惯性稳定平台控制方法
【专利摘要】一种惯性稳定平台控制方法，包括步骤：在静基座下，获取惯性稳定平台的横滚框相对于基座的第一转动角速度和俯仰框相对于横滚框的第二转动角度；当第二转动角度的正弦值与第一转动角速度乘积的绝对值小于预设阈值时，获取惯性稳定平台的俯仰框相对于横滚框的第二转动角速度、方位框相对于俯仰框的第三转动角速度；利用欧拉动力学方程建立静基座下惯性稳定平台的动力学模型；根据所述第一转动角速度、第二转动角速度、第三转动角速度、预存的线性切换函数、预存的指数趋近律和所述动力学模型分别计算方位框、俯仰框和横滚框的输入电压；从而对方位框、俯仰框、横滚框进行控制。通过本方案提高了惯性稳定平台的控制精度。
【专利说明】惯性稳定平台控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及航空遥感【技术领域】，特别是涉及惯性稳定平台控制方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着遥感应用的不断深入，各领域对建立稳定的遥感系统的需要越来越迫切。航空遥感系统在机动性、实时性、可重复观测性、遥感设备可更换性、获取高分辨率遥感数据能力、经济成本以及立体观测等方面都具有独特的优势。高分辨率、高精度、实时运动成像是航空遥感技术的核心，是获取高质量遥感数据的保障。
[0003]惯性稳定平台技术提高成像载荷视轴的稳定性，使成像载荷可以实时获取高精度的图像。惯性稳定平台通常采用三轴框架结构，由外到内依次为横滚框、俯仰框和方位框，三个框架分别隔离三个自由度上的扰动，最终实现安装在最内框架(方位框)上相机视轴的对地垂直稳定和对航迹的跟踪稳定。
[0004]惯性稳定平台技术通常采用PID (比例-积分-微分)控制方法。PID是通过测量位置，将位置与预期位置比较得到位置误差值，然后根据位置误差值对惯性稳定平台进行控制消除误差值。然而，当惯性稳定平台框架运动角速度和角加速度较大时，各框架之间的动力学耦合就比较严重，严重时会影响到系统的稳定性。而通常采用的PID控制方法，是直接计算位置误差值，导致位置误差值的因素包括各种干扰因素，比如偏心干扰因素、摩擦干扰因素等。由于没有对耦合力矩进行估计，无法解决耦合因素带来的影响，从而降低惯性稳定平台的控制精度。
【发明内容】
[0005]基于此，有必要针对惯性稳定平台的控制精度低的问题，提供一种惯性稳定平台解耦控制方法。
[0006]一种惯性稳定平台控制方法，包括步骤:
[0007]在静基座下，获取惯性稳定平台的横滚框相对于基座的第一转动角速度和俯仰框相对于所述横滚框的第二转动角度；
[0008]当所述第二转动角度的正弦值与所述第一转动角速度乘积的绝对值小于预设阈值时，获取所述惯性稳定平台的俯仰框相对于所述横滚框的第二转动角速度、方位框相对于所述俯仰框的第三转动角速度；
[0009]利用欧拉动力学方程建立静基座下惯性稳定平台的动力学模型；
[0010]根据所述第一转动角速度、第二转动角速度、第三转动角速度、预存的线性切换函数、预存的指数趋近律和所述动力学模型计算方位框的输入电压、俯仰框的输入电压和横滚框的输入电压；
[0011]根据所述方位框的输入电压、俯仰框的输入电压和横滚框的输入电压对方位框、俯仰框、横滚框进行控制。
[0012]上述惯性稳定平台控制方法，通过判断第二转动角度的正弦值与第一转动角速度乘积的绝对值是否小于预设阈值，当满足条件时，耦合为系统的时变干扰，引入预存的线性切换函数和指数趋近律，结合平台动力学方程，计算出方位框的输入电压、俯仰框的输入电压和横滚框的输入电压，对惯性平台进行控制，实现对各框架耦合力矩实时补偿，消除了各框架之间的动力学耦合影响，从而提高惯性稳定平台的控制精度，增强成像载荷视轴的稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明惯性稳定平台控制方法实施例的流程示意图；
