运动平台下光电跟踪系统的抗扰控制技术研究
发布时间：2021-07-22 11:47
随着光电跟踪系统应用领域的不断拓展,期望光电跟踪系统具备灵活性和机动性,以便无论在哪种运动平台下都可以实现对目标的稳定跟踪。在运动平台下的光电跟踪系统面临的技术挑战较传统地基光电设备更大。由于运动载体的机动和环境振动会严重影响系统的视轴稳定,因此光电跟踪系统的抗扰技术至关重要。本文针对光电跟踪系统中机架和精密稳定平台等执行结构在实现视轴稳定控制中面临的问题,分别提出了基于H∞原理的扰动观测器设计方法、基于虚拟速度三闭环控制、改进型Smith预估器和复合稳定平台及控制方法,并通过实验验证分析了所提方法达到的性能效果。本文首先介绍了光电跟踪系统的工作原理,分析了稳定和跟踪两个问题的处理方式。通过建立光电跟踪平台的坐标系,推导了实现视轴稳定的扰动补偿方程,并基于扰动补偿方程阐述了惯性陀螺的两种安装方式。其次,分析了光电跟踪系统的复合轴控制结构,对机架和精密稳定平台分别进行了数学建模。因为系统的视轴稳定精度取决于系统的扰动抑制能力。对任何伺服系统来说,系统的扰动抑制能力都是由主动抑制能力和被动抑制能力组成。主动抑制能力的性能取决于被控对象的特性、惯性传感器的性能和控制算法。而被动抑制能力取决于...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)四川省
【文章页数】：143 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
美国的SeaFLIR系统
运动平台下光电跟踪系统的抗扰控制技术研究4图1.3美国的SeaFLIR系统Figure1.3AmericanSeaFLIRSystem图1.4法国的PASEOXLR系统Figure1.4FrenchPASEOXLRsystem表1.1国内外具有代表性的光电吊舱的技术指标Table1.1Technicalindicatorsofrepresentativeoptoelectronicpodsathomeandabroad型号结构形式最大角速度最大角加速度稳定精度以色列ESP-600C两轴三框架50°/s60°/s215μrad美国Skyball-SA-144/18两框架2rad/s4rad/s235μrad意大利Caselle-Torinese两轴60°/s0.4mrad加拿大14QS四框架90°/s35μrad中国T6两轴60°/s60°/s20.3mrad机载光电跟踪设备主要用于为飞机提供对地监视、侦察和成像等信息。对光电稳定平台的小型化、轻量化和高稳定精度都有较高的技术要求。表1.1展示了
运动平台下光电跟踪系统的抗扰控制技术研究6载的低频高幅度振动主要来源于卫星运动姿态变化和太阳电池阵列的共振或热瞬态影响，这类扰动的频率为几Hz量级，而机械装置和电机等产生的扰动一般集中在1~2KHz，但振动幅度在微弧度量级[22]。机械结构特性从机械隔振的角度考虑，无论是几轴几框架的跟踪转台，其机械特性都为低通形式，对中高频的激励或振动都具备一定的衰减能力。但出于结构刚度设计的要求，转台自身的隔振能力是非常有限的。因此，运动平台下的光电设备下面都要安装相应的隔振器，以提高其抗振和抗冲击能力。在詹姆斯·韦伯太空望远镜(JamesWebbSpaceTelescope，缩写JWST)中利用光学望远镜和卫星载体间的塔式结构起到了隔离载体振动的作用，被动隔振抑制了大部分的高频振动(1Hz以上)[23]；斯皮策空间望远镜(SpitzerSpaceTelescope，缩写为SST)的隔离器(active/passiveSCisolator，缩写为APSI)利用六足的弹簧机构实现被动隔离，隔离频率为0.5~2Hz[24]。图1.5斯皮策空间望远镜的主被动隔振器Figure1.5ActivePassiveSpacecraftIsolator(APSI)ofSpitzerSpaceTelescope对光电跟踪平台自身的机械特性来说，被控对象的摩擦、机械谐振、轴承间的耦合、质量不平衡等因素限制了系统可实现的控制带宽，会影响控制系统的稳定性能。摩擦是任何接触式的机械转动装置都不可避免的问题。由于摩擦环节的存在，严重制约了控制系统动静态性能的提高。在转台掉头换向和低速运行的工作状态下，会出现摩擦力矩反向和低速爬行现象，影响系统的稳定精度，严重情况下甚至会导致极限环震荡现象。为了减少摩擦带来的影响，可采用润滑剂、提高加工精度和优化机械结构的方式，但是只能在一定程度上降低摩擦的副作用。
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间二维转台照准架的结构优化设计[J]. 张永强,刘朝晖,李治国,谢友金. 红外与激光工程. 2017(S1)
[2]角加速度信号自适应小波的去噪方法[J]. 刘彤,李晶,王美玲,孙荣凯. 振动.测试与诊断. 2017(06)
[3]光电经纬仪机电一体化耦合特性[J]. 张晶,郝伟,杨晓许,井峰,黄伟,邱鹏,曹蓓. 光子学报. 2017(01)
[4]加速度反馈技术在惯性稳定平台中的应用[J]. 田竞,邓超,曹政,毛耀,杨文淑,彭真明. 光电工程. 2016(12)
[5]加速度基线漂移频域处理方法的对比研究[J]. 缪惠全,王闯,李杰. 振动与冲击. 2016(13)
