带有球面机构的光电稳定平台视轴稳定控制研究

来源 :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 | 被引量 : 0次 | 上传用户:adder2001
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航空光电稳定平台作为一种安放在飞行器载体上的成像设备,能够对特定区域内的目标进行识别、捕获、跟踪、定位、测量,在对地成像方面具有广泛的应用。近年来,随着现代航空光电技术的发展,高精度、长航时对地观测需求日益凸显,航空光电稳定平台需要克服飞行过程中受到的复杂多源非线性扰动,实现高精度视轴稳定控制,同时需要在体积、重量约束条件内搭载更多的有效成像载荷。因此,研究高精度、高载荷比的光电稳定平台控制方法具有重要的工程价值。本学位论文以串联球面机构为研究对象,深入研究了球面机构的运动学、动力学特性,以理论分析为依据,并结合试验验证,对带有球面机构的光电稳定平台视轴稳定控制技术进行了较为深入的研究。本文主要研究内容如下:1.为实现球面机构光电稳定平台的控制,首先要对其数学模型进行分析。借助机器人领域的D-H参数法获得机构的D-H参数表并对机构建立坐标系。根据坐标转换关系即可推导出该机构的正、逆运动学模型。根据虚功原理,使用拉格朗日法推导出该机构的动力学模型。并且对所建立的正、逆运动学模型以及动力学模型,进行了仿真验证和实验验证。2.针对球面机构光电稳定平台存在不平衡力矩问题,研究了基于机构的动力学模型的重力补偿算法,设计了重力补偿控制器,补偿球面机构自身不平衡力矩及惯性力的影响,提升系统的响应速度和控制精度。3.针对球面机构关节耦合和系统中存在多源扰动的问题,针对关节空间内回路补偿技术及视轴稳定控制方法进行了研究。由于串联球面机构关节间存在耦合,并且工作过程中受摩擦力、模型不确定性、风阻、载机运动等多源扰动,针对这一问题在重力补偿算法的基础上,提出了采用基于自适应滑模辅助干扰观测器的内回路补偿技术,对串联球面机构的关节耦合进行解耦,同时对系统的模型不确定性以及外界扰动进行补偿,并设计了速度环反馈控制器,实现惯性稳定平台的视轴稳定控制。最后进行了实验验证,结果表明本方法能够实现球面机构关节空间的解耦,并且在抗干扰方面性能有明显提升。4.在实现关节空间控制方法过程中,通过正逆运动学模型,建立关节空间与工作空间之间的位置、速度、加速度映射关系,需要进行多次运动学转换,无形中降低了系统的控制精度和增加了计算复杂度。为了进一步简化串联球面机构控制方法复杂性和直观性,对串联球面机构工作空间控制方法进行了研究。针对串联球面机构末端负载进行直接控制,设计了基于关节空间和工作空间的双级干扰观测器方法,并结合力补偿控制器和速度环的反馈控制器实现串联球面结构的高精度控制。最后通过实验验证了该方法的有效性,并且控制效果优于关节空间。综上所述,本文针对带有球面机构的光电稳定平台视轴稳定控制研究,将新型机构应用到航空光电系统中,并结合自适应滑模辅助干扰观测器等控制算法,提高光电系统的载荷比和视轴稳定精度,对相关领域的研究和应用提供了理论支撑和设计参考。
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