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一种机载光电平台稳定指向控制方法

阅读：448发布：2020-06-24

专利汇可以提供一种机载光电平台稳定指向控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种机载光电平台稳定指向控制方法，包括如下步骤：(1)机载光电平台的安装；(2)对系统进行动力学建模，得到该双级基准系统完整的状态空间模型，由此得到系统的控制算法框图；(3)设计系统的反馈控制结构；(4)对所加入的控制器进行参数设定。本发明专利所提出的机载光电平台稳定指向控制方法，综合了直流电机和音圈电机的优点，相比于一般的单电机驱动，使用两种电机采用双级控制。一级控制中直流电机的使用一定程度上可以隔离外部基座扰动运动对光电载荷的影响，二级控制采用具有高带宽高精度特性的音圈电机，可提高机载光电平台的指向精度及其指向稳定性。，下面是一种机载光电平台稳定指向控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种机载光电平台稳定指向控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)机载光电平台的安装：在平台机座上安装直流电机，直流电机与安装平台相连，其惯性主轴重合，使用直流电机驱动安装平台及其上设备，在安装平台上安装线性音圈电机和所需光电载荷，光电载荷的惯性主轴与安装平台及直流电机的惯性主轴重合，在安装平台上对称位置处安装两个规格相同的音圈电机用来驱动光电载荷，使用音圈电机对光电载荷进行二级驱动，安装所需测量装置，完成系统模块的搭建，得到双级控制的基准平台结构；
(2)对系统进行动力学建模，得到该双级基准系统完整的状态空间模型，由此得到系统的控制算法框图，其完整的状态空间模型如下：
式中，J1为直流电机与安装平台及其上装置的惯性矩之和，J2为光电载荷惯性矩；ω1为直流电机的转动角速度，ω2为音圈电机驱动下载荷的转动角速度，ωc为基座干扰角速度；
直流电机与音圈电机的相关参数如下：u1为直流电机电压，u2为音圈电机电压，L1为直流电机自感系数，L2为音圈电机自感系数，R1为直流电机阻抗，R2为音圈电机阻抗，ke1为直流电机反电势常数，ke2为音圈电机反电势常数，kt1为直流电机力矩常数，kt2为音圈电机力矩常数，i1为直流电机的转动惯量，i2为音圈电机的转动惯量，b1为直流电机的黏性摩擦系数，b2为音圈电机的黏性摩擦系数；r为音圈电机的作用半径；rkt2i2(t)为音圈电机对直流电机的反作用力矩；
(3)设计系统的反馈控制结构：当出现非零参考转动角度时，即当光电载荷需要指向目标物体即需要跟踪一定的参考角度时，控制器K1产生控制电压作用于直流电机，使安装平台带动光电载荷产生转动惯性角速度ω1对其进行跟踪，它的转动会导致光电载荷相对于目标物体的角度变化，光电载荷转动角度与参考角速度之间的偏差通过控制器K2产生控制电压作用于音圈电机，带动光电载荷产生相对于安装平台的转动角速度ω2进行二级指向控制，当光电载荷不需要跟踪或重新指向目标时，控制系统的目的是保证光电载荷不会受到基座扰动运动的影响，载荷相对目标保持静止；
(4)对所加入的控制器进行参数设定。
2.根据权利要求1所述的一种机载光电平台稳定指向控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述的测量装置包括：基座的扰动角度通过在移动基座上安装增量编码器测量其转动角度得到；同样采用增量编码器测量光电载荷与安装平台之间转动角度的偏差值，即在音圈电机驱动下光电载荷的转动角度；直流电机驱动安装平台的转动角度通过电视成像装置进行测量。
3.根据权利要求1所述的一种机载光电平台稳定指向控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，进行动力学建模时，对直流电机建模要考虑电机的反电势电压，摩擦的建模采用简单黏性摩擦模型，音圈电机采用与直流电机同样的模式建模。
4.根据权利要求1所述的一种机载光电平台稳定指向控制方法，其特征在于，所述控制器采用PID控制。
5.根据权利要求4所述的一种机载光电平台稳定指向控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中，设定的参数包括PID控制器中的比例、积分和微分参数。

说明书全文

一种机载光电平台稳定指向控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及结构设计与控制领域，具体涉及一种机载光电平台稳定指向控制方法。

背景技术

[0002] 航空监测在国防建设中发挥着越来越重要的作用，机载光电平台稳定指向性能决定了其应用的广度和深度。根据要完成监测任务的不同，平台上所搭载光电载荷也不同。

