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一种移动平台红外搜索跟踪系统的稳定控制方法

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红外技术 2024年第6期46卷 634-645页

作者：熊辉李锐华刘海阎歆婕舒骏逸郑婕冯建伟冯若涵林宇吴佳俊林丹丹宋治杭张晋昆明物理研究所云南昆明650223 云南省红外探测技术应用重点实验室云南昆明650223

基于移动平台的红外搜索跟踪系统已成为新一代光电搜索跟踪系统的主流趋势,小型化和轻量化是其高机动性的保证。载体运动姿态变化耦合的角速度扰动和系统内部力矩干扰将对其搭载的光电载荷视轴稳定控制带来严峻挑战,基于多轴多框架和高... 详细信息

基于移动平台的红外搜索跟踪系统已成为新一代光电搜索跟踪系统的主流趋势,小型化和轻量化是其高机动性的保证。载体运动姿态变化耦合的角速度扰动和系统内部力矩干扰将对其搭载的光电载荷视轴稳定控制带来严峻挑战,基于多轴多框架和高精度陀螺反馈控制相结合的传统视轴稳定方法已无法适用。本文针对两轴两框架移动平台红外搜索跟踪系统的光电载荷视轴稳定控制,提出了基于平方PI和Luenberger扰动观测前馈的双速度闭环同阶串级控制方法。仿真和实验表明,相对于传统的单陀螺闭环和双速度闭环稳定控制方法,该稳定控制方法有效提升了载体运动低频扰动下的视轴稳定精度。1°/1 Hz扰动下,仿真稳定精度达到2.7817μrad,实验稳定精度达到35.85μrad。1°/2 Hz扰动下,仿真稳定精度达到38.199μrad,实验稳定精度达到119.1μrad。最终,利用本文提出的稳定控制方法,两轴两框架移动平台红外搜索跟踪系统有效克服了行进间载体运动姿态变化耦合的低频角速度扰动,实现了高平稳高动态的光电载荷视轴指向控制性能。

关键词：移动平台红外搜索跟踪系统视轴稳定同阶串级平方PI 扰动观测前馈

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船载光电成像设备视轴自稳定控制

控制工程 2022年第6期29卷 1111-1118页

作者：陈坤范勇董春玉黄唯君徐群上海航天控制技术研究所上海200233 上海交通大学自动化系上海200240

为了提高船载光电成像设备视轴稳定系统的稳定精度,设计了双速度环控制策略,由光电编码器的角位置信号差分得到框架角速度反馈构成内速度环,外速度环采用光纤速率陀螺感应视轴在惯性空间的转速,经过坐标转换并结合各框架反馈角速度得到... 详细信息

为了提高船载光电成像设备视轴稳定系统的稳定精度,设计了双速度环控制策略,由光电编码器的角位置信号差分得到框架角速度反馈构成内速度环,外速度环采用光纤速率陀螺感应视轴在惯性空间的转速,经过坐标转换并结合各框架反馈角速度得到框架指令角速度以抑制内部干扰和隔离载体干扰,从而保证视轴的稳定。依据伺服刚度和隔离度两个重要指标,通过理论分析、仿真验证和实验验证,对比双速度环与单速度环控制策略的表现。结果表明双速度环控制策略对因摩擦、偏心等引起的框架内部干扰具有更高的抑制能力,对载体姿态干扰具有更好的隔离能力。

关键词：视轴稳定双速度环载体干扰伺服刚度隔离度

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舰载光电设备视轴稳定技术研究

计算机仿真 2023年第5期40卷 8-14,105页

作者：谢航杨维帆李德全王栋中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

针对舰载光电设备的方位轴在摆扫时受到船摇影响,造成视轴不稳定问题,改进了基于旋转矩阵的轴角补偿算法,推导出摆扫状态下光电设备的俯仰轴角在地理系下维持稳定的关系式。利用仿真软件搭建算法模型并进行了仿真,仿真结果表明,改进后... 详细信息

