǒng)計均方根后在上位機(jī)顯示。通過測試曲線我們發(fā)現(xiàn)，使用設(shè)計的控制模型，慣性空間中的方位視軸穩(wěn)定精度RMS為12.1μrad，俯仰視軸穩(wěn)定精度RMS為13.3μrad，這種控制策略下做的開閉環(huán)反饋精度較高。

5 結(jié)論

對動平臺下的視軸穩(wěn)定控制技術(shù)進(jìn)行建模，設(shè)計了伺服系統(tǒng)控制策略，包括伺服系統(tǒng)模型設(shè)計、速度環(huán)控制模型設(shè)計和慣性空間視軸穩(wěn)定模型設(shè)計，實現(xiàn)了慣性空間中穩(wěn)定指向和大范圍快速穩(wěn)定階躍掃描。最后搭建實驗系統(tǒng)驗證設(shè)計的穩(wěn)定凝視掃描控制算法性能，在有傾角安裝的條件下，搖擺臺以±5°，0.2Hz的譜線擾動模擬平臺姿態(tài)擾動，完成了慣性空間下視軸穩(wěn)定性能測試，實驗結(jié)果表明設(shè)計的控制算法方位視軸穩(wěn)定精度RMS為12.1μrad，俯仰視軸穩(wěn)定精度RMS為13.3μrad，且伺服系統(tǒng)超調(diào)量小，滿足掃描過程中穩(wěn)定成像的要求。文中設(shè)計的伺服控制模型完成了初期的實驗室驗證，為動平臺下的大范圍搜索、跟蹤提供技術(shù)支持。