無人機光電載荷視軸穩(wěn)定技術研究.pdf

1、無人機光電載荷視軸穩(wěn)定系統(tǒng)作為無人機的“眼睛",對于空中偵察、監(jiān)視等起著舉足輕重的作用。該系統(tǒng)主要完成視軸穩(wěn)定、目標跟蹤兩種功能,系統(tǒng)的核心與難點是視軸穩(wěn)定的控制技術;作為系統(tǒng)的核心元件,MEMS慣性器件具有體積小、成本低、測量范圍大、可靠性高和易于數字化等優(yōu)點,適合用于小型無人機對載重較為敏感的場合。
　　 對于小型無人機光電載荷視軸穩(wěn)定系統(tǒng)而言,由于空中環(huán)境的復雜性,如何有效地隔離載體的機動及外界的擾動并對光電穩(wěn)定平臺實現高

2、精度、高可靠、高穩(wěn)定的控制顯得尤為重要。傳統(tǒng)的控制方式建立在被控對象模型參數固定的基礎上,但是在實際情況中,被控對象的參數如轉動慣量、摩擦力矩等并不是保持不變的,如何采取有效的魯棒控制方式以提高系統(tǒng)的視軸穩(wěn)定精度及跟蹤性能顯得迫切需要。
　　 論文首先對無人機光電載荷視軸穩(wěn)定系統(tǒng)進行了系統(tǒng)分析與數學建模。針對系統(tǒng)設計中考慮的主要問題進行了詳細分析,包括系統(tǒng)控制器的軟硬件方案,穩(wěn)定軸數目的選取與運動分析,魯棒控制必要性分析,MEM

3、S陀螺去噪與溫度補償。針對MEMS陀螺精度受環(huán)境溫度影響的問題,提出了一種MEMS陀螺全溫度標定與補償方法,得到優(yōu)化的MEMS陀螺分段誤差補償模型并進行相應的補償。實驗結果表明,該方法能有效地解決MEMS陀螺溫度補償問題。
　　 在分析系統(tǒng)各環(huán)節(jié)模型不確定參數的基礎上,針對三軸光電載荷視軸穩(wěn)定系統(tǒng)的參數不確定性,提出了將定量反饋(Quantitative Feedback Theory,簡稱QFT)理論設計視軸穩(wěn)定系統(tǒng)魯棒控制器

4、的策略。給出了無人機光電載荷視軸穩(wěn)定系統(tǒng)的QFT模型并進行了分析,將QFT控制器與PID控制器的性能進行了比較。仿真結果表明,QFT控制器的性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制器。采用QFT設計方法,可以解決控制系統(tǒng)在參數變化導致性能指標下降的情況,具有很強的魯棒性。
　　 針對光電載荷視軸穩(wěn)定系統(tǒng)的多輸入多輸出(MIMO)特點,進行了MIMO系統(tǒng)QFT控制方法研究,提出了一種MIMO系統(tǒng)QFT控制器的解耦及簡化設計方法。首先將MIMO系

5、統(tǒng)的控制問題轉化為一系列MISO子系統(tǒng),并采用近似不相關方法減少MISO子系統(tǒng)個數,在保證系統(tǒng)性能不受影響的前提下,簡化了MIMO系統(tǒng)的QFT設計過程。推導過程與結果表明,該方法對于解決多輸入多輸出系統(tǒng)的QFT控制問題非常有效。
　　 在定量反饋理論控制器設計的基礎上,提出了一種QFT/H組合控制器的設計方法。分析了QFT與H∞的區(qū)別與關系,給出了QFT/H∞組合控制器設計的詳細步驟,并且將QFT/H∞組合控制器的性能與傳統(tǒng)QF