高 翔，劉維亭

（江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003）

基于光電穩(wěn)臺的擾動分析

高 翔，劉維亭

（江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003）

光電穩(wěn)定平臺廣泛應(yīng)用在車載、武裝設(shè)備系統(tǒng)中，穩(wěn)定平臺臺體的干擾力矩的作用影響其伺服系統(tǒng)控制精度，基于更好地掌握光電穩(wěn)定平臺伺服系統(tǒng)的動力學(xué)特性，采用自適應(yīng)控制算法，并通過誤差模型的仿真研究，對斜坡和低頻干擾力矩抑制、摩擦隨機干擾力矩抑制、階躍和高頻干擾力矩抑制幾種干擾力矩進行分析，分析誤差影響度。最后分析比較在不同路況下抑制階躍和高頻干擾力矩后對伺服系統(tǒng)的影響結(jié)果。得出在中等越野路面（兼容減振器）下，滿足指標100×100的要求。

光電穩(wěn)定平臺；干擾力矩；伺服控制；誤差建模

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，光電穩(wěn)定平臺在車載、機載和艦載武裝系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛。應(yīng)用廣泛的車載穩(wěn)定平臺主要作用是隔離載體對光電探測器視軸的擾動，光電穩(wěn)定平臺伺服控制系統(tǒng)的控制精度的準確性決定了其隔離擾動的能力。為了更好地掌握光電穩(wěn)定平臺伺服系統(tǒng)的動力學(xué)特性[1]，從而提高其伺服系統(tǒng)控制精度，需要對影響光電穩(wěn)定平臺的擾動進行分析。更好地配備于車載，適應(yīng)全天時、全天候以及復(fù)雜地形條件的工作。

文中對幾種光電穩(wěn)定平臺擾動分析，闡述了光電穩(wěn)定平臺的結(jié)構(gòu)組成，對斜坡和低頻干擾力矩抑制、摩擦隨機干擾力矩抑制、階躍和高頻干擾力矩抑制幾種干擾力矩進行分析，并通過誤差模型的仿真研究，分析誤差影響度，并通過實驗結(jié)果體現(xiàn)擾動結(jié)果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光電穩(wěn)定平臺由光載電荷，主控板，視頻預(yù)處理板，跟蹤板，伺服控制板，光纖轉(zhuǎn)換板，俯仰電機，限位器，俯仰編碼器，方位編碼器，方位電機，導(dǎo)電滑環(huán)等組成。

系統(tǒng)工作時，操控機通過CAN總線向光電系統(tǒng)發(fā)送工作指令[2]，將光電載荷的視軸引向觀察區(qū)域，該區(qū)域的地面景物通過光電載荷的光學(xué)系統(tǒng)成像在白光、紅外熱像儀上，生成Cameralink數(shù)字視頻信號，該信號送給圖像跟蹤器進行處理，將感興趣的目標從背景中分割出來，并計算出目標與光軸之間的偏移量送給伺服控制系統(tǒng)。伺服控制系統(tǒng)根據(jù)偏移量數(shù)據(jù)，經(jīng)伺服控制解算后驅(qū)動穩(wěn)定平臺，帶動光電載荷向減小偏移量的方向運動。使光電分系統(tǒng)視軸鎖定并跟蹤住目標，同時實時采集穩(wěn)定平臺角度信息、焦距信息及激光測距信息。為用戶對目標進行跟蹤監(jiān)測及特征評價提供測量參數(shù)。

2 控制方案

本項目的伺服控制系統(tǒng)由方位、俯仰穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)組成。俯仰框架裝載白光攝像機、紅外熱像儀、激光測距系統(tǒng)[3]，兩個框架軸系都安裝敏感軸系角位置、慣性角速度的傳感器以實現(xiàn)光電成像傳感器相對于慣性空間的穩(wěn)定。

