惯性稳定平台中的多传感器控制技术研究

发布时间：2017-12-16 03:32

  本文关键词：惯性稳定平台中的多传感器控制技术研究

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【摘要】：随着应用需求的变化及相关技术的发展,光电跟踪系统由传统的固定地基模式逐步向基于运动平台的模式发展。与固定基座的方式相比,运动平台载体的运动会引起光电跟踪系统视轴的抖动,因此需要采用惯性稳定平台对视轴抖动进行抑制。惯性稳定平台的扰动抑制能力和跟踪性能在很大程度上决定了光电系统的跟踪性能,使其成为国内外研究的热点。为提高惯性稳定平台的扰动抑制能力和跟踪性能,木文从惯性稳定平台的模型和基本原理出发,重点研究和探讨了惯性稳定平台角加速度和角速度检测、扰动抑制、位置回路低采样频率条件下跟踪等几个关键技术问题,旨在提出一些有效的技术路线和方法,满足当前工程中的需要。提出在惯性稳定平台对扰动抑制较好的情况下,可以将运动平台的复合轴控制系统等效为地基复合轴控制系统,借鉴地基复合轴控制系统的方法,提高惯性稳定平台的跟踪能力。首先分析了惯性稳定平台的振动条件、物理模型和数学模型,指出了影响其扰动抑制能力的主要因素。提高惯性稳定平台的扰动抑制能力有两种方法：一是在保证惯性稳定平台被动抑制能力的基础上,不提高平台控制回路的主动抑制带宽,而是从控制算法上开展研究,提高控制回路在中低频的抑制能力,从而提高平台总的抑制能力；另一种方法减小惯性稳定平台的转动惯量,提高平台的主动抑制带宽,从而进一步其在中低频的抑制能力。提高惯性传感器的检测精度和带宽是提高惯性稳定平台主动抑制能力的基础。MEMS线加速度计带宽很宽,可以响应低频的扰动,且具有体积小重量轻的优点,因此提出采用两只MEMS线加速度计来检测惯性稳定平台的角加速度。并将MEMS线加速度计与MEMS陀螺结合进行融合滤波,提高了惯性稳定平台的速度检测带宽。为了消除MEMS陀螺中的色噪声,提出采用自适应噪声对消技术对其信号进行处理,该方法不会造成陀螺信号的相位滞后,有利于控制系统的设计。实验结果表明,基于MEMS线加速度计和陀螺的惯性传感器组合对扰动的检测精度和带宽可以满足惯性稳定平台控制的需求。同时,该方法减小了平台的负载,有利于进一步提高平台的扰动抑制能力。在分析传统的速度和位置双闭环的关系稳定平台的基础上,提出在速度环内增加加速度闭环,一方面可以提高系统的扰动抑制能力,系统的扰动抑制能力等于加速度、速度和位置三回路的抑制能力之和；另一方面为速度回路提供了良好的被控对象,提高了系统的鲁棒性。高增益的加速度闭环控制回路将驱动的电流源转换为了加速度源。惯性稳定平台作为0型系统,其加速度开环特性在低频段表现为二阶微分,因此惯性稳定平台的加速度闭环非常困难。本文提出不“对消”惯性稳定平台的二阶谐振,根据期望的闭环特性,直接采用零极点配置的方法设计加速度控制器。实验结果表明,加速度闭环带宽达到了700Hz以上,远超速度回路闭环带宽,加速度环在20Hz以下频段,将传统基于速度和位置双回路闭环惯性稳定平台的抑制能力提高了约15dB。基于虚拟陀螺的三回路闭环系统的扰动抑制能力低于基于光纤陀螺的三回路闭环系统的抑制能力,因此研究基于扰动前馈的技术来进一步提高惯性稳定平台扰动抑制能力。对于三回路闭环的惯性稳定平台来说,扰动前馈引入节点的选择较多,基于速度回路的前馈控制器略优于加速度回路的前馈控制器,这主要是由于加速度回路闭环后,平台特性近似为1,有利于速度回路前馈控制器的设计。实验证明,基于扰动的前馈控制器将惯性稳定平台在20Hz以下频段提高了约10dB,接近采用加速度计、光纤陀螺和CCD(PSD)三回路闭环系统的扰动抑制能力。在惯性稳定平台实现了稳定控制的基础上,将运动平台复合轴控制系统近似等效为地基复合轴控制系统,参考其跟踪控制的相关方法,提出采用惯性稳定平台相对位移传感器和精电视脱靶量结合获取目标相对于粗跟踪机架的运动轨迹,获取目标的位置、速度、加速度甚至是加加速度信息,将这些高阶信息用于跟踪前馈控制,用于补偿精电视脱靶量滞后引起的误差,提高惯性稳定平台的跟踪能力。实验结果表明,速度和加速度前馈可以提高惯性稳定平台的跟踪能力5倍以上。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP273

【参考文献】

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本文编号：1294569