一種航空遙感慣性穩定平臺不平衡力矩估計與補償方法

2023-06-16 12:24:26 4

專利名稱：一種航空遙感慣性穩定平臺不平衡力矩估計與補償方法
技術領域：
本發明涉及一種航空遙感慣性穩定平臺不平衡力矩估計與補償方法，可用於各種
中、高精度的航空遙感用慣性穩定平臺不平衡力矩的補償，特別適合於具有質量不平衡且 跟蹤當地地理水平的航空遙感慣性穩定平臺。
背景技術：
航空遙感系統在機動性、實時性、可重複觀測性、遙感設備可更換性、獲取高分辨 率遙感數據能力、經濟成本以及立體觀測等很多方面，都具獨特的優勢。因此，在西方發達 國家，用於城市規劃和基本地圖測繪大約65%以上的高解析度空間數據是依靠航空遙感系 統來保證的。高解析度對地觀測是航空遙感系統發展的重要方向，但是由於大氣紊流和載 機自身因素的影響，載機機體無法保持平穩，造成安裝在載機上的成像載荷視軸搖晃，成像 質量下降。慣性穩定平臺組成的高解析度航空遙感平臺是解決這個問題的有效措施。慣性 穩定平臺用於隔離載機的角運動，跟蹤當地地理水平，消除幹擾力矩對成像載荷的影響，使 成像載荷穩定成像。航空遙感用慣性穩定平臺是螺穩定跟蹤裝置的一個分支，其結構和功 能與傳統的機載光電吊倉有相似之處，但又不同於傳統的機載光電吊倉。光電吊倉只需要 要承載天線、導引頭等小負載，因此光電吊倉一般較輕，承載能力小；而航空遙感用慣性穩 定平臺需要承載質量較大的科學相機，特別對於多鏡頭的科學相機，其質量可達100kg，同 時平臺自身的重量要求一般不超過40kg。因此，航空遙感用慣性穩定平臺具有承載自重比 大，穩定精度要求高的特點。 穩定精度是慣性穩定平臺的主要技術指標之一，反映了穩定平臺對幹擾力矩的抑 制能力。平臺的幹擾力矩主要包括不平衡力矩、摩擦力矩，控制系統一般通過反饋控制實現 對各種幹擾力矩的有效抑制。控制系統對幹擾力矩的抑制能力可以用力矩剛度來表徵，力 矩剛度越大，控制系統對幹擾力矩的抑制能力越強，平臺的穩定精度越高。可以通過提高控 制系統的開環增益來提高力矩剛度，然而控制系統的開環增益不能無限的增大，而且增加 開環增益會造成系統的穩定裕度下降，加大控制系統的設計難度，所以平臺的力矩剛度是 一個有限值，過大的幹擾力矩會使平臺無法滿足穩定精度的要求。 由於加工誤差等因素，慣性穩定平臺一般都存在質量偏心，常規的解決方法是通 過增加配重塊來克服質量偏心，將不平衡力矩限制在很小的幅度之內，依靠反饋控制即滿 足平臺穩定精度的要求。然而航空遙感用慣性穩定平臺需要承載多種載荷，不同載荷的質 心位置不同，且質心在工作過程中會發生移動，難以通過配重的方式克服質量偏心。由於平 臺承載比大，在重力加速度和飛機幹擾加速度的作用下，產生較大的不平衡力矩，導致平臺 的穩定精度下降，無法通過提高控制系統力矩剛度的方法滿足平臺穩定精度的要求。

發明內容
本發明的技術解決問題是克服常規反饋控制對幅值較大的不平衡力矩抑制能力 不足的缺陷，提供一種航空遙感慣性穩定平臺不平衡力矩估計與補償方法，降低對平臺力矩剛度的要求。 本發明的技術解決方案為一種航空遙感慣性穩定平臺不平衡力矩估計與補償方 法，具體步驟如下 (1)採用安裝在航空遙感慣性平臺上的MEMS加速度計測量出施加在平臺框架上 的天向實時加速度信息，所述天向實時加速度信息包括重力加速度g和運動加速度a ;