[0003] 由于光电平台搭载在飞机等移动载体上，很容易受到基座扰动以及外部干扰作用的影响，这会很大程度影响光电载荷指向的稳定性和精度。控制系统的任务是调节光电载荷的转动角度使其达到特定值，稳定指向目标物体并使其不受基座干扰转动运动的影响。

[0004] 控制系统需要使用电机驱动光电载荷的转动，在电机的选择问题上，音圈电机满足质量稳定原理，它保证了系统的惯性稳定和对惯性干扰运动的抵抗，精度高，但它能产生的最大力矩值较小，对摩擦力或风力等干扰的抵抗性能很差。相比之下，直流电机具有较好的调速性能，能产生较大的力矩，但其精度有限。因此，我们需要更好的结构布局来充分利用已有电机的优势，得到更加精确的控制模型和算法。

发明内容

[0005] 为了减小基座干扰运动对机载光电平台上稳定指向的影响，提高光电平台的指向精度，本发明提出了一种能够减少干扰影响，实现高精度控制的机载光电平台结构布局及控制方法。

[0006] 为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：

[0007] 一种机载光电平台稳定指向控制方法，包括如下步骤：

[0008] (1)机载光电平台的安装：在平台机座上安装直流电机，直流电机与安装平台相连，其惯性主轴重合，使用直流电机驱动安装平台及其上设备，在安装平台上安装线性音圈电机和所需光电载荷，光电载荷的惯性主轴与安装平台及直流电机的惯性主轴重合，在安装平台上对称位置处安装两个规格相同的音圈电机用来驱动光电载荷，使用音圈电机对光电载荷进行二级驱动，安装所需测量装置，完成系统模块的搭建，得到双级控制的基准平台结构；

[0009] (2)对系统进行动力学建模，得到该双级基准系统完整的状态空间模型，由此得到系统的控制算法框图，其完整的状态空间模型如下：

[0010]

[0011]

[0012]

[0013]

[0014] 式中，J1为直流电机与安装平台及其上装置的惯性矩之和，J2为光电载荷惯性矩；ω1为直流电机的转动角速度，ω2为音圈电机驱动下载荷的转动角速度，ωc为基座干扰角速度；直流电机与音圈电机的相关参数如下：u1为直流电机电压，u2为音圈电机电压，L1为直流电机自感系数，L2为音圈电机自感系数，R1为直流电机阻抗，R2为音圈电机阻抗，ke1为直流电机反电势常数，ke2为音圈电机反电势常数，kt1为直流电机力矩常数，kt2为音圈电机力矩常数，i1为直流电机的转动惯量，i2为音圈电机的转动惯量，b1为直流电机的黏性摩擦系数，b2为音圈电机的黏性摩擦系数；r为音圈电机的作用半径；rkt2i2(t)为音圈电机对直流电机的反作用力矩；

[0015] (3)设计系统的反馈控制结构：当出现非零参考转动角度时，即当光电载荷需要指向目标物体即需要跟踪一定的参考角度时，控制器K1产生控制电压作用于直流电机，使安装平台带动光电载荷产生转动惯性角速度ω1对其进行跟踪，它的转动会导致光电载荷相对于目标物体的角度变化，光电载荷转动角度与参考角速度之间的偏差通过控制器K2产生控制电压作用于音圈电机，带动光电载荷产生相对于安装平台的转动角速度ω2进行二级指向控制，当光电载荷不需要跟踪或重新指向目标时，控制系统的目的是保证光电载荷不会受到基座扰动运动的影响，载荷相对目标保持静止；

[0016] (4)对所加入的控制器进行参数设定。

[0017] 进一步的，所述步骤(1)中所述的测量装置包括：基座的扰动角度通过在移动基座上安装增量编码器测量其转动角度得到；同样采用增量编码器测量光电载荷与安装平台之间转动角度的偏差值，即在音圈电机驱动下光电载荷的转动角度；直流电机驱动安装平台的转动角度通过电视成像装置进行测量。

[0018] 进一步的，所述步骤(2)中，进行动力学建模时，对直流电机建模要考虑电机的反电势电压，摩擦的建模采用简单黏性摩擦模型，音圈电机采用与直流电机同样的模式建模。

[0019] 进一步的，所述控制器采用PID控制。

[0020] 进一步的，所述步骤(4)中，设定的参数包括PID控制器中的比例、积分和微分参数。

[0021] 本发明公开的一种机载光电平台稳定指向控制方法，具有以下有益效果：

[0022] 本发明专利所提出的机载光电平台稳定指向控制方法，综合了直流电机和音圈电机的优点，相比于一般的单电机驱动，使用两种电机采用双级控制。一级控制中直流电机的使用一定程度上可以隔离外部基座扰动运动对光电载荷的影响，二级控制采用具有高带宽高精度特性的音圈电机，可提高机载光电平台的指向精度及其指向稳定性。附图说明

