慣性穩(wěn)定平臺控制方法
【專利摘要】一種慣性穩(wěn)定平臺控制方法，包括步驟：在靜基座下，獲取慣性穩(wěn)定平臺的橫滾框相對于基座的第一轉(zhuǎn)動角速度和俯仰框相對于橫滾框的第二轉(zhuǎn)動角度；當(dāng)?shù)诙D(zhuǎn)動角度的正弦值與第一轉(zhuǎn)動角速度乘積的絕對值小于預(yù)設(shè)閾值時，獲取慣性穩(wěn)定平臺的俯仰框相對于橫滾框的第二轉(zhuǎn)動角速度、方位框相對于俯仰框的第三轉(zhuǎn)動角速度；利用歐拉動力學(xué)方程建立靜基座下慣性穩(wěn)定平臺的動力學(xué)模型；根據(jù)所述第一轉(zhuǎn)動角速度、第二轉(zhuǎn)動角速度、第三轉(zhuǎn)動角速度、預(yù)存的線性切換函數(shù)、預(yù)存的指數(shù)趨近律和所述動力學(xué)模型分別計算方位框、俯仰框和橫滾框的輸入電壓；從而對方位框、俯仰框、橫滾框進行控制。通過本方案提高了慣性穩(wěn)定平臺的控制精度。
【專利說明】慣性穩(wěn)定平臺控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航空遙感【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及慣性穩(wěn)定平臺控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著遙感應(yīng)用的不斷深入，各領(lǐng)域?qū)⒎€(wěn)定的遙感系統(tǒng)的需要越來越迫切。航空遙感系統(tǒng)在機動性、實時性、可重復(fù)觀測性、遙感設(shè)備可更換性、獲取高分辨率遙感數(shù)據(jù)能力、經(jīng)濟成本以及立體觀測等方面都具有獨特的優(yōu)勢。高分辨率、高精度、實時運動成像是航空遙感技術(shù)的核心，是獲取高質(zhì)量遙感數(shù)據(jù)的保障。
[0003]慣性穩(wěn)定平臺技術(shù)提高成像載荷視軸的穩(wěn)定性，使成像載荷可以實時獲取高精度的圖像。慣性穩(wěn)定平臺通常采用三軸框架結(jié)構(gòu)，由外到內(nèi)依次為橫滾框、俯仰框和方位框，三個框架分別隔離三個自由度上的擾動，最終實現(xiàn)安裝在最內(nèi)框架(方位框)上相機視軸的對地垂直穩(wěn)定和對航跡的跟蹤穩(wěn)定。
[0004]慣性穩(wěn)定平臺技術(shù)通常采用PID (比例-積分-微分)控制方法。PID是通過測量位置，將位置與預(yù)期位置比較得到位置誤差值，然后根據(jù)位置誤差值對慣性穩(wěn)定平臺進行控制消除誤差值。然而，當(dāng)慣性穩(wěn)定平臺框架運動角速度和角加速度較大時，各框架之間的動力學(xué)耦合就比較嚴重，嚴重時會影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而通常采用的PID控制方法，是直接計算位置誤差值，導(dǎo)致位置誤差值的因素包括各種干擾因素，比如偏心干擾因素、摩擦干擾因素等。由于沒有對耦合力矩進行估計，無法解決耦合因素帶來的影響，從而降低慣性穩(wěn)定平臺的控制精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]基于此，有必要針對慣性穩(wěn)定平臺的控制精度低的問題，提供一種慣性穩(wěn)定平臺解耦控制方法。
[0006]一種慣性穩(wěn)定平臺控制方法，包括步驟:
[0007]在靜基座下，獲取慣性穩(wěn)定平臺的橫滾框相對于基座的第一轉(zhuǎn)動角速度和俯仰框相對于所述橫滾框的第二轉(zhuǎn)動角度；