(2)採用霍爾電流傳感器測量出安裝在框架上的力矩電機的電流I，通過低通濾 波器對力矩電機電流I進行濾波，得到平均電流/; (3)根據步驟(1)和步驟(2)中獲得的加速度信息和力矩電機平均電流/，估計出 平臺的不平衡力矩Mdi，MM,, =;^'/~'^，其中Kt為力矩電機力矩係數； (4)將步驟(3)中獲得的不平衡力矩M^i除以力矩電機力矩係數KT，得到用於補 償不平衡力矩所需要的電流I。。mp ; (5)將步驟(4)中得到的I。。mp補償到力矩電機電流環的給定上；
(6)周期性的重複步驟(1) (5)。 發明的原理是慣性穩定平臺跟蹤當地水平，在穩態情況下，控制系統通過閉環反 饋的作用，控制力矩電機輸出與幹擾力矩相等、方向相反的抵抗轉矩。力矩電機輸出的轉矩 與電樞電流成正比關係^ = 1^* I，可以得到
KT I = Meg+Mea+Mf
① 式中，KT為力矩電機力矩係數，Meg為平臺在重力加速度作用下框架的不平衡力矩 分量，MM為平臺在飛機運動幹擾加速度作用下框架的不平衡力矩分量，Mf為摩擦力矩。
由於大氣紊流是一個隨機過程，且其均值為零，所以飛機運動幹擾加速度作用下 框架的不平衡力矩分量、摩擦力矩、以及電機反電動勢幹擾均可視為白噪聲。所以通過對電 機電樞電流進行Butterworth低通濾波，可以得到框架僅在重力加速度g作用下產生的不 平衡力矩分量 ^y.7-M^ =m'g./e ② 式中，KT為力矩電機力矩係數，/為濾波後的電機電樞電流，Meg為平臺在重力加速
度作用下框架的不平衡力矩分量，m為框架質量，le為框架的質量偏心距。 重力加速度g和飛機運動幹擾加速度a可由加速度計測量得到，則在重力加速度
和飛機運動幹擾加速度的共同作用下框架的不平衡力矩的計算公式為 Mesti = m(g+a)le ③ 由式②可得質量偏心距4 ，並代入式③得到框架不平衡力矩的估計方程為
l =《r . / ^~" ④④ 估計出不平衡力矩M^i後，在力矩電機電流環的輸入端補償大小為M^i/KT的電流 給定信號，電流環輸出與M^i大小相等、方向相反的補償力矩，從而實現對不平衡力矩幹擾 的有效抑制，提高平臺的穩定精度。 本發明與現有技術相比的優點在於通過實時的估計出穩定平臺的不平衡力矩，然後在控制系統中進行前饋控補償，從而很好的抑制了穩定平臺不平衡力矩幹擾，降低對 穩定平臺控制系統力矩剛度的要求，提高穩定平臺的穩定精度和穩定裕度。


圖1為本發明實施步驟示意圖； 圖2為航空遙感用三軸慣性穩定平臺結構示意圖； 圖3為使用本發明的航空遙感慣性穩定平臺的橫滾框和俯仰框控制系統傳遞函 數框圖； 圖4為MEMS加速度計原理圖； 圖5為霍爾電流傳感器及其信號調理電路； 圖6為TMS320F28335的ADC部分原理圖； 圖7為MATLAB仿真時未採用本發明的慣性穩定平臺在不平衡力矩作用下的角速 率輸出； 圖8為MATLAB仿真時採用了本發明的慣性穩定平臺在不平衡力矩作用下的角速 率輸出。
具體實施例方式
慣性穩定平臺與P0S(位置、姿態測量系統)協同工作，可以看作是一個角位置伺 服系統。POS安裝在平臺上，解算並輸出姿態信息，這個姿態誤差角度可看作是平臺姿態的 反饋信息。如圖2所示，航空遙感慣性穩定平臺由外至內分別是橫滾框、俯仰框和方位框， 橫滾框繞X軸旋轉，俯仰框繞Y軸旋轉，方位框繞Z軸旋轉。橫滾框、俯仰框跟蹤當地地理 水平，方位框跟蹤載機航向，三個框架的控制系統相對獨立。本發明只應用於橫滾框和俯仰 框，方位框不適用。遙感載荷和POS安裝在方位框上，MEMS加速度計安裝在穩定平臺方位 框上，且其敏感軸垂直於當地水平。圖中，Gx， Gy， Gz為安裝在各框架上的速率陀螺，Mx， My， Mz為三臺力矩電機，Mx安裝在基座上，My安裝在橫滾框上，Mz安裝在俯仰框上，Kx， Ky， Kz為 各框架的伺服控制器。