影響平臺穩(wěn)定的干擾力矩可以分為很多種類型:常值干擾力矩、低頻干擾力矩、高頻干擾力矩、階躍干擾力矩、斜坡干擾力矩、拋物波干擾力矩以及隨機干擾力矩[4]，其中，6級風(fēng)屬于斜坡干擾力矩、車上人員的走動屬于低頻干擾力矩、開關(guān)車門屬于階躍干擾力矩、發(fā)動機工作屬于高頻干擾力矩（20 Hz）而光電穩(wěn)臺自身軸系的摩擦屬于隨機干擾力矩。

2.1 斜坡和低頻干擾力矩抑制

對于斜坡干擾力矩以及低頻干擾力矩的消除，通常采用的是將伺服系統(tǒng)的速度回路設(shè)計成如圖1所示，這樣系統(tǒng)的Kp→∞，Kv→∞那么此時伺服系統(tǒng)對于斜坡輸入干擾力矩的響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值為0，對于低頻干擾力矩的消除則只需設(shè)計速度環(huán)的帶寬大于25 Hz即可。

圖1 伺服系統(tǒng)仿真框圖

2.2 摩擦隨機干擾力矩抑制

對于摩擦隨機干擾力矩，采用的是基于lurge模型的數(shù)學(xué)建模方法對非線性摩擦力矩進行識別[5]，然后采用前饋控制器對其進行抑制如圖2所示，圖3為實測的摩擦干擾力矩所引起的光電穩(wěn)臺低速爬行曲線和采用lurge模型仿真得到的光電穩(wěn)臺低速爬行曲線對比圖，可以看出在對非線性摩擦建模的過程中采用lurge模型計算得到的結(jié)果是非常精確的。

2.3 階躍和高頻干擾力矩抑制

對于階躍干擾力矩和發(fā)動機高頻干擾力矩（20 Hz）采用的是基于線性加速度計的自適應(yīng)擾動抑制技術(shù)。

首先采用線性加計對陀螺的噪聲進行抑制

根據(jù)卡爾曼濾波[6]方程：

利用已測的俯仰和方位角加速度[7]對陀螺進行卡爾曼濾波。

3 實驗及結(jié)果分析

3.1 斜坡干擾力矩抑制實驗結(jié)果

斜坡干擾力矩的仿真是給定伺服系統(tǒng)1 000個碼（每個碼對應(yīng)0.003 05°/s）的速度，看系統(tǒng)的反饋速度和給定速度之間由于風(fēng)擾所產(chǎn)生的殘差[8]，伺服系統(tǒng)速度回路所引入的殘差（＞200），速度回路的速度跟隨效果（殘差→0）。

圖2 基于Lurge模型的前饋控制仿真框圖

圖3 仿真與實測曲線對比

3.2 摩擦干擾力矩抑制實驗結(jié)果

給定低速輸入1.5°/s sin（2πt），通過比較不使用和使用前饋控制器來分析反饋速度在低速段的畸變，從而看出采用前饋控制器對摩擦干擾力矩的抑制效果[9]，采用前饋控制器的速度反饋在低速段的畸變明顯小于未采用前饋控制器的速度反饋。

3.3 不考慮高頻和階躍干擾力矩的仿真結(jié)果

其仿真框圖及結(jié)果曲線分別如圖4所示，曲線中一個碼對應(yīng)0.00305度，則當(dāng)桅桿升起時不考慮高頻擾動[10]，視軸的晃動量最大值為0.17×0.003 05= 9.3 urad＜一個像素。

圖4 不考慮高頻和階躍干擾力矩的仿真原理圖及仿真曲線

4 技術(shù)特點

4.1 基于參考模型的自適應(yīng)控制算法

無論是駐車模式下，還是桅桿處于最低位置由于發(fā)動機引入的高頻還是行車過程中由于路面顛簸所引入的高頻，對于控制算法的設(shè)計并沒有區(qū)別，唯一不同的地方在于桅桿處于最低位置的高頻頻率為20 Hz、幅值為1°/s，行車過程中（兼容減震器）的高頻頻率為15 Hz，幅值根據(jù)路面情況的不同而不同：普通越野路面10°/s、中等越野路面20°/s、極限越野路面30°/s—40°/s。

