一種兩軸四框架光電吊艙的伺服控制方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機載光電吊艙的伺服控制技術(shù)，具體涉及一種兩軸四框架光電吊艙的 平臺穩(wěn)定技術(shù)以及高精度光電跟蹤控制技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 高精度機載光電吊艙具有隔離載體運動、承載光電載荷的功能，其主要作用是，在 載機機身振動以及外部風(fēng)力干擾等狀況下實現(xiàn)高精度高穩(wěn)定光電跟蹤控制。隨著目標(biāo)機動 性能的增強與用戶的功能要求的增加，機載光電吊艙需要具有更高的跟蹤能力、更好的平 臺穩(wěn)定能力以及更大的運動范圍。
[0003] 兩軸四框架光電吊艙作為吊艙的一種結(jié)構(gòu)形式可以使光電吊艙具有更大的跟蹤 范圍，更好的平臺穩(wěn)定性能與跟蹤精度。兩軸四框架光電吊艙結(jié)構(gòu)形式如圖1，其由方位 軸與俯仰軸兩個軸系組成，方位軸包括內(nèi)方位框架與外方位框架，俯仰軸包括內(nèi)俯仰框架 與外俯仰框架。與兩軸兩框架光電吊艙相比，兩軸四框架吊艙的外框架可部分隔離外部風(fēng) 力干擾的影響，且通過設(shè)計合適的兩軸四框架光電吊艙伺服控制技術(shù)使內(nèi)方位框架與內(nèi)俯 仰框架始終互相垂直，從而對干擾運動起到更佳的隔離作用，可減小吊艙框架的幾何約束 耦合，使內(nèi)框架處于更良好的穩(wěn)定環(huán)境，易于提高系統(tǒng)的平臺穩(wěn)定精度，保證視軸的空間穩(wěn) 定。
[0004] 為了實現(xiàn)兩軸四框架光電吊艙的高精度穩(wěn)定跟蹤控制必須保證兩軸四框架吊艙 的內(nèi)方位框架與內(nèi)俯仰框架始終互相垂直，兩軸四框架光電吊艙的伺服控制技術(shù)需要解決 吊艙內(nèi)外框架聯(lián)動的問題，因而其控制技術(shù)遠(yuǎn)較兩軸兩框架光電吊艙復(fù)雜。因此，亟需針對 兩軸四框架光電吊艙設(shè)計一套內(nèi)外框聯(lián)動平臺穩(wěn)定控制技術(shù)，在此基礎(chǔ)上進一步設(shè)計一種 內(nèi)外框聯(lián)動高精度高穩(wěn)定度的光電跟蹤控制技術(shù)，以滿足兩軸四框架光電吊艙的平臺穩(wěn)定 控制與高精度光電跟蹤控制等性能方面的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種滿足兩軸四框架光電吊艙控制需要的先進 伺服控制技術(shù)，使光電吊艙在載機機身振動以及外部風(fēng)力干擾等狀況下實現(xiàn)高精度高穩(wěn)定 光電跟蹤控制。
[0006] 本發(fā)明首先設(shè)計了一種內(nèi)外框架聯(lián)動平臺穩(wěn)定控制技術(shù)使該吊艙具有很好的平 臺穩(wěn)定性能，該平臺穩(wěn)定控制技術(shù)可保證內(nèi)方位框架與內(nèi)俯仰框架始終互相垂直，減小了 吊艙框架的幾何約束耦合，使光電吊艙在過頂時也具有很好的平臺穩(wěn)定性能；在此基礎(chǔ)上， 本發(fā)明又設(shè)計了一種內(nèi)外框聯(lián)動光電跟蹤控制技術(shù)以提高光電跟蹤精度，最終使該光電吊 艙實現(xiàn)該吊艙的高精度與高穩(wěn)定度的光電跟蹤控制。
[0007] 為了實現(xiàn)這一目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：
[0008] -種兩軸四框架機載光電吊艙的伺服控制方法，光電吊艙由方位軸與俯仰軸兩個 軸系組成，方位軸包括內(nèi)方位框架與外方位框架，俯仰軸包括內(nèi)俯仰框架與外俯仰框架；該 光電吊艙在載機機身振動以及外部風(fēng)力干擾狀況下通過下述方法實現(xiàn)高精度高穩(wěn)定光電 跟蹤控制：
[0009] (1)內(nèi)框架執(zhí)行所設(shè)計的內(nèi)框架位置環(huán)跟蹤控制算法獲得內(nèi)框架速度環(huán)控制量， 將速度環(huán)控制量代入陀螺速度環(huán)穩(wěn)定回路獲得相應(yīng)的DA 口電壓控制量，通過驅(qū)動器將DA 口電壓控制量功率放大后驅(qū)動內(nèi)框架電機帶動內(nèi)框架作出跟蹤控制運動；具體包括以下步 驟：