[6]Design of active disturbance rejection internal model control strategy for SISO system with time delay process[J]. 靳其兵,刘立业. Journal of Central South University. 2015(05)
[7]光电稳定平台伺服系统动力学建模与参数辨识[J]. 廖洪波,范世珣,黑墨,范大鹏. 光学精密工程. 2015(02)
[8]振动主动控制中加速度信号的积分方法[J]. 王震,孙玉东. 仪表技术与传感器. 2015(02)
[9]星载光电复合轴跟踪控制技术研究[J]. 王卫兵,姜振华,王挺峰,郭劲. 红外与激光工程. 2014(12)
[10]一种MEMS加速度计误差分析与校准方法[J]. 尹杭,张伟,袁琳峰. 传感技术学报. 2014(07)
博士论文
[1]面向机载光电平台的高性能鲁棒控制研究[D]. 王昱棠.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[2]基于柔性机构的快速反射镜研究[D]. 徐宁.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[3]窄信标卫星光通信链路快速捕获和稳定跟踪方法研究[D]. 武凤.哈尔滨工业大学 2018
[4]高精度机载光电平台视轴稳定技术研究[D]. 魏伟.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[5]运动平台ATP系统控制技术研究[D]. 刘子栋.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2015
[6]动基座下光电经纬仪视轴稳定控制方法研究[D]. 葛兵.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
[7]运动平台中惯性稳定控制技术研究[D]. 夏运霞.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2013
[8]陀螺稳定光电跟踪平台伺服控制系统研究[D]. 姬伟.东南大学 2006
[9]复合轴光电跟踪系统控制策略的研究[D]. 李文军.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2006
[10]运动平台捕获、跟踪与瞄准系统视轴稳定技术研究[D]. 胡浩军.国防科学技术大学 2005
硕士论文
[1]星地光通信中卫星振动分析与抑制技术研究[D]. 覃浩.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2014
[2]基于模糊PID的Smith预估控制器及应用[D]. 唐彪.中南大学 2010
[3]快速反射镜机械结构特性设计问题研究[D]. 鲁亚飞.国防科学技术大学 2009
[4]基于快速反射镜的光束指向稳定技术[D]. 邓耀初.西安电子科技大学 2008
[5]线加速度计在平台稳定系统中应用的理论研究[D]. 刘向.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2004
[6]时滞系统的控制方法研究[D]. 姜会霞.湖南大学 2002
本文编号：3297093
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)四川省
【文章页数】：143 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
美国的SeaFLIR系统
运动平台下光电跟踪系统的抗扰控制技术研究4图1.3美国的SeaFLIR系统Figure1.3AmericanSeaFLIRSystem图1.4法国的PASEOXLR系统Figure1.4FrenchPASEOXLRsystem表1.1国内外具有代表性的光电吊舱的技术指标Table1.1Technicalindicatorsofrepresentativeoptoelectronicpodsathomeandabroad型号结构形式最大角速度最大角加速度稳定精度以色列ESP-600C两轴三框架50°/s60°/s215μrad美国Skyball-SA-144/18两框架2rad/s4rad/s235μrad意大利Caselle-Torinese两轴60°/s0.4mrad加拿大14QS四框架90°/s35μrad中国T6两轴60°/s60°/s20.3mrad机载光电跟踪设备主要用于为飞机提供对地监视、侦察和成像等信息。对光电稳定平台的小型化、轻量化和高稳定精度都有较高的技术要求。表1.1展示了