针对舰载光电设备的方位轴在摆扫时受到船摇影响,造成视轴不稳定问题,改进了基于旋转矩阵的轴角补偿算法,推导出摆扫状态下光电设备的俯仰轴角在地理系下维持稳定的关系式。利用仿真软件搭建算法模型并进行了仿真,仿真结果表明,改进后的轴角补偿算法能补偿船摇对舰载光电设备俯仰轴角的影响,从而证明改进后的轴角补偿算法的有效性。

关键词：舰载光电设备光电摆扫视轴稳定

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基于滑模控制的光电平台视轴稳定控制研究

基于滑模控制的光电平台视轴稳定控制研究

作者：隋帅帅青岛科技大学

学位级别：硕士

光电平台系统在运行过程中会因为内、外部的扰动而导致系统稳定精度下降甚至跟踪失败,因此合理设计伺服控制系统,提升系统的跟踪和抗扰性能对视轴稳定精度很重要。而传统PID控制技术无法将各种非线性因素都考虑到,为此,本文基于滑模控制... 详细信息

光电平台系统在运行过程中会因为内、外部的扰动而导致系统稳定精度下降甚至跟踪失败,因此合理设计伺服控制系统,提升系统的跟踪和抗扰性能对视轴稳定精度很重要。而传统PID控制技术无法将各种非线性因素都考虑到,为此,本文基于滑模控制(Sliding Mode Control,简称SMC)开展了光电平台视轴稳定控制的研究,研究成果如下:第一,分析了光电平台的构成及运行要求,对光电平台伺服系统建模。研究了影响视轴的干扰并对其进行分类,以便后续制定针对性的控制方案。第二,针对模型参数摄动的内部扰动抑制问题,研究了自适应鲁棒滑模控制(Adaptive Robust Sliding Mode Control,简称ARSMC),与内模控制(Internal Model Control,简称IMC)组合成IMC-ARSMC复合控制器,从而保证内部不确定性下视轴稳定和精准跟踪。另外,为了应对更为复杂的工况下参数摄动的问题,推导出改进的自适应率,从而提高不确定参数的估计精度。讨论了IMC-ARSMC的稳定性。仿真验证了无论输入的扰动如何变化,基于改进后自适应率的IMCARSMC的跟踪和抗扰性能都好于原有自适应率的IMC-ARSMC。第三,针对载体速率扰动的外部扰动抑制问题,结合自适应模糊滑模控制(Adaptive Fuzzy Sliding Mode Control,简称AFSMC)和自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control,简称ADRC),设计了三闭环控制方法。利用SMC对不确定因素不敏感的特点来抑制模型内扰,使用AFSMC来消除滑模抖振,从而进一步提高目标跟踪的精度和效率;运用ADRC设计系统位置环以消除速率扰动对视轴造成的影响,并通过反向传播神经网络(Back Propagation Neural Network,简称BPNN)来优化参数整定。讨论了AFSMC和ADRC构成的三闭环稳定性。仿真表明,与经验调参法相比,基于BPNN的调参法可以避免参数整定的盲目性,提高了ADRC的抗干扰能力。此外,三闭环控制方法在提高系统稳定精度的同时增强了鲁棒性。第四,针对内部参数摄动、摩擦力矩及外部噪声干扰混合的抑制问题,设计了基于摩擦补偿的IMC-SMC与线性ADRC的多自由度控制器,不同的控制问题被分配到不同的自由度去解决:根据光电平台伺服系统中摩擦类型的特点,径向基函数神经网络(Radial Basis Function Neural Network,简称RBFNN)被引入IMCSMC复合控制器中,通过RBFNN的局部逼近特性对摩擦力矩进行补偿,模型不确定性通过IMC-SMC进行消除;同时,引入具有线性ADRC的多自由度控制器以观察和补偿外部噪声干扰,在保证快速准确跟踪的同时抑制强外扰。通过Lyapunov原理讨论了多自由度控制器的稳定性。仿真验证了多自由度控制器在参数摄动、摩擦力矩、噪声干扰等混合扰动下控制效果良好,对实际光电平台系统的开发具有重要参考价值。

