CN101709975B - 一种航空遥感惯性稳定平台不平衡力矩估计与补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种航空遥感惯性稳定平台不平衡力矩估计与补偿方法。根据实时测量出的平台加速度和力矩电机的电流信息估计出平台的不平衡力矩，然后计算出抵消此不平衡力矩所需的力矩电机电流值，并将此电流值补偿到力矩电机电流环的电流给定上，从而力矩电机输出与不平衡力矩大小相等、方向相反的抵抗力矩，抑制稳定平台不平衡力矩干扰，降低对稳定平台力矩刚度的要求，提高稳定平台的稳定精度。本发明具有稳定性强、精度高的特点，适用于具有不平衡力矩的跟踪当地地理水平的航空遥感惯性稳定平台。

Description

一种航空遥感惯性稳定平台不平衡力矩估计与补偿方法

技术领域

本发明涉及一种航空遥感惯性稳定平台不平衡力矩估计与补偿方法，可用于各种中、高精度的航空遥感用惯性稳定平台不平衡力矩的补偿，特别适合于具有质量不平衡且跟踪当地地理水平的航空遥感惯性稳定平台。

背景技术

航空遥感***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很多方面，都具独特的优势。因此，在西方发达国家，用于城市规划和基本地图测绘大约65％以上的高分辨率空间数据是依靠航空遥感***来保证的。高分辨率对地观测是航空遥感***发展的重要方向，但是由于大气紊流和载机自身因素的影响，载机机体无法保持平稳，造成安装在载机上的成像载荷视轴摇晃，成像质量下降。惯性稳定平台组成的高分辨率航空遥感平台是解决这个问题的有效措施。惯性稳定平台用于隔离载机的角运动，跟踪当地地理水平，消除干扰力矩对成像载荷的影响，使成像载荷稳定成像。航空遥感用惯性稳定平台是螺稳定跟踪装置的一个分支，其结构和功能与传统的机载光电吊仓有相似之处，但又不同于传统的机载光电吊仓。光电吊仓只需要要承载天线、导引头等小负载，因此光电吊仓一般较轻，承载能力小；而航空遥感用惯性稳定平台需要承载质量较大的科学相机，特别对于多镜头的科学相机，其质量可达100kg，同时平台自身的重量要求一般不超过40kg。因此，航空遥感用惯性稳定平台具有承载自重比大，稳定精度要求高的特点。

稳定精度是惯性稳定平台的主要技术指标之一，反映了稳定平台对干扰力矩的抑制能力。平台的干扰力矩主要包括不平衡力矩、摩擦力矩，控制***一般通过反馈控制实现对各种干扰力矩的有效抑制。控制***对干扰力矩的抑制能力可以用力矩刚度来表征，力矩刚度越大，控制***对干扰力矩的抑制能力越强，平台的稳定精度越高。可以通过提高控制***的开环增益来提高力矩刚度，然而控制***的开环增益不能无限的增大，而且增加开环增益会造成***的稳定裕度下降，加大控制***的设计难度，所以平台的力矩刚度是一个有限值，过大的干扰力矩会使平台无法满足稳定精度的要求。

由于加工误差等因素，惯性稳定平台一般都存在质量偏心，常规的解决方法是通过增加配重块来克服质量偏心，将不平衡力矩限制在很小的幅度之内，依靠反馈控制即满足平台稳定精度的要求。然而航空遥感用惯性稳定平台需要承载多种载荷，不同载荷的质心位置不同，且质心在工作过程中会发生移动，难以通过配重的方式克服质量偏心。由于平台承载比大，在重力加速度和飞机干扰加速度的作用下，产生较大的不平衡力矩，导致平台的稳定精度下降，无法通过提高控制***力矩刚度的方法满足平台稳定精度的要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服常规反馈控制对幅值较大的不平衡力矩抑制能力不足的缺陷，提供一种航空遥感惯性稳定平台不平衡力矩估计与补偿方法，降低对平台力矩刚度的要求。

本发明的技术解决方案为：一种航空遥感惯性稳定平台不平衡力矩估计与补偿方法，具体步骤如下：

(1)采用安装在航空遥感惯性平台上的MEMS加速度计测量出施加在平台框架上的天向实时加速度信息，所述天向实时加速度信息包括重力加速度g和运动加速度a；

(2)采用霍尔电流传感器测量出安装在框架上的力矩电机的电流I，通过低通滤波器对力矩电机电流I进行滤波，得到平均电流

(3)根据步骤(1)和步骤(2)中获得的加速度信息和力矩电机平均电流估计出平台的不平衡力矩M_esti， $M_{\mathrm{esti}}=K_T\·\tilde{I}\·\frac{g+a}{g},$ 其中K_T为力矩电机力矩系数；

