运动平台光电系统的视轴稳定技术研究

来源 :中国科学院研究生院 中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:andy630767963
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运动平台光电跟踪系统采用惯性稳定平台隔离基座扰动,实现视轴稳定。本文重点分析了惯性稳定平台的稳定原理和提高扰动抑制能力的途径,对所提出的融合信息扩展带宽的单速度稳定、电流速度双环稳定、基于扰动前馈的复合校正、加入加速度内环的反馈校正等关键技术的难点和解决途径进行了深入研究,并通过仿真和实验验证了所提出方法对改善平台稳定能力的有效性。  首先分析了惯性稳定平台的稳定原理,提高控制回路带宽或改善平台自身的衰减特性,均可有效提高惯性稳定平台的稳定能力。采用陀螺反馈的主动稳定控制回路能够有效抑制低频扰动,带宽越宽,稳定能力越高,但平台的机械谐振、陀螺响应等因素限制了带宽的提高。还分析了惯性稳定平台参数对平台自身隔离特性的影响。  提出了闭环滤波融合方法实现陀螺和加速度计的融合,完全消除了微机械陀螺谐振频率的影响,扩展了惯性测量带宽,将速度回路的开环剪切频率从53.1Hz扩展到80.3Hz,从而提高了稳定平台的主动抑制能力。为获得接近理想输出的融合特性,提出了先获取能得到最优融合输出的闭环特性,再根据闭环特性解算出校正器参数的方法,实现陀螺和加速度计的闭环滤波融合,幅值最大衰减仅为-2.1dB,相位滞后6.6°。  提出了利用电流环抑制反电势的影响,改善平台的高频隔离特性,得到与增加被动减振机构等方法相似的高频隔离特性的改善效果。分析了控制器采样频率/滞后、校正算法与电流环可实现的带宽的关系。针对电流环闭环后在稳定平台扰动传递特性中频段产生的谐振峰,提出利用系统对象传递特性在谐振峰附近的局部高增益予以补偿。  分析了利用基于扰动前馈实现复合校正的工作原理,在陀螺反馈校正的基础上,使用合理的前馈校正网络补偿,可提高平台的稳定能力。分析了影响前馈补偿能力的因素,针对扰动测量传感器等效时滞环节的滞后时间较大的问题,提出利用最小二乘法对陀螺测量信号进行预测补偿,将等效时滞环节的滞后时间从2.5ms降低到2ms,进一步提高了惯性稳定平台的稳定能力。  分析了加速度内环实现的反馈校正削弱对参数变化、非线性等因素的影响,以及加速度/速度双环稳定方式对提高稳定能力的作用,双环稳定方式主动抑制特性为加速度内环和速度外环抑制特性的乘积,因此稳定特性得到了极大的提高,在10Hz的稳定能力已超过了-35dB。提出利用传递函数辨识方法抑制加速度环闭环谐振峰对速度外环的影响,在此基础上实现加速度内环和速度外环的闭环带宽分别达到了147Hz和94Hz。  搭建了一个稳定实验系统,通过不同的传感器及视轴探测器配置,开展了不同方式的稳定实验,通过仿真和实验验证了理论分析的结果。综合分析与比较了不同方式的稳定特性,研究了各种方式的稳定能力的优点及不足。  针对结构要求更为紧凑的应用场合,采用反射镜式稳定方式,将视轴传感器安装在载体上。提出载体姿态补偿方式,利用安装在载体上的惯性传感器测量载体的姿态变化,使反射镜旋转适当的角度,消除了反射镜式稳定方式的限制。针对高性能的载体姿态测量问题,提出闭环滤波方法实现陀螺仪与倾角仪信息融合,扩展倾角仪的测量带宽,在此基础上,稳定平台补偿一半载体扰动的角度后,1~50Hz的频率范围内,均能隔离扰动对视轴的影响。分析了融合特性波动以及陀螺响应能力、延迟等因素对视轴稳定能力的影响。
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