[0008]當(dāng)所述第二轉(zhuǎn)動角度的正弦值與所述第一轉(zhuǎn)動角速度乘積的絕對值小于預(yù)設(shè)閾值時，獲取所述慣性穩(wěn)定平臺的俯仰框相對于所述橫滾框的第二轉(zhuǎn)動角速度、方位框相對于所述俯仰框的第三轉(zhuǎn)動角速度；
[0009]利用歐拉動力學(xué)方程建立靜基座下慣性穩(wěn)定平臺的動力學(xué)模型；
[0010]根據(jù)所述第一轉(zhuǎn)動角速度、第二轉(zhuǎn)動角速度、第三轉(zhuǎn)動角速度、預(yù)存的線性切換函數(shù)、預(yù)存的指數(shù)趨近律和所述動力學(xué)模型計算方位框的輸入電壓、俯仰框的輸入電壓和橫滾框的輸入電壓；
[0011]根據(jù)所述方位框的輸入電壓、俯仰框的輸入電壓和橫滾框的輸入電壓對方位框、俯仰框、橫滾框進行控制。
[0012]上述慣性穩(wěn)定平臺控制方法，通過判斷第二轉(zhuǎn)動角度的正弦值與第一轉(zhuǎn)動角速度乘積的絕對值是否小于預(yù)設(shè)閾值，當(dāng)滿足條件時，耦合為系統(tǒng)的時變干擾，引入預(yù)存的線性切換函數(shù)和指數(shù)趨近律，結(jié)合平臺動力學(xué)方程，計算出方位框的輸入電壓、俯仰框的輸入電壓和橫滾框的輸入電壓，對慣性平臺進行控制，實現(xiàn)對各框架耦合力矩實時補償，消除了各框架之間的動力學(xué)耦合影響，從而提高慣性穩(wěn)定平臺的控制精度，增強成像載荷視軸的穩(wěn)定性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明慣性穩(wěn)定平臺控制方法實施例的流程示意圖；
[0014]圖2為本發(fā)明實施例中慣性穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0015]以下針對本發(fā)明慣性穩(wěn)定平臺控制方法的各實施例進行詳細的描述。
[0016]參見圖1，為本發(fā)明慣性穩(wěn)定平臺控制方法實施例的流程示意圖，包括步驟:
[0017]步驟SlOl:在靜基座下，獲取慣性穩(wěn)定平臺的橫滾框相對于基座的第一轉(zhuǎn)動角速度和俯仰框相對于橫滾框的第二轉(zhuǎn)動角度。本方案實施的前提是，基座相對靜止的情況，即為靜基座。獲取第二轉(zhuǎn)動角度的方法包括但不限定于直接從安裝在俯仰框架的碼盤獲取。獲取第一轉(zhuǎn)動角速度的方法包括但不限定于當(dāng)橫滾陀螺直接安裝在橫滾框上時，從橫滾陀螺中獲取的橫滾框相對于慣性系的轉(zhuǎn)動角速度即為第一轉(zhuǎn)動角速度。
[0018]步驟S102:判斷第二轉(zhuǎn)動角度的正弦值與第一轉(zhuǎn)動角速度乘積的絕對值是否小于預(yù)設(shè)閾值，若是，進入步驟S103。其中，預(yù)設(shè)閾值是根據(jù)需要設(shè)定，目的是為了判斷該絕對值可以忽略。
[0019]步驟S103:獲取慣性穩(wěn)定平臺的俯仰框相對于橫滾框的第二轉(zhuǎn)動角速度和方位框相對于俯仰框的第三轉(zhuǎn)動角速度，獲取第二轉(zhuǎn)動角速度的方法包括但不限定于通過安裝在俯仰框上的碼盤測出第二轉(zhuǎn)動角，將第二轉(zhuǎn)動角微分得到第二轉(zhuǎn)動角速度。獲取第三轉(zhuǎn)動角速度的方法包括但不限定于通過安裝在方位框上的碼盤測出第三轉(zhuǎn)動角，將第三轉(zhuǎn)動角微分得到第三轉(zhuǎn)動角速度。
[0020]步驟S104:計算每個框架的(橫滾框、方位框、俯仰框)動量矩、力矩后，利用歐拉動力學(xué)方程建立靜基座下慣性穩(wěn)定平臺的動力學(xué)模型。將計算出來的動量矩、力矩代入歐拉動力學(xué)方程，然后展開，即可獲得靜基座下慣性穩(wěn)定平臺的動力學(xué)模型。
