慣性穩(wěn)定平臺中的多傳感器控制技術(shù)研究.pdf

1、隨著應(yīng)用需求的變化及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，光電跟蹤系統(tǒng)由傳統(tǒng)的固定地基模式逐步向基于運動平臺的模式發(fā)展。與固定基座的方式相比，運動平臺載體的運動會引起光電跟蹤系統(tǒng)視軸的抖動，因此需要采用慣性穩(wěn)定平臺對視軸抖動進行抑制。慣性穩(wěn)定平臺的擾動抑制能力和跟蹤性能在很大程度上決定了光電系統(tǒng)的跟蹤性能，使其成為國內(nèi)外研究的熱點。為提高慣性穩(wěn)定平臺的擾動抑制能力和跟蹤性能，本文從慣性穩(wěn)定平臺的模型和基本原理出發(fā)，重點研究和探討了慣性穩(wěn)定平臺角加速度和角速度

2、檢測、擾動抑制、位置回路低采樣頻率條件下跟蹤等幾個關(guān)鍵技術(shù)問題，旨在提出一些有效的技術(shù)路線和方法，滿足當(dāng)前工程中的需要。提出在慣性穩(wěn)定平臺對擾動抑制較好的情況下，可以將運動平臺的復(fù)合軸控制系統(tǒng)等效為地基復(fù)合軸控制系統(tǒng)，借鑒地基復(fù)合軸控制系統(tǒng)的方法，提高慣性穩(wěn)定平臺的跟蹤能力。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴分析了慣性穩(wěn)定平臺的振動條件、物理模型和數(shù)學(xué)模型，指出了影響其擾動抑制能力的主要因素。提高慣性穩(wěn)定平臺的擾動抑制能力有兩種方法：一

3、是在保證慣性穩(wěn)定平臺被動抑制能力的基礎(chǔ)上，不提高平臺控制回路的主動抑制帶寬，而是從控制算法上開展研究，提高控制回路在中低頻的抑制能力，從而提高平臺總的抑制能力；另一種方法減小慣性穩(wěn)定平臺的轉(zhuǎn)動慣量，提高平臺的主動抑制帶寬，從而進一步其在中低頻的抑制能力。
　　⑵提高慣性傳感器的檢測精度和帶寬是提高慣性穩(wěn)定平臺主動抑制能力的基礎(chǔ)。MEMS線加速度計帶寬很寬，可以響應(yīng)低頻的擾動，且具有體積小重量輕的優(yōu)點，因此提出采用兩只 MEMS線加

4、速度計來檢測慣性穩(wěn)定平臺的角加速度。并將MEMS線加速度計與MEMS陀螺結(jié)合進行融合濾波，提高了慣性穩(wěn)定平臺的速度檢測帶寬。為了消除MEMS陀螺中的色噪聲，提出采用自適應(yīng)噪聲對消技術(shù)對其信號進行處理，該方法不會造成陀螺信號的相位滯后，有利于控制系統(tǒng)的設(shè)計。實驗結(jié)果表明，基于MEMS線加速度計和陀螺的慣性傳感器組合對擾動的檢測精度和帶寬可以滿足慣性穩(wěn)定平臺控制的需求。同時，該方法減小了平臺的負(fù)載，有利于進一步提高平臺的擾動抑制能力。

5、>　?、窃诜治鰝鹘y(tǒng)的速度和位置雙閉環(huán)的關(guān)系穩(wěn)定平臺的基礎(chǔ)上，提出在速度環(huán)內(nèi)增加加速度閉環(huán)，一方面可以提高系統(tǒng)的擾動抑制能力，系統(tǒng)的擾動抑制能力等于加速度、速度和位置三回路的抑制能力之和；另一方面為速度回路提供了良好的被控對象，提高了系統(tǒng)的魯棒性。高增益的加速度閉環(huán)控制回路將驅(qū)動的電流源轉(zhuǎn)換為了加速度源。慣性穩(wěn)定平臺作為0型系統(tǒng)，其加速度開環(huán)特性在低頻段表現(xiàn)為二階微分，因此慣性穩(wěn)定平臺的加速度閉環(huán)非常困難。本文提出不“對消”慣性穩(wěn)定平臺的

6、二階諧振，根據(jù)期望的閉環(huán)特性，直接采用零極點配置的方法設(shè)計加速度控制器。實驗結(jié)果表明，加速度閉環(huán)帶寬達到了700Hz以上，遠超速度回路閉環(huán)帶寬，加速度環(huán)在20Hz以下頻段，將傳統(tǒng)基于速度和位置雙回路閉環(huán)慣性穩(wěn)定平臺的抑制能力提高了約15dB。
　　⑷基于虛擬陀螺的三回路閉環(huán)系統(tǒng)的擾動抑制能力低于基于光纖陀螺的三回路閉環(huán)系統(tǒng)的抑制能力，因此研究基于擾動前饋的技術(shù)來進一步提高慣性穩(wěn)定平臺擾動抑制能力。對于三回路閉環(huán)的慣性穩(wěn)定平臺來說，

7、擾動前饋引入節(jié)點的選擇較多，基于速度回路的前饋控制器略優(yōu)于加速度回路的前饋控制器，這主要是由于加速度回路閉環(huán)后，平臺特性近似為1，有利于速度回路前饋控制器的設(shè)計。實驗證明，基于擾動的前饋控制器將慣性穩(wěn)定平臺在20Hz以下頻段提高了約10dB，接近采用加速度計、光纖陀螺和CCD（PSD）三回路閉環(huán)系統(tǒng)的擾動抑制能力。
　　⑸在慣性穩(wěn)定平臺實現(xiàn)了穩(wěn)定控制的基礎(chǔ)上，將運動平臺復(fù)合軸控制系統(tǒng)近似等效為地基復(fù)合軸控制系統(tǒng)，參考其跟蹤控制的相