[0014]图2为本发明实施例中惯性稳定平台结构示意图。
【具体实施方式】
[0015]以下针对本发明惯性稳定平台控制方法的各实施例进行详细的描述。
[0016]参见图1，为本发明惯性稳定平台控制方法实施例的流程示意图，包括步骤:
[0017]步骤SlOl:在静基座下，获取惯性稳定平台的横滚框相对于基座的第一转动角速度和俯仰框相对于横滚框的第二转动角度。本方案实施的前提是，基座相对静止的情况，即为静基座。获取第二转动角度的方法包括但不限定于直接从安装在俯仰框架的码盘获取。获取第一转动角速度的方法包括但不限定于当横滚陀螺直接安装在横滚框上时，从横滚陀螺中获取的横滚框相对于惯性系的转动角速度即为第一转动角速度。
[0018]步骤S102:判断第二转动角度的正弦值与第一转动角速度乘积的绝对值是否小于预设阈值，若是，进入步骤S103。其中，预设阈值是根据需要设定，目的是为了判断该绝对值可以忽略。
[0019]步骤S103:获取惯性稳定平台的俯仰框相对于横滚框的第二转动角速度和方位框相对于俯仰框的第三转动角速度，获取第二转动角速度的方法包括但不限定于通过安装在俯仰框上的码盘测出第二转动角，将第二转动角微分得到第二转动角速度。获取第三转动角速度的方法包括但不限定于通过安装在方位框上的码盘测出第三转动角，将第三转动角微分得到第三转动角速度。
[0020]步骤S104:计算每个框架的(横滚框、方位框、俯仰框)动量矩、力矩后，利用欧拉动力学方程建立静基座下惯性稳定平台的动力学模型。将计算出来的动量矩、力矩代入欧拉动力学方程，然后展开，即可获得静基座下惯性稳定平台的动力学模型。
[0021]步骤S105:根据第一转动角速度、第二转动角速度、第三转动角速度、预存的线性切换函数、预存的指数趋近律和平台动力学方程计算方位框的输入电压、俯仰框的输入电压和横滚框的输入电压。其中，预存的线性切换函数是通过转动角度和转动角速度得到。指数趋近律用来改善非滑动模态的性质。转动惯量、电机力矩系数、电枢电阻、传动比都是固有属性，可以实现预存。结合切换函数、指数趋近律和动力学方程即可得到输入电压。
[0022]步骤S106:根据方位框的输入电压、俯仰框的输入电压和横滚框的输入电压对方位框、俯仰框、横滚框进行控制。本实施例中根据方位框的输入电压对方位框进行控制是指通过将方位框的输入电压输入到方位框的电机中，电机驱动力矩对方位框的耦合力矩进行补偿，从而消除了方位框与横滚框之间的动力学耦合影响。横滚框和俯仰框同理。
[0023]通过判断第二转动角度的正弦值与第一转动角速度乘积的绝对值是否小于预设阈值，当满足条件时，耦合为系统的时变干扰，引入预存的线性切换函数和指数趋近律，结合平台动力学方程，计算出方位框的输入电压、俯仰框的输入电压和横滚框的输入电压，对惯性平台进行控制，实现对各框架耦合力矩实时补偿，消除了各框架之间的动力学耦合影响，从而提高惯性稳定平台的控制精度，增强成像载荷视轴的稳定性。
[0024]为了更清晰本方案，举几个具体实施例进行说明，具体如下:
[0025]基于刚体动力学特性和空间矢量叠加原理，建立三轴惯性稳定平台坐标系:基座坐标系、横滚框坐标系、俯仰框坐标系、方位框坐标系。其中基座坐标系0xbybzb:xb、yb、zb分别指向飞行载体的右、前、上；横滚框坐标系:横滚轴?与yb同向，Ox1^y1^相对0xbybzb系绕yb轴旋转,产生横滚角即第一转动角度Θ r ;俯仰框坐标系0xfyfzf:俯仰轴Xf与Xr同向，0xfyfzf相对Ox1J1^系绕X1?轴旋转,产生俯仰角即第二转动角度Θ f ;方位框坐标系0xayaza:方位轴Za与Zf同向，0xayaza相对0xfyfzf系绕Zf轴旋转,产生方位角即第三转动角