[0023] 图1为本发明方法的流程图；

[0024] 图2为所搭载双级基准平台的简单机械布局方案；

[0025] 图3为主动控制布局的简化模型。

[0026] 附图标记说明：

[0027] 1.音圈电机，2.光电载荷，3.安装平台，4.直流电机。

具体实施方式

[0028] 下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步描述。

[0029] 请参见图1-图3。

[0030] 本发明公开的一种机载光电平台稳定指向控制方法，包括如下步骤：

[0031] (1)机载光电平台的安装：在平台机座上安装直流电机4，直流电机4与安装平台3相连，其惯性主轴重合，使用直流电机4驱动安装平台及其上设备，在安装平台3上安装线性音圈电机1和所需光电载荷2，光电载荷2的惯性主轴与安装平台3及直流电机4的惯性主轴重合，在安装平台3上对称位置处安装两个规格相同的音圈电机1用来驱动光电载荷2，使用音圈电机1对光电载荷2进行二级驱动，安装所需测量装置，完成系统模块的搭建，得到双级控制的基准平台结构；

[0032] (2)对系统进行动力学建模，得到该双级基准系统完整的状态空间模型，由此得到系统的控制算法框图，其完整的状态空间模型如下：

[0033]

[0034]

[0035]

[0036]

[0037] 式中，J1为直流电机与安装平台及其上装置的惯性矩之和，J2为光电载荷惯性矩；ω1为直流电机的转动角速度，ω2为音圈电机驱动下载荷的转动角速度，ωc为基座干扰角速度；直流电机与音圈电机的相关参数如下：u1为直流电机电压，u2为音圈电机电压，L1为直流电机自感系数，L2为音圈电机自感系数，R1为直流电机阻抗，R2为音圈电机阻抗，ke1为直流电机反电势常数，ke2为音圈电机反电势常数，kt1为直流电机力矩常数，kt2为音圈电机力矩常数，i1为直流电机的转动惯量，i2为音圈电机的转动惯量，b1为直流电机的黏性摩擦系数，b2为音圈电机的黏性摩擦系数；r为音圈电机的作用半径；rkt2i2(t)为音圈电机对直流电机的反作用力矩；

[0038] (3)设计系统的反馈控制结构：当出现非零参考转动角度时，即当光电载荷2需要指向目标物体即需要跟踪一定的参考角度时，控制器K1产生控制电压作用于直流电机4，使安装平台3带动光电载荷2产生转动惯性角速度ω1对其进行跟踪，它的转动会导致光电载荷2相对于目标物体的角度变化，光电载荷2转动角度与参考角速度之间的偏差通过控制器K2产生控制电压作用于音圈电机1，带动光电载荷2产生相对于安装平台3的转动角速度ω2进行二级指向控制，当光电载荷2不需要跟踪或重新指向目标时，控制系统的目的是保证光电载荷2不会受到基座扰动运动的影响，载荷相对目标保持静止；

[0039] (4)对所加入的控制器进行参数设定，控制器采用PID控制，设定的参数包括PID控制器中的比例、积分和微分参数。

[0040] 本发明所述步骤(1)中所述的测量装置包括：基座的扰动角度通过在移动基座上安装增量编码器测量其转动角度得到；同样采用增量编码器测量光电载荷2与安装平台3之间转动角度的偏差值，即在音圈电机1驱动下光电载荷2的转动角度；直流电机4驱动安装平台3的转动角度通过电视成像装置进行测量。

[0041] 本发明所述步骤(2)中，进行动力学建模时，对直流电机4建模要考虑电机的反电势电压，摩擦的建模采用简单黏性摩擦模型，音圈电机1采用与直流电机4同样的模式建模。

[0042] 本发明所搭载双级基准平台的简单机械布局方案如附图2所示。采用两个音圈电机对称布局可避免转动时产生偏心力矩。

[0043] 如图3所示。当出现非零参考转动角度时，控制器K1产生控制电压作用于直流电机4使安装平台3带动光电载荷2产生转动角速度ω1。其转动角度与参考角速度之间的偏差可通过控制器K2产生控制电压作用于音圈电机1带动光电载荷2产生相对于安装平台3的转动角速度ω2。当光电载荷2不需要跟踪或重新指向目标时，控制系统的目的是保证光电载荷2不会受到基座干扰的影响。

[0044] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，而非对其限制；应当指出，尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改和替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

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