[0021]步驟S105:根據(jù)第一轉(zhuǎn)動角速度、第二轉(zhuǎn)動角速度、第三轉(zhuǎn)動角速度、預(yù)存的線性切換函數(shù)、預(yù)存的指數(shù)趨近律和平臺動力學(xué)方程計算方位框的輸入電壓、俯仰框的輸入電壓和橫滾框的輸入電壓。其中，預(yù)存的線性切換函數(shù)是通過轉(zhuǎn)動角度和轉(zhuǎn)動角速度得到。指數(shù)趨近律用來改善非滑動模態(tài)的性質(zhì)。轉(zhuǎn)動慣量、電機力矩系數(shù)、電樞電阻、傳動比都是固有屬性，可以實現(xiàn)預(yù)存。結(jié)合切換函數(shù)、指數(shù)趨近律和動力學(xué)方程即可得到輸入電壓。
[0022]步驟S106:根據(jù)方位框的輸入電壓、俯仰框的輸入電壓和橫滾框的輸入電壓對方位框、俯仰框、橫滾框進行控制。本實施例中根據(jù)方位框的輸入電壓對方位框進行控制是指通過將方位框的輸入電壓輸入到方位框的電機中，電機驅(qū)動力矩對方位框的耦合力矩進行補償，從而消除了方位框與橫滾框之間的動力學(xué)耦合影響。橫滾框和俯仰框同理。
[0023]通過判斷第二轉(zhuǎn)動角度的正弦值與第一轉(zhuǎn)動角速度乘積的絕對值是否小于預(yù)設(shè)閾值，當(dāng)滿足條件時，耦合為系統(tǒng)的時變干擾，引入預(yù)存的線性切換函數(shù)和指數(shù)趨近律，結(jié)合平臺動力學(xué)方程，計算出方位框的輸入電壓、俯仰框的輸入電壓和橫滾框的輸入電壓，對慣性平臺進行控制，實現(xiàn)對各框架耦合力矩實時補償，消除了各框架之間的動力學(xué)耦合影響，從而提高慣性穩(wěn)定平臺的控制精度，增強成像載荷視軸的穩(wěn)定性。
[0024]為了更清晰本方案，舉幾個具體實施例進行說明，具體如下:
[0025]基于剛體動力學(xué)特性和空間矢量疊加原理，建立三軸慣性穩(wěn)定平臺坐標系:基座坐標系、橫滾框坐標系、俯仰框坐標系、方位框坐標系。其中基座坐標系0xbybzb:xb、yb、zb分別指向飛行載體的右、前、上；橫滾框坐標系:橫滾軸?與yb同向，Ox1^y1^相對0xbybzb系繞yb軸旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生橫滾角即第一轉(zhuǎn)動角度Θ r ;俯仰框坐標系0xfyfzf:俯仰軸Xf與Xr同向，0xfyfzf相對Ox1J1^系繞X1?軸旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生俯仰角即第二轉(zhuǎn)動角度Θ f ;方位框坐標系0xayaza:方位軸Za與Zf同向，0xayaza相對0xfyfzf系繞Zf軸旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生方位角即第三轉(zhuǎn)動角
度9-并定義(:11、(,/、C/1分別為基座到橫滾框、橫滾框到俯仰框、俯仰框到方位框的方向
余弦矩陣，根據(jù)坐標系關(guān)系，令轉(zhuǎn)動角度θρ 0f、0a逆時針為正。
[0026]<為橫滾框架相對慣性空間的角速度在系的表示，其在X、1、z軸上的投
影分別記力W、4,、μ。為俯仰框架相對慣性空間的角速度在OxfyfZf系的表
示，其在x、y、z軸上的投影分別記為><、M‘、<為方位框架相對慣性空間的角
速度在況上\系的表示，其在x、y、z軸上的投影分別記為<、<、&為俯仰
框架相對橫滾框架的第二轉(zhuǎn)角角速度、&為橫滾框架相對基座第一轉(zhuǎn)角角速度Θ力方位框架相對俯仰框架的第三轉(zhuǎn)角角速度。在基座為相對靜止情況下，建立三軸角速度關(guān)系方程，如下:
[0027]①滾框架相對慣性空間的角速度在橫滾框坐標系的投影為:
【權(quán)利要求】