伺服控制器根據速框架角速率信息和POS提供的姿態和位置信息產 生控制信號給力矩電機，力矩電機輸出驅動力矩以抵消幹擾力矩並驅動框架轉動，達到穩 定和跟蹤的目的。 應用了本發明的航空遙感慣性穩定平臺橫滾框、俯仰框控制系統傳遞函數框圖如 圖3所示。由內而外分別為電流環、穩定迴路、跟蹤迴路。電流環用於加快力矩電機轉矩響 應速度，同時抑制電機反電動勢擾動；穩定迴路用於提供速率阻尼，提高系統的穩定性和對 幹擾的響應速度；跟蹤迴路用於調整成像載荷視軸的精確指向，跟蹤當地地理水平和載機 航向。圖中，9in為框架相對於當地水平的角位置給定，且ein = o， e。ut為框架相對於當 地水平的角位置輸出；"in為框架角速率給定；"。ut為框架角速率輸出；Iin為力矩電機電 流給定；I。ut為力矩電機電流輸出；KT為力矩電機力矩係數；J為包括載荷在內的框架轉動 慣性風為不平衡力矩；Mf為摩擦力矩；Ke"為電機反動勢，其中"為電機轉速，Ke為電機
反電動勢係數；&^^為電流控制器，其中，&為電流控制器比例係數，t 。為電流控制器
5時間常數，s複數運算算子；formula see original document page 6為P麗功率驅動單元的傳遞函數，其中U為電機驅動供
電電壓，T,為P麗周期formula see original document page 6Y為電機電樞繞組傳遞函數，其中L為電機電磁時間常數，Km
為電機電流係數；formula see original document page 6為速率控制器，其中K。為速率控制器比例係數，t 。為電流控制
器時間常數formula see original document page 6為速率陀螺的傳遞函數，其中L為速率陀螺時間常數。控制系統採數字 伺服控制技術，各種算法均在TMS320F28335內部以數字方式實現。 如圖4所示，本發明使用MEMS加速度計MMA7261敏感平臺鉛垂方向的加速度，圖
中MMA7261的0g輸出電壓為1. 65V，靈敏度為480mV/g，測量範圍為-2. 5g +2. 5g。MMAX7261
經過分壓、濾波後輸入到圖6中的TMS320F28335的ADCB5引腳進行A/D轉換。 如圖5所示，本發明使用霍爾電流傳感器TBC25C04串聯在電機線路中，TBC25C04
以l : 500的關係輸出與電機電流I成正比的電流信號I—SENSE—M1，經過信號處理電路轉
換成電壓信號formula see original document page 6並輸送到TMS320F28335進行A/D轉換。 為了證明本明的效果，進行了MATLAB仿真。仿真參數設為摩擦力矩的幅值
為O. 3Nm，反電動勢幹擾的幅值為1V，飛機運動幹擾加速度a的幅值為lg、頻率為1Hz，
Butterworth低通濾波器的截止頻率"。為0. 1Hz，框架的質量偏心距為lcm，框架質量
為120Kg，則在重力加速度和交變的飛機運動幹擾加速度作用下，不平衡力矩的表達式為
formula see original document page 6圖7是未使用本發明的慣性穩定平臺的角速率輸出，圖8
為使用了本發明的慣性穩定平臺的角速率輸出，可以看出使用本發明後，平臺對不平衡力