[0010] (I. 1)獲取脫靶量數(shù)據(jù)，進行脫靶量數(shù)據(jù)處理，并計算分段PID控制量；
[0011] (1. 1. 1)獲取脫靶量數(shù)據(jù)，進行脫靶量數(shù)據(jù)處理；
[0012] 通過DSP處理器的通訊接口單元每20ms讀取一次內(nèi)方位的脫革巴數(shù)據(jù)Δ Θ _nfw，當(dāng) 前Ims內(nèi)方位目標(biāo)給定位置Posr_nfw如下式所示：Posr_nfw = Pos_nfw+A Θ _nfw/20 ;其 中，Posr_nfw為每Ims當(dāng)前內(nèi)方位目標(biāo)給定位置，Pos_nfw為當(dāng)前Ims內(nèi)方位碼盤當(dāng)前測量 的值；
[0013] 通過DSP處理器的通訊接口單元每20ms讀取一次內(nèi)俯仰的脫革巴數(shù)據(jù)Δ Θ _nfy，當(dāng) 前Ims內(nèi)俯仰目標(biāo)給定位置Posr_nfy如下式所示：
[0014] Posr_nfy=Pos_nfy+ Λ Θ _nfy/20 ;其中，Posr_nfy 為每 Ims 當(dāng)前內(nèi)俯仰目標(biāo)給定 位置，Pos_nfy為當(dāng)前俯仰碼盤當(dāng)前測量的值；
[0015] (I. 1. 2)將經(jīng)過上一步驟處理后的脫靶量代入到分段PID控制計算得到分段PID 控制量；
[0016] 根據(jù)上一步驟中獲得的當(dāng)前Ims方位目標(biāo)位置值Posr_nfw與當(dāng)前Ims內(nèi)方位碼 盤當(dāng)前測量的值P〇s_ni，計算當(dāng)前Ims的內(nèi)方位等效目標(biāo)偏差值Err_nfw=Posr_nfw-Pos_ nfw，內(nèi)方位誤差的積分ErrI_nfw=2Err_nfw，內(nèi)方位誤差的微分ErrD_nfw=(當(dāng)前Ims的 Err_nfw-上Ims的Err_nfw)X1000,將上述參數(shù)代入分段PID控制中獲得內(nèi)方位分段變參 數(shù)PID控制量PIDspeedOut_nfw ;內(nèi)方位分段變參數(shù)PID控制量PIDspeedOut_nfw的公式 如下式所示：
[0017] PIDspeedOut_nfw=nfwKpXEr;r_nfV+nfVKi XErrI_nfV+nfVKdXE;rrD_nfV,其中： nfwKp為內(nèi)方位比例系數(shù)，nfwKi為內(nèi)方位積分系數(shù)，nfwKd為內(nèi)方位微分系數(shù)；
[0018] 根據(jù)上一步驟中獲得的當(dāng)前Ims俯仰目標(biāo)位置值Posr_nfy與當(dāng)前Ims內(nèi)俯仰碼 盤當(dāng)前測量的值P〇s_n，計算當(dāng)前Ims的內(nèi)俯仰等效目標(biāo)偏差值Err_nfy=Posr_nfy-Pos_ nfy，內(nèi)俯仰誤差的積分ErrI_nfy=2Err_nfy，內(nèi)俯仰誤差的微分ErrD_nfy=(當(dāng)前Ims的 Err_nfy-上Ims的Err_nfy) X 1000,將上述參數(shù)代入分段PID控制中獲得內(nèi)俯仰分段變參 數(shù)PID控制量PIDspeedOut_nfy ;內(nèi)俯仰分段變參數(shù)PID控制量PIDspeedOut_nfy的公式 如下式所示：
[0019] PIDspeedOut_nfw=nfyKpXEr;r_nfy+nfyKi XErrI_nfy+nfyKdXE;rrD_nfy,其中： nfyKp為內(nèi)俯仰比例系數(shù)，nfyKi為內(nèi)俯仰積分系數(shù)，nfyKd為內(nèi)俯仰微分系數(shù)；
[0020] (1. 2)獲得加速度滯后補償控制量，并與上述步驟（I. 1)中分段PID控制量控制量 相加獲得位置環(huán)總控制量；
[0021] (1. 2. 1)獲取陀螺速度滯后補償控制量