1.一種慣性穩(wěn)定平臺控制方法，其特征在于，包括步驟: 在靜基座下，獲取慣性穩(wěn)定平臺的橫滾框相對于基座的第一轉(zhuǎn)動角速度和俯仰框相對于所述橫滾框的第二轉(zhuǎn)動角度； 當(dāng)所述第二轉(zhuǎn)動角度的正弦值與所述第一轉(zhuǎn)動角速度乘積的絕對值小于預(yù)設(shè)閾值時，獲取所述慣性穩(wěn)定平臺的俯仰框相對于所述橫滾框的第二轉(zhuǎn)動角速度、方位框相對于所述俯仰框的第三轉(zhuǎn)動角速度； 利用歐拉動力學(xué)方程建立靜基座下慣性穩(wěn)定平臺的動力學(xué)模型； 根據(jù)所述第一轉(zhuǎn)動角速度、第二轉(zhuǎn)動角速度、第三轉(zhuǎn)動角速度、預(yù)存的線性切換函數(shù)、預(yù)存的指數(shù)趨近律和所述動力學(xué)模型計算方位框的輸入電壓、俯仰框的輸入電壓和橫滾框的輸入電壓； 根據(jù)所述方位框的輸入電壓、俯仰框的輸入電壓和橫滾框的輸入電壓對方位框、俯仰框、橫滾框進行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的慣性穩(wěn)定平臺控制方法，其特征在于，所述平臺動力學(xué)方程包括: 方位框繞方位軸的動力學(xué)方程為:
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的慣性穩(wěn)定平臺控制方法，其特征在于，采用公式:


4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的慣性穩(wěn)定平臺控制方法，其特征在于，所述根據(jù)所述第一轉(zhuǎn)動角速度、第二轉(zhuǎn)動角速度、第三轉(zhuǎn)動角速度、預(yù)存的線性切換函數(shù)、預(yù)存的指數(shù)趨近律和所述平臺動力學(xué)方程計算方位框的輸入電壓、俯仰框的輸入電壓和橫滾框的輸入電壓步驟之前，還包括步驟:采用公式
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的慣性穩(wěn)定平臺控制方法，其特征在于，當(dāng)所述第二轉(zhuǎn)動角度的正弦值與所述第一轉(zhuǎn)動角速度的乘積大于或等于預(yù)設(shè)閾值時，采用PID控制算法對方位框進行控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的慣性穩(wěn)定平臺控制方法，其特征在于，當(dāng)所述第二轉(zhuǎn)動角度的正弦值與所述第一轉(zhuǎn)動角速度的乘積大于或等于預(yù)設(shè)閾值時，采用PID控制算法對方位框進行控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的慣性穩(wěn)定平臺控制方法，其特征在于，所述在靜基座下，獲取慣性穩(wěn)定平臺的橫滾框相對于基座的第一轉(zhuǎn)動角速度和俯仰框相對于所述橫滾框的第二轉(zhuǎn)動角度步驟中，獲取所述第一轉(zhuǎn)動角速度包括步驟: 在靜基座下，從慣性穩(wěn)定平臺的俯仰框上的橫滾陀螺獲取橫滾框相對于慣性系的轉(zhuǎn)動角速度； 根據(jù)所述轉(zhuǎn)動角速度與所述第 二轉(zhuǎn)動角度的余弦值的比值獲得所述第一轉(zhuǎn)動角速度。
【文檔編號】G05D3/12GK103488081SQ201310407985
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月9日
【發(fā)明者】麥曉明, 陰蕊, 彭向陽, 朱莊生, 王柯, 周向陽, 陳銳民 申請人:廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院, 北京航空航天大學(xué)