(4)将步骤(3)中获得的不平衡力矩M_esti除以力矩电机力矩系数K_T，得到用于补偿不平衡力矩所需要的电流I_comp；

(5)将步骤(4)中得到的I_comp补偿到力矩电机电流环的给定上；

(6)周期性的重复步骤(1)～(5)。

发明的原理是：惯性稳定平台跟踪当地水平，在稳态情况下，控制***通过闭环反馈的作用，控制力矩电机输出与干扰力矩相等、方向相反的抵抗转矩。力矩电机输出的转矩与电枢电流成正比关系M_m＝K_T·I，可以得到

K_T·I＝M_eg+M_ea+M_f

①

式中，K_T为力矩电机力矩系数，M_eg为平台在重力加速度作用下框架的不平衡力矩分量，M_ea为平台在飞机运动干扰加速度作用下框架的不平衡力矩分量，M_f为摩擦力矩。

由于大气紊流是一个随机过程，且其均值为零，所以飞机运动干扰加速度作用下框架的不平衡力矩分量、摩擦力矩、以及电机反电动势干扰均可视为白噪声。所以通过对电机电枢电流进行Butterworth低通滤波，可以得到框架仅在重力加速度g作用下产生的不平衡力矩分量：

$K_T\·\tilde{I}=M_{\mathrm{eg}}=m\·g\·l_e$

式中，K_T为力矩电机力矩系数，

为滤波后的电机电枢电流，M_eg为平台在重力加速度作用下框架的不平衡力矩分量，m为框架质量，l_e为框架的质量偏心距。

重力加速度g和飞机运动干扰加速度a可由加速度计测量得到，则在重力加速度和飞机运动干扰加速度的共同作用下框架的不平衡力矩的计算公式为：

M_esti＝m(g+a)l_e                    ③

由式②可得质量偏心距 $l_e=\frac{K_T\·\tilde{I}}{m\·g},$ 并代入式③得到框架不平衡力矩的估计方程为

$M_{\mathrm{esti}}=K_T\·\tilde{I}\·\frac{g+a}{g}$ ④

估计出不平衡力矩M_esti后，在力矩电机电流环的输入端补偿大小为M_esti/K_T的电流给定信号，电流环输出与M_esti大小相等、方向相反的补偿力矩，从而实现对不平衡力矩干扰的有效抑制，提高平台的稳定精度。

本发明与现有技术相比的优点在于：通过实时的估计出稳定平台的不平衡力矩，然后在控制***中进行前馈控补偿，从而很好的抑制了稳定平台不平衡力矩干扰，降低对稳定平台控制***力矩刚度的要求，提高稳定平台的稳定精度和稳定裕度。

附图说明

图1为本发明实施步骤示意图；

图2为航空遥感用三轴惯性稳定平台结构示意图；

图3为使用本发明的航空遥感惯性稳定平台的横滚框和俯仰框控制***传递函数框图；

图4为MEMS加速度计原理图；

图5为霍尔电流传感器及其信号调理电路；

图6为TMS320F28335的ADC部分原理图；

图7为MATLAB仿真时未采用本发明的惯性稳定平台在不平衡力矩作用下的角速率输出；

图8为MATLAB仿真时采用了本发明的惯性稳定平台在不平衡力矩作用下的角速率输出。

具体实施方式

惯性稳定平台与POS(位置、姿态测量***)协同工作，可以看作是一个角位置伺服***。POS安装在平台上，解算并输出姿态信息，这个姿态误差角度可看作是平台姿态的反馈信息。如图2所示，航空遥感惯性稳定平台由外至内分别是横滚框、俯仰框和方位框，横滚框绕X轴旋转，俯仰框绕Y轴旋转，方位框绕Z轴旋转。横滚框、俯仰框跟踪当地地理水平，方位框跟踪载机航向，三个框架的控制***相对独立。本发明只应用于横滚框和俯仰框，方位框不适用。遥感载荷和POS安装在方位框上，MEMS加速度计安装在稳定平台方位框上，且其敏感轴垂直于当地水平。图中，G_x，G_y，G_z为安装在各框架上的速率陀螺，M_x，M_y，M_z为三台力矩电机，M_x安装在基座上，M_y安装在横滚框上，M_z安装在俯仰框上，K_x，K_y，K_z为各框架的伺服控制器。伺服控制器根据速框架角速率信息和POS提供的姿态和位置信息产生控制信号给力矩电机，力矩电机输出驱动力矩以抵消干扰力矩并驱动框架转动，达到稳定和跟踪的目的。

应用了本发明的航空遥感惯性稳定平台横滚框、俯仰框控制***传递函数框图如图3所示。由内而外分别为电流环、稳定回路、跟踪回路。电流环用于加快力矩电机转矩响应速度，同时抑制电机反电动势扰动；稳定回路用于提供速率阻尼，提高***的稳定性和对干扰的响应速度；跟踪回路用于调整成像载荷视轴的精确指向，跟踪当地地理水平和载机航向。图中，θ_in为框架相对于当地水平的角位置给定，且θ_in＝0，θ_out为框架相对于当地水平的角位置输出；ω_in为框架角速率给定；ω_out为框架角速率输出；I_in为力矩电机电流给定；I_out为力矩电机电流输出；K_T为力矩电机力矩系数；J为包括载荷在内的框架转动惯性；M_e为不平衡力矩；M_f为摩擦力矩；K_eω为电机反动势，其中ω为电机转速，K_e为电机反电动势系数；