[0022] 通過DSP伺服控制器的陀螺讀數(shù)單元獲得經(jīng)過濾波處理過的光電載荷相對內(nèi)方 位軸的慣性空間速度gyrospeed_nfw，與內(nèi)方位滯后補償系數(shù)nfwKi相乘得內(nèi)方位跟蹤速 度滯后補償控制量 gyrospeedOut_nfw=gyrospeed_nfwXnfwKl ;
[0023] 通過DSP伺服控制器的陀螺讀數(shù)單元獲得經(jīng)過濾波處理過的光電載荷相對內(nèi)俯 仰軸的慣性空間速度gyrospeed_nfy，與內(nèi)俯仰滯后補償系數(shù)nfyKl相乘得內(nèi)俯仰跟蹤速 度滯后補償控制量 gyrospeedOut_nfy=gyrospeed_nfy XnfyKl ;
[0024] ( L 2. 2)獲取陀螺加速度滯后補償控制量
[0025] 將步驟（1. 2. 1)中測量的內(nèi)方位慣性空間速度值gyrospeed_nfw微分后獲得內(nèi)方 位慣性空間加速度值gyroAccspeed_nfw，與內(nèi)方位滯后補償系數(shù)nfwK2相乘得內(nèi)方位速度 滯后補償控制量 gyroAccSpeed0ut_nfw=gyroAccSpeed_nfwXnfwK2 ;
[0026] 將步驟（L 2. 1)中測量的內(nèi)俯仰慣性空間速度值gyrospeecLnfy微分后獲得內(nèi)俯 仰慣性空間加速度值gyroAccspeed_nfy，與內(nèi)俯仰滯后補償系數(shù)nfyK2相乘得內(nèi)俯仰速度 滯后補償控制量 gyroAccSpeed0ut_nfy=gyroAccSpeed_nfyXnfyK2 ;
[0027] ( L 2. 3)獲取總的速度給定控制量；
[0028] 將步驟（1. 1.2)中內(nèi)方位分段PID控制量PIDspeedOut_nfw、步驟（1·2· 1)中 內(nèi)方位陀螺速度滯后補償控制量gyrospeedOut_nfw、步驟（1. 2. 2)中內(nèi)方位陀螺加速 度滯后補償控制量gyroAccSpeedOut_nfw相加作為內(nèi)方位速度給定控制量SpeedOut_ nfw=PIDspeedOut_nfw+gyrospeedOut_nfw+gyroAccSpeedOut_nfw ；
[0029] 將步驟（I. 1.2)中內(nèi)俯仰分段PID控制量PIDspeedOut_nfy、步驟（1·2· 1)中 內(nèi)俯仰陀螺速度滯后補償控制量gyrospeedOut_nfy、步驟（1. 2. 2)中內(nèi)俯仰陀螺加速 度滯后補償控制量gyroAccSpeedOut_nfy相加作為內(nèi)俯仰速度給定控制量Speed0ut_ nfy=PIDspeedOut_nfy+gyrospeedOut_nfy+gyroAccSpeedOut_nfy ；
[0030] (I. 3)將步驟（I. 2)中位置環(huán)總控制量代入陀螺速度環(huán)穩(wěn)定回路獲得相應(yīng)的DA 口 電壓控制量；
[0031] (I. 3. 1)獲取陀螺速度偏差值
[0032] DSP控制器每Ims將讀取的內(nèi)方位速度給定控制量speedOut_nfw，減去光電載 荷相對內(nèi)方位軸的慣性空間速度gyrospeed_nfw，獲得內(nèi)方位陀螺速度偏差值SpeedErr_ nfw=SpeedOut_nfw-gyrospeed_nfw ；
[0033] DSP控制器每Ims將讀取的內(nèi)俯仰速度給定控制量speedOut_nfy，減去光電載 荷相對內(nèi)俯仰軸的慣性空間速度gyrospeecLnfy獲得內(nèi)俯仰陀螺速度偏差值SpeedErr_ nfy=SpeedOut_nfy-gyrospeed_nfy ；
[0034] (I. 3. 2)獲取控制電機運動所需要的DA 口電壓控制量；
[0035] 根據(jù)步驟（I. 3. 1)中得到的內(nèi)方位陀螺速度偏差值SpeedErr_nfw計算DA 口內(nèi) 方位電壓控制量 Ut_nfw=SpeedErr_nfw X nfwspeedKp+speedErrI_nfw X nfwspeedKi，其中： 內(nèi)方位陀螺速度偏差值的積分speedErrI_nfw=SspeedErr_nfw，nfwspeedKi為內(nèi)