关键词：滑模控制自抗扰控制参数不确定性外部干扰视轴稳定

边海防巡逻车载光电稳定平台伺服控制与视轴稳定技术研究

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边海防巡逻车载光电稳定平台伺服控制与视轴稳定技术研究

作者：丁文晴长春工业大学

学位级别：硕士

光电稳定平台是一种安装在运动载体上的伺服系统,平台上安装对地或对空探测装置,如摄像机或红外热像仪等,用于跟踪地面或空中目标。当载体的姿态角发生变化时,光电稳定平台可以隔离载体的干扰运动,保证探测设备始终指向目标。近年来,光... 详细信息

光电稳定平台是一种安装在运动载体上的伺服系统,平台上安装对地或对空探测装置,如摄像机或红外热像仪等,用于跟踪地面或空中目标。当载体的姿态角发生变化时,光电稳定平台可以隔离载体的干扰运动,保证探测设备始终指向目标。近年来,光电稳定平台得到了快速发展,并广泛应用于机载、舰载、车载武器系统、弹箭制导等军事领域和空间遥测、公安消防、环境监测等民用领域。它是集光、机、电于一体的复杂系统。本文以某两轴四框架边海防巡逻车载光电稳定平台为研究对象,在理论与试验分析的基础上对平台稳定机理、平台系统建模、平台控制策略和伺服控制系统的实现等方面进行了深入研究。首先,本文对边海防巡逻车载光电稳定平台的机理进行了深入研究。概述了光电稳定平台的系统组成及框架结构,研究两轴四框架结构的车载光电稳定平台的工作原理,确定了速率陀螺的安装方式。在此基础上,对两轴四框架车载稳定平台进行机理分析,包括工作原理、坐标转换关系、隔离载体扰动的机理等,并着重分析复合框架的速度稳定回路、位置随动回路及视轴稳定回路控制模型。其次,针对MEMS陀螺的测量噪声进行预测滤波。通过分析陀螺噪声信号的功率谱密度,确定噪声来源以及对系统性能的影响。采用时间序列法对预处理后的陀螺数据进行建模,在此基础上提出基于动态模型的Kalman滑模滤波方法,通过仿真实验测试系统的滤波效果并进行数据统计特性分析。再次,针对视轴稳定系统扰动抑制的策略进行研究。对平台视轴速度稳定回路主要单元建立数学模型,并研究视轴速度稳定回路的控制模型。分析视轴稳定精度和系统的扰动隔离度,在速度稳定回路校正环节的设计中,研究基于超前-滞后校正的RESO自抗扰控制策略并进行仿真实验。最后,研制两轴四框架边海防巡逻车载光电稳定平台的实验装置并对其伺服控制系统进行性能测试。对伺服控制系统的主要元器件进行选型,并根据光电稳定平台的工作模式,以GD32为控制器的核心,完成了伺服控制系统硬件电路的设计,并通过Keil5平台进行伺服驱动系统的软件测试。在此实验装置上进行光电稳定平台控制系统的稳定精度测试和模拟跟踪测试实验,实验结果验证了本文对边海防巡逻车载光电稳定平台控制机理分析和伺服控制器设计的有效性。

关键词：光电稳定平台伺服控制视轴稳定 Kalman滤波自抗扰控制

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反射镜光电平台视轴稳定技术研究

红外与激光工程 2015年第6期44卷 1904-1911页

作者：宋江鹏孙广利周荻蔡慧敏哈尔滨工业大学控制科学与工程系黑龙江哈尔滨150001 天津津航技术物理研究所天津300308

针对不同类型反射镜平台视轴运动多样性的特点,从基本的反射镜视轴运动学关系出发,采用基于虚拟整体稳定平台的视轴重建方法对反射镜平台视轴惯性角速度进行数学重建。同时,深入分析了常见的典型单反射镜平台、特殊配置单反射镜平台、... 详细信息

针对不同类型反射镜平台视轴运动多样性的特点,从基本的反射镜视轴运动学关系出发,采用基于虚拟整体稳定平台的视轴重建方法对反射镜平台视轴惯性角速度进行数学重建。同时,深入分析了常见的典型单反射镜平台、特殊配置单反射镜平台、极坐标多反射镜平台以及直角坐标多反射镜平台的视轴运动学关系和视轴稳定控制技术。基于典型单反射镜平台俯仰轴视轴稳定控制的数值仿真结果表明,采用虚拟整体稳定平台方法的视轴稳定控制技术用于反射镜视轴稳定控制是可行的。

