[发明专利]一种基于角加速度的惯性稳定平台干扰观测器设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于角加速度的惯性稳定平台干扰观测器设计方法，可用于各种中、高精度的航空遥感用惯性稳定平台干扰力矩的补偿，特别适用于具有较大质量偏心的航空遥感惯性稳定平台。

背景技术

航空遥感系统是获取高分辨率高精度遥感图像的有效手段，在基础测绘、灾害监测、资源和环境调查以及气象水文探测等领域具有重要作用。航空遥感惯性稳定平台安装在飞行载体与遥感载荷之间，承载并稳定遥感载荷，是航空遥感系统的重要组成部分之一。使用稳定平台能够有效隔离飞行载体非理想姿态运动及其内部各种扰动对遥感载荷视轴的影响，从而使遥感载荷姿态相对惯性空间保持稳定。使用稳定平台后，遥感载荷前后和相邻两帧图像间的重叠度大幅提高，满足成图要求，可显著提高航空遥感的工作效率。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。

三轴惯性稳定平台可以承载多种载荷，不同载荷的质心位置不同，且质心在工作过程中会发生偏移，再加上由于机械加工造成平台本身质心位置的不确定，导致难以通过配重的方式完全克服质量偏心。由于质量偏心的存在，且平台承载的成像载荷质量较大，在重力加速度和飞机干扰加速度的作用下，会产生较大的不平衡力矩。除了质量不平衡力矩，平台还受到摩擦力矩、框架耦合力矩等其他干扰力矩的影响，导致平台稳定精度下降，造成成像载荷成像质量下降，降低航空遥感作业效率。因此，在进行稳定平台控制系统设计时，必须对稳定平台干扰力矩进行补偿，提高稳定平台的控制精度和动态性能。现有技术中，通常利用三环PID复合控制系统中反馈控制对系统中的干扰进行补偿，但是这种补偿方法是通过增大PID参数来增加对扰动的抑制能力，而增大PID参数会导致系统稳定性下降甚至造成系统的不稳定，而且如果干扰是不确定的或者时变的，常规PID控制的补偿效果会很不理想；干扰观测器可以对系统所受的干扰力矩实时的观测出来，通过前馈控制可以将干扰力矩完全补偿，但是在利用干扰观测器进行干扰力矩观测时，通常需要求取信息的微分，采用传统的差分方式求取微分会导致噪声信号放大，利用卡尔曼滤波求取微分信号会导致微分信号的相位滞后，而利用跟踪-微分器求取微分在微分信号的初始阶段会有较大的估计误差，由于微分信号求取的不准确会导致干扰力矩补偿效果不好甚至造成系统不稳定。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：克服常规三环PID复合控制以及普通干扰观测器对平台干扰力矩抑制能力不足的缺陷，提供一种基于角加速度的惯性稳定平台干扰观测器设计方法，用以提高系统稳定精度。

本发明的技术解决方案是：一种基于角加速度的惯性稳定平台干扰观测器设计方法，基于传统三环PID复合控制系统结构，根据电流传感器、各框架速率陀螺测量值估算干扰力矩值，进一步计算补偿电流值，具体包括以下步骤：

（1）建立航空遥感三轴惯性稳定平台三环PID复合控制系统，分为如下三个步骤：

①建立电流环PID反馈回路；

稳定环回路的输出作为电流环回路的电流给定值I_set，电机功率驱动电路中的电流传感器输出框架电机电流值作为电流环回路的电流反馈值I_fb，二者的误差值作为电流环PID控制器的输入，电流环PID控制器输出值作为输入框架电机电压值使框架电机产生相应的电流值。

②建立稳定环PID反馈回路；

跟踪环回路的输出作为稳定环回路的角速度给定ω_set，安装于各框架上的速率陀螺测量各框架角速度反馈值ω_fb，二者的误差值作为稳定环PID控制器的输入，稳定环PID控制器输出值作为电流环电流给定值I_set，驱动框架以给定的角速度转动。

③建立跟踪环PID反馈回路；

跟踪环回路分两种模式，自主工作模式和与POS组合工作模式。自主工作模式以加速度计作为测量元件测量位置反馈值θ_fb，与POS组合工作模式以POS输出的姿态信息作为位置反馈值θ_fb，自主工作模式位置设定值为0，即使平台保持当地水平，与POS组合工作模式由上位机设定位置设定值θ_set，设定值与反馈值二者的误差值作为跟踪环PID控制器的输入，跟踪环PID控制器输出值作为稳定环角速度给定值，驱动框架转动到指定的角度。