矩的抑制能力得到大幅提升，平臺可以獲得更高的穩定精度。 本發明的具體實施方法如下 1、慣性穩定平臺上電，控制系統開始工作； 2、使用安裝在平臺上的MEMS加速度計MMA7261測量出施加在平臺框架上包括重 力加速度g和運動加速度a在內的天向實時加速度，MEMS加速度計的傳遞函數為一階慣性 1
環節^J 。加速度計信號調理電路將加速度計輸出信號進行濾波、分壓，將電壓範圍搬移
到0 3V的A/D轉換輸入電壓範圍內。A/D將此電壓信號轉換為數字量傳送給數字控制器， 從而獲得平臺天向實時加速度g+a。； 3、霍爾電流傳感器TBC25C04串聯在相應框架力矩電機線路中，輸出與力矩電 機的電流I成正比的電流信號，進行信號調理和A/D轉換後，在數字控制器中使用兩 階Butterworth低通濾波器對力矩電機電流I進行濾波得到平均電流/，使用的兩階
_1
Butterworth低通濾波器的傳遞函數為formula see original document page 6其中"。為截止頻率，"。=
0. 1 ; 4、根據獲得的加速度信息g+a和力矩電機平均電流/，計算出平臺的不平衡力矩M^，計算公式為^w =《r J'"^"，其中KT為力矩電機力矩係數； 5、將獲得的不平衡力矩M6sti除以力矩電機力矩係數KT，得到用於補償不平衡力矩 所需要的電流I。。mp ; 6、將得到的補償電流I。。mp與穩定迴路的輸出Iin相加後作為電流環的給定輸入到 電流環，從而電流環通過閉環校正輸出相應大小的電流驅動電機，電機輸出抵抗不平衡力 矩所需要的轉矩。 7、周期性的重複步驟2 6，系統收斂穩定後即可估計出不平衡力矩並自動進行補 償。 本發明說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員公知的現有技術。
權利要求
一種航空遙感慣性穩定平臺不平衡力矩估計與補償方法，其特徵在於步驟如下(1)採用安裝在航空遙感慣性平臺上的MEMS加速度計測量出施加在平臺框架上的天向實時加速度信息，所述天向實時加速度信息包括重力加速度g和天向運動加速度a；(2)採用霍爾電流傳感器測量出安裝在框架上的力矩電機的電流I，通過低通濾波器對力矩電機電流I進行濾波，得到平均電流(3)根據步驟(1)和步驟(2)中獲得的加速度信息和力矩電機平均電流估計出平臺的不平衡力矩Mesti， M esti= K T I ~ g+a g, 其中KT為力矩電機力矩係數；(4)將步驟(3)中獲得的不平衡力矩Mesti除以力矩電機力矩係數KT，得到用於補償不平衡力矩所需要的電流Icomp；(5)將步驟(4)中得到的Icomp補償到力矩電機電流環的給定上；(6)周期性的重複步驟(1)～(5)。F2009102412429C00011.tif,F2009102412429C00012.tif
全文摘要
一種航空遙感慣性穩定平臺不平衡力矩估計與補償方法。根據實時測量出的平臺加速度和力矩電機的電流信息估計出平臺的不平衡力矩，然後計算出抵消此不平衡力矩所需的力矩電機電流值，並將此電流值補償到力矩電機電流環的電流給定上，從而力矩電機輸出與不平衡力矩大小相等、方向相反的抵抗力矩，抑制穩定平臺不平衡力矩幹擾，降低對穩定平臺力矩剛度的要求，提高穩定平臺的穩定精度。本發明具有穩定性強、精度高的特點，適用於具有不平衡力矩的跟蹤當地地理水平的航空遙感慣性穩定平臺。
文檔編號G01C21/18GK101709975SQ20091024124
公開日2010年5月19日 申請日期2009年11月27日 優先權日2009年11月27日
發明者周向陽, 張延順, 戚自輝, 房建成, 穆全起, 鍾麥英 申請人:北京航空航天大學