度9-并定义(:11、(,/、C/1分别为基座到横滚框、横滚框到俯仰框、俯仰框到方位框的方向
余弦矩阵，根据坐标系关系，令转动角度θρ 0f、0a逆时针为正。
[0026]<为横滚框架相对惯性空间的角速度在系的表示，其在X、1、z轴上的投
影分别记力W、4,、μ。为俯仰框架相对惯性空间的角速度在OxfyfZf系的表
示，其在x、y、z轴上的投影分别记为><、M‘、<为方位框架相对惯性空间的角
速度在况上\系的表示，其在x、y、z轴上的投影分别记为<、<、&为俯仰
框架相对横滚框架的第二转角角速度、&为横滚框架相对基座第一转角角速度Θ力方位框架相对俯仰框架的第三转角角速度。在基座为相对静止情况下，建立三轴角速度关系方程，如下:
[0027]①滚框架相对惯性空间的角速度在横滚框坐标系的投影为:
【权利要求】
1.一种惯性稳定平台控制方法，其特征在于，包括步骤: 在静基座下，获取惯性稳定平台的横滚框相对于基座的第一转动角速度和俯仰框相对于所述横滚框的第二转动角度； 当所述第二转动角度的正弦值与所述第一转动角速度乘积的绝对值小于预设阈值时，获取所述惯性稳定平台的俯仰框相对于所述横滚框的第二转动角速度、方位框相对于所述俯仰框的第三转动角速度； 利用欧拉动力学方程建立静基座下惯性稳定平台的动力学模型； 根据所述第一转动角速度、第二转动角速度、第三转动角速度、预存的线性切换函数、预存的指数趋近律和所述动力学模型计算方位框的输入电压、俯仰框的输入电压和横滚框的输入电压； 根据所述方位框的输入电压、俯仰框的输入电压和横滚框的输入电压对方位框、俯仰框、横滚框进行控制。
2.根据权利要求1所述的惯性稳定平台控制方法，其特征在于，所述平台动力学方程包括: 方位框绕方位轴的动力学方程为:
3.根据权利要求1或2所述的惯性稳定平台控制方法，其特征在于，采用公式:
4.根据权利要求3所述的惯性稳定平台控制方法，其特征在于，所述根据所述第一转动角速度、第二转动角速度、第三转动角速度、预存的线性切换函数、预存的指数趋近律和所述平台动力学方程计算方位框的输入电压、俯仰框的输入电压和横滚框的输入电压步骤之前，还包括步骤:采用公式
5.根据权利要求1或2所述的惯性稳定平台控制方法，其特征在于，当所述第二转动角度的正弦值与所述第一转动角速度的乘积大于或等于预设阈值时，采用PID控制算法对方位框进行控制。
6.根据权利要求3所述的惯性稳定平台控制方法，其特征在于，当所述第二转动角度的正弦值与所述第一转动角速度的乘积大于或等于预设阈值时，采用PID控制算法对方位框进行控制。
7.根据权利要求1或2所述的惯性稳定平台控制方法，其特征在于，所述在静基座下，获取惯性稳定平台的横滚框相对于基座的第一转动角速度和俯仰框相对于所述横滚框的第二转动角度步骤中，获取所述第一转动角速度包括步骤: 在静基座下，从惯性稳定平台的俯仰框上的横滚陀螺获取横滚框相对于惯性系的转动角速度； 根据所述转动角速度与所述第 二转动角度的余弦值的比值获得所述第一转动角速度。
【文档编号】G05D3/12GK103488081SQ201310407985
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月9日 优先权日:2013年9月9日
【发明者】麦晓明, 阴蕊, 彭向阳, 朱庄生, 王柯, 周向阳, 陈锐民 申请人:广东电网公司电力科学研究院, 北京航空航天大学