为电流控制器，其中，K_e为电流控制器比例系数，τ_c为电流控制器时间常数，s复数运算算子；为PWM功率驱动单元的传递函数，其中U为电机驱动供电电压，T_pwm为PWM周期；

为电机电枢绕组传递函数，其中T_e为电机电磁时间常数，K_m为电机电流系数；为速率控制器，其中K_c为速率控制器比例系数，τ_c为电流控制器时间常数；

为速率陀螺的传递函数，其中T_G为速率陀螺时间常数。控制***采数字伺服控制技术，各种算法均在TMS320F28335内部以数字方式实现。

如图4所示，本发明使用MEMS加速度计MMA7261敏感平台铅垂方向的加速度，图中MMA7261的0g输出电压为1.65V，灵敏度为480mV/g，测量范围为-2.5g~+2.5g。MMAX7261经过分压、滤波后输入到图6中的TMS320F28335的ADCB5引脚进行A/D转换。

如图5所示，本发明使用霍尔电流传感器TBC25C04串联在电机线路中，TBC25C04以1∶500的关系输出与电机电流I成正比的电流信号I_SENSE_M1，经过信号处理电路转换成电压信号(1.024+0.05·I)V，并输送到TMS320F28335进行A/D转换。

为了证明本明的效果，进行了MATLAB仿真。仿真参数设为：摩擦力矩的幅值为0.3Nm，反电动势干扰的幅值为1V，飞机运动干扰加速度a的幅值为1g、频率为1Hz，Butterworth低通滤波器的截止频率ω_c为0.1Hz，框架的质量偏心距为1cm，框架质量为120Kg，则在重力加速度和交变的飞机运动干扰加速度作用下，不平衡力矩的表达式为(11.76+11.76·sin(1t))N·m。图7是未使用本发明的惯性稳定平台的角速率输出，图8为使用了本发明的惯性稳定平台的角速率输出，可以看出使用本发明后，平台对不平衡力矩的抑制能力得到大幅提升，平台可以获得更高的稳定精度。

本发明的具体实施方法如下：

1、惯性稳定平台上电，控制***开始工作；

2、使用安装在平台上的MEMS加速度计MMA7261测量出施加在平台框架上包括重力加速度g和运动加速度a在内的天向实时加速度，MEMS加速度计的传递函数为一阶惯性环节

加速度计信号调理电路将加速度计输出信号进行滤波、分压，将电压范围搬移到0~3V的A/D转换输入电压范围内。A/D将此电压信号转换为数字量传送给数字控制器，从而获得平台天向实时加速度g+a。；

3、霍尔电流传感器TBC25C04串联在相应框架力矩电机线路中，输出与力矩电机的电流I成正比的电流信号，进行信号调理和A/D转换后，在数字控制器中使用两阶Butterworth低通滤波器对力矩电机电流I进行滤波得到平均电流

使用的两阶Butterworth低通滤波器的传递函数为

其中ω_c为截止频率，ω_c＝0.1；

4、根据获得的加速度信息g+a和力矩电机平均电流计算出平台的不平衡力矩M_esti，计算公式为 $M_{\mathrm{esti}}=K_T\·\tilde{I}\·\frac{g+a}{g},$ 其中K_T为力矩电机力矩系数；

5、将获得的不平衡力矩M_esti除以力矩电机力矩系数K_T，得到用于补偿不平衡力矩所需要的电流I_comp；

6、将得到的补偿电流I_comp与稳定回路的输出I_in相加后作为电流环的给定输入到电流环，从而电流环通过闭环校正输出相应大小的电流驱动电机，电机输出抵抗不平衡力矩所需要的转矩。

7、周期性的重复步骤2~6，***收敛稳定后即可估计出不平衡力矩并自动进行补偿。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (1)

1.一种航空遥感惯性稳定平台不平衡力矩估计与补偿方法，其特征在于步骤如下：

(1)采用安装在航空遥感惯性平台上的MEMS加速度计测量出施加在平台框架上的天向实时加速度信息，所述天向实时加速度信息包括重力加速度g和天向运动加速度a；

(2)采用霍尔电流传感器测量出安装在框架上的力矩电机的电流I，通过低通滤波器对力矩电机电流I进行滤波，得到平均电流

(3)根据步骤(1)和步骤(2)中获得的加速度信息和力矩电机平均电流

估计出平台的不平衡力矩M_esti， $M_{\mathrm{esti}}=K_T\·\tilde{I}\·\frac{g+a}{g},$ 其中K_T为力矩电机力矩系数；

(4)将步骤(3)中获得的不平衡力矩M_esti除以力矩电机力矩系数K_T，得到用于补偿不平衡力矩所需要的电流I_comp；

(5)将步骤(4)中得到的I_comp补偿到力矩电机电流环的给定上；

(6)周期性的重复步骤(1)～(5)。

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