关键词：反射镜稳定平台虚拟整体稳定视轴稳定

陀螺稳定平台视轴稳定系统自适应模糊PID控制

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航空学报 2007年第1期28卷 191-195页

作者：姬伟李奇东南大学自动化研究所江苏南京210096

在运动载体上的光电跟踪系统中,需要采用建立在陀螺稳定平台上的视轴稳定控制。分析了平台结构和惯性稳定隔离原理。针对系统机械谐振、力矩耦合及电气参数波动等非线性不确定因素的影响,设计了复合自适应模糊PID控制器。引入自适应调... 详细信息

在运动载体上的光电跟踪系统中,需要采用建立在陀螺稳定平台上的视轴稳定控制。分析了平台结构和惯性稳定隔离原理。针对系统机械谐振、力矩耦合及电气参数波动等非线性不确定因素的影响,设计了复合自适应模糊PID控制器。引入自适应调整因子进行控制规则和参数的在线修正,采用复合控制克服模糊控制固有的盲区,实现无差调节。在光电跟踪转台上的实验结果显示该方法能够有效地隔离载体扰动,减小扰动造成的误差,保证视轴对目标的准确瞄准,具有快速的动态响应和较强的抗干扰性。

关键词：陀螺稳定平台视轴稳定自适应模糊控制复合控制

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光电跟踪系统视轴稳定的鲁棒内模控制器设计

控制与决策 2013年第7期28卷 1117-1120页

作者：夏运霞包启亮李锦英中国科学院光电技术研究所中国科学院光束控制重点实验室成都610209 中国科学院研究生院北京100039

针对运动平台上光电跟踪系统既要抑制平台扰动对视轴稳定的影响,又必须对建模误差具有很强的鲁棒性的特点,设计了稳定平台改进鲁棒性的内模控制器.通过在内模控制基础上添加一局部反馈回路构成鲁棒内模控制,并详细分析了鲁棒内模控制对... 详细信息

针对运动平台上光电跟踪系统既要抑制平台扰动对视轴稳定的影响,又必须对建模误差具有很强的鲁棒性的特点,设计了稳定平台改进鲁棒性的内模控制器.通过在内模控制基础上添加一局部反馈回路构成鲁棒内模控制,并详细分析了鲁棒内模控制对系统建模误差和外界扰动的鲁棒性.仿真和实验结果显示,与采用PI控制相比,鲁棒内模控制在很宽频段范围内提高了系统对扰动的抑制能力,28 Hz以内都有10 dB以上的提高.

关键词：运动平台光电跟踪系统视轴稳定鲁棒内模控制鲁棒性扰动

采用自调整模糊变结构控制的机载激光通信视轴稳定研究

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红外与激光工程 2014年第10期43卷 3373-3377页

作者：曹阳重庆理工大学电子信息与自动化学院重庆400054 电子科技大学物理电子学院四川成都610054

机载激光通信的动态视轴稳定是建立激光通信链路的首要前提,传统的粗跟踪控制方法不能克服载体扰动及参数变化对系统的不利影响,影响了视轴稳定精度。根据控制系统的任务,将论域自调整模糊控制与滑模变结构控制的思想相融合,在稳定的误... 详细信息

机载激光通信的动态视轴稳定是建立激光通信链路的首要前提,传统的粗跟踪控制方法不能克服载体扰动及参数变化对系统的不利影响,影响了视轴稳定精度。根据控制系统的任务,将论域自调整模糊控制与滑模变结构控制的思想相融合,在稳定的误差相平面内构造稳定的滑模面。理论分析和模拟实验结果表明,该方法消除了系统的抖振现象,改善了系统的瞬态性能,对机载通信平台受到的扰动及参数变化具有完全的自适应性。因此自调整模糊变结构控制具有一定鲁棒性,且控制算法简单,可望获得工程应用。

关键词：机载激光通信视轴稳定变结构控制自调整模糊控制