运动平台下光电跟踪系统的抗扰控制技术研究6载的低频高幅度振动主要来源于卫星运动姿态变化和太阳电池阵列的共振或热瞬态影响，这类扰动的频率为几Hz量级，而机械装置和电机等产生的扰动一般集中在1~2KHz，但振动幅度在微弧度量级[22]。机械结构特性从机械隔振的角度考虑，无论是几轴几框架的跟踪转台，其机械特性都为低通形式，对中高频的激励或振动都具备一定的衰减能力。但出于结构刚度设计的要求，转台自身的隔振能力是非常有限的。因此，运动平台下的光电设备下面都要安装相应的隔振器，以提高其抗振和抗冲击能力。在詹姆斯·韦伯太空望远镜(JamesWebbSpaceTelescope，缩写JWST)中利用光学望远镜和卫星载体间的塔式结构起到了隔离载体振动的作用，被动隔振抑制了大部分的高频振动(1Hz以上)[23]；斯皮策空间望远镜(SpitzerSpaceTelescope，缩写为SST)的隔离器(active/passiveSCisolator，缩写为APSI)利用六足的弹簧机构实现被动隔离，隔离频率为0.5~2Hz[24]。图1.5斯皮策空间望远镜的主被动隔振器Figure1.5ActivePassiveSpacecraftIsolator(APSI)ofSpitzerSpaceTelescope对光电跟踪平台自身的机械特性来说，被控对象的摩擦、机械谐振、轴承间的耦合、质量不平衡等因素限制了系统可实现的控制带宽，会影响控制系统的稳定性能。摩擦是任何接触式的机械转动装置都不可避免的问题。由于摩擦环节的存在，严重制约了控制系统动静态性能的提高。在转台掉头换向和低速运行的工作状态下，会出现摩擦力矩反向和低速爬行现象，影响系统的稳定精度，严重情况下甚至会导致极限环震荡现象。为了减少摩擦带来的影响，可采用润滑剂、提高加工精度和优化机械结构的方式，但是只能在一定程度上降低摩擦的副作用。
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间二维转台照准架的结构优化设计[J]. 张永强,刘朝晖,李治国,谢友金. 红外与激光工程. 2017(S1)
[2]角加速度信号自适应小波的去噪方法[J]. 刘彤,李晶,王美玲,孙荣凯. 振动.测试与诊断. 2017(06)
[3]光电经纬仪机电一体化耦合特性[J]. 张晶,郝伟,杨晓许,井峰,黄伟,邱鹏,曹蓓. 光子学报. 2017(01)
[4]加速度反馈技术在惯性稳定平台中的应用[J]. 田竞,邓超,曹政,毛耀,杨文淑,彭真明. 光电工程. 2016(12)
[5]加速度基线漂移频域处理方法的对比研究[J]. 缪惠全,王闯,李杰. 振动与冲击. 2016(13)
[6]Design of active disturbance rejection internal model control strategy for SISO system with time delay process[J]. 靳其兵,刘立业. Journal of Central South University. 2015(05)
[7]光电稳定平台伺服系统动力学建模与参数辨识[J]. 廖洪波,范世珣,黑墨,范大鹏. 光学精密工程. 2015(02)
[8]振动主动控制中加速度信号的积分方法[J]. 王震,孙玉东. 仪表技术与传感器. 2015(02)
[9]星载光电复合轴跟踪控制技术研究[J]. 王卫兵,姜振华,王挺峰,郭劲. 红外与激光工程. 2014(12)
[10]一种MEMS加速度计误差分析与校准方法[J]. 尹杭,张伟,袁琳峰. 传感技术学报. 2014(07)
博士论文
[1]面向机载光电平台的高性能鲁棒控制研究[D]. 王昱棠.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[2]基于柔性机构的快速反射镜研究[D]. 徐宁.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[3]窄信标卫星光通信链路快速捕获和稳定跟踪方法研究[D]. 武凤.哈尔滨工业大学 2018
[4]高精度机载光电平台视轴稳定技术研究[D]. 魏伟.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[5]运动平台ATP系统控制技术研究[D]. 刘子栋.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2015
[6]动基座下光电经纬仪视轴稳定控制方法研究[D]. 葛兵.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
[7]运动平台中惯性稳定控制技术研究[D]. 夏运霞.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2013
[8]陀螺稳定光电跟踪平台伺服控制系统研究[D]. 姬伟.东南大学 2006
[9]复合轴光电跟踪系统控制策略的研究[D]. 李文军.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2006
[10]运动平台捕获、跟踪与瞄准系统视轴稳定技术研究[D]. 胡浩军.国防科学技术大学 2005
硕士论文
[1]星地光通信中卫星振动分析与抑制技术研究[D]. 覃浩.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2014
[2]基于模糊PID的Smith预估控制器及应用[D]. 唐彪.中南大学 2010
[3]快速反射镜机械结构特性设计问题研究[D]. 鲁亚飞.国防科学技术大学 2009
[4]基于快速反射镜的光束指向稳定技术[D]. 邓耀初.西安电子科技大学 2008
[5]线加速度计在平台稳定系统中应用的理论研究[D]. 刘向.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2004
[6]时滞系统的控制方法研究[D]. 姜会霞.湖南大学 2002
本文编号：3297093
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