[发明专利]一种航空遥感惯性稳定平台摩擦参数辨识方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种航空遥感惯性稳定平台摩擦参数辨识方法。

背景技术

航空遥感系统在机动性、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系统来保证的。高分辨率对地观测是航空遥感系统发展的重要方向，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成像载荷，特别对于多镜头的成像载荷，其质量可达100kg，同时平台自身的重量要求一般不超过40kg。低速、大承载比、有限运动范围内往复角运动条件下的高精度实时控制是惯性稳定平台的基本特性。

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，控制系统一般通过反馈控制实现对各种干扰力矩的有效抑制。成像载荷通常要求惯性稳定平台在较低跟踪角速度下实现高控制精度，摩擦力矩是影响低速性能因素中的主要因素，直接影响系统传动精度和运动平稳性。摩擦力矩呈现出高度的非线性，其大小主要与轴系的结构及其润滑情况、负载大小和角速度等因素有关，且摩擦力矩可能随角位置、时间和温度的变化发生随机变化。惯性稳定平台三个框架一般通过滚动轴承支承、力矩电机和齿轮减速装置驱动，由于工作转速低承载大，滚动轴承滚道接触表面润滑情况较差，容易发生低速爬行现象，导致运动不平稳和控制精度降低；此外，较大的静摩擦力使传动齿轮发生弹性变形，从而导致位置误差，降低系统分辨率及重复率。之前，在航空遥感惯性稳定平台控制系统的设计中，仅把摩擦力矩作为一个扰动力矩加以抑制，并没有考虑摩擦力矩的非线性特性对整个系统稳定性的影响。随着对系统性能的要求不断提高，摩擦力矩的非线性及动态特性给控制系统带来的不良影响越来越不容忽视，这就需要对控制系统中的摩擦力矩进行更有效地消除或抑制。消除或抑制摩擦力矩对控制系统造成的不良影响可以从两个方面来考虑：一方面是机械结构设计中采用一些降低摩擦力矩的方法。然而，纯机械的设计方法往往会受到加工工艺水平、材料水平及研究经费等条件的制约，而且不便于维护，以至于很难得到使用；另一方面则是从系统的控制角度上设计能够消除或抑制摩擦力矩影响的控制律，即控制领域的摩擦补偿方法。因此，研究低速条件下框架系统的摩擦模型并进行摩擦补偿，合理解决系统中存在的摩擦环节尤其是非线性摩擦环节的模型参数问题，是提高航空遥感惯性稳定平台系统性能，实现对航空遥感惯性稳定平台高精度控制要求的关键。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对航空遥感三轴惯性稳定平台系统高精度控制的LuGre摩擦模型参数难以准确辨识的难题，设计了两步辨识与动态参数优化相结合的参数辨识方法，根据三轴惯性稳定平台各框架系统的结构特性及扰动因素，分别设计不同的参数辨识方案，通过两步辨识方法得到静态参数及动态参数初始值，再选择适当的目标函数对动态参数初始值进行优化，得到动态参数优化值，得到各框架系统较精确的LuGre模型参数。该发明辨识方案有效，能够得到各框架较为准确的摩擦模型，为高精度、高可靠性、低成本三轴惯性稳定平台的研制提供了技术支撑。

本发明的技术解决方案是：一种航空遥感惯性稳定平台摩擦参数辨识方法，首先进行摩擦模型静态参数辨识，构造航空遥感惯性稳定平台三框架伺服系统PI闭环，使三框架伺服电机以不同转速正反转相同角度低速运行，获得Stribeck负斜率段曲线，测得对应转速下的电流环电流，然后拟合Stribeck曲线进行静态参数辨识，同时，对稳定平台三框架伺服系统输入适当电流，获得稳态角位移；其次，进行动态参数辨识，根据动力学模型计算动态参数初始值，利用动态参数初始值以稳态条件下实测摩擦力矩随速率变化曲线和摩擦模型仿真曲线的相似程度为目标函数进行动态参数优化。具体步骤如下：