基于參考模型的自適應(yīng)控制[11]算法原理圖如圖5所示，通過比較參考模型的理想角加速度和實際模型實測的角加速度便可利用電流環(huán)對高頻擾動進行抑制。

4.2 自適應(yīng)控制仿真結(jié)果

4.2.1 桅桿處于最低處仿真結(jié)果

把仿真原理圖5中的base motion改成1°/ssin（2*pi*20*t）進行仿真，仿真曲線如圖6所示，圖中一個碼對應(yīng)0.00305°，從而視軸的晃動量為 0.15× 0.003 05=8.2 urad＜一個像素，若考慮到第2節(jié)中低頻擾動、摩擦力擾動和斜坡擾動[12]所引入的9.3urad視軸晃動量，則桅桿處于最低處視軸總的晃動量為17.5 urad＜2個像素。

圖5 基于參考模型的自適應(yīng)控制原理圖

圖6 桅桿處于最低位置時的高頻抑制曲線

4.2.2 普通越野路面（兼容減振器）仿真結(jié)果

由于普通路面采用減振器其發(fā)動機高頻區(qū)域的振動被消除，但是由于減振器[13]本身存在諧振點（15Hz），從而此區(qū)域的振動會被放大，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)將仿真原理圖5中的base motio改成10°/ssin（2*pi*15*t）進行仿真，仿真曲線如圖7所示，圖中一個碼對應(yīng)0.00305°，從而視軸的晃動量為1.2×0.003 05=61 urad＜90 urad，滿足圖像穩(wěn)定小于3個像素的要求（單個像素為30 urad）。

圖7 普通越野路面的高頻抑制曲線

4.2.3 中等越野路面（兼容減振器）仿真結(jié)果

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)將仿真原理圖5中的base motion改成20°/ssin（2*pi*15*t）進行仿真，仿真曲線如圖8所示，圖中一個碼對應(yīng)0.003 05°，從而視軸的晃動量為22×0.003 05=0.0671°，并非是4.2.2的兩倍關(guān)系，原因在于中等越野路面加速度過大已超過電機1000°/s2能力控制范圍。

圖8 中等越野路面的高頻抑制曲線

可見光攝像機處于最長焦距[14]時，視場角為（0.87°，0.65°），則0.0671°對應(yīng)于 （7.7%水平視場，10.3%俯仰視場），所占像素為78×78，滿足指標100× 100的要求。

5 結(jié)束語

文中分析了幾種影響光電穩(wěn)定的擾動因素，這里不考慮其他影響力微弱的擾動因素。通過比較不同路面情況的模型并利用電流環(huán)對高頻擾動進行抑制，提高伺服系統(tǒng)的帶寬。

[1]李嘉全，丁策，孔德杰，等.基于速度信號的擾動觀測器及在光電穩(wěn)定平臺的應(yīng)用[J].光學(xué)精密工程，2011（5）:998-1004.

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Disturbance analysis based on photoelectric stabilized platform

GAO Xiang，LIU Wei-ting
（School of Electrical and Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China）

Opto-Electronic stabilized platform is widely used in vehicle weapons and equipment system，the role of the stabilized platform disturbance torque affect the control accuracy of servo systems，in order to better master the dynamic characteristic of opto-Electronic stabilized platform servo system，using adaptive control algorithm and through the simulation research of error model，slope and low frequency disturbance torque， friction of random disturbance torque， step and high frequency disturbance torque is analyzed，and analyze error effect.Analysis and comparison the effect and outcome of the servo system under different road conditions inhibit step and after high frequency disturbance torque.Results display that it meets the requirements of the indicators 100×100 under the medium cross-country road（compatible with shock absorber）.

opto-electronic stabilized platform；disturbance torque；servo control；errors model

TN2

：A

：1674-6236（2017）02-0076-04

2016-04-21稿件編號：201604212

國家自然科學(xué)基金（61503161）；船舶預(yù)研支撐技術(shù)基金項目（13J2.5.2）

高 翔（1989—），女，江蘇泗洪人，碩士研究生。研究方向：電氣自動化。