CN101254826A - 直升机光电吊舱俯仰角免疫90°奇异点的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于直升机光电吊舱技术领域，具体为一种解决直升机光电吊舱俯仰角无法达到90°奇异点的方法。该方法通过设计与安装时，将陀螺方位敏感轴偏离俯仰轴一定角度的办法改变了系统的开环和闭环的传递函数，从而绕过了传统的直升机光电吊舱在90°存在奇异点的问题。并在上述措施的基础上，采取数字控制的方式，进行实时解耦，根据两个偏差角的差的大小，在控制器中对方位控制回路增益进行补偿。从而使得直升机光电吊舱实现了俯仰角－20°～+110°的工作转动范围的要求。

Description

直升机光电吊舱俯仰角免疫90°奇异点的方法

技术领域

本发明属于直升机光电吊舱技术领域，具体为一种解决直升机光电吊舱俯仰角无法达到90°奇异点的方法。

背景技术

光电吊舱作为一种特殊的光电稳定系统，它是由运载体携带并且在复杂多变环境下工作的一种具有瞄准线稳定或图像稳定的光电系统。光电吊舱采用光学成像、光学测量的手段来获取目标的信息，因而具有直观性强、测量精度高、电磁隐蔽性强、作用距离远等特点。光电吊舱已经普遍应用于坦克、飞机、舰船等运载体上来满足各种军事和非军事方面的要求，如瞄准、侦察、搜救......。两框架光电吊舱由于具有体积小、重量轻、成本相对较低的特点，广泛应用于一些对体积、重量、成本有严格要求的载体上。

吊舱总体结构采用两轴两框架结构，如图1所示。稳定平台的结构从外向里依次为：方位环(A环)、俯仰环(E环，或称台体)。台体上装有陀螺和被稳定对象即光电有效载荷(可见光摄像机、红外热像仪)，陀螺分别敏感绕俯仰、方位轴向的干扰运动，并将偏差信号经稳定控制器分别送到E、A环力矩电机，以产生控制力矩，抵消干扰力矩，从而保持光电吊舱的视轴稳定。

光电吊舱系统的坐标系定义如下：如图2所示，机座坐标系B：与机座固联；如图3所示，方位坐标系A：与方位环固联；如图4所示，俯仰坐标系E：与俯仰环固联。如图5所示，陀螺坐标系。其中X_E：俯仰轴；Y_A：方位轴；θ_E：俯仰环绕方位环转动的环架角；θ_A：方位环绕基座转动的环架角。

如图6所示，在两框架系统中由于俯仰环和方位环不能始终保持正交，俯仰环的运动对方位环有耦合作用(cosθ_E)。控制框图如图7和图8所示。其中：J_E、J_A分别为台体和方位环组件沿俯仰轴和方位轴的转动惯量；K_gEG_gE(S)、K_gAG_gA(S)分别为俯仰陀螺、方位陀螺的传递函数；K_EG_E(S)、K_AG_A(S)分别为俯仰和方位控制回路中PWM功放、力矩电机等的合成传递函数；K_CEG_CE(S)、K_CAG_CA(S)分别为俯仰控制器和方位控制器的传递函数；M_fE(s)、M_fA(s)分别为作用在俯仰轴和方位轴上的干扰力矩。

方位环控制回路开环频率特性为：

$G\left(\mathrm{j\ω}\right)H\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{K_{CA}{K}_A{K}_{\mathrm{gA}}\cos {\mathrm{\θ}}_E}{J_A}\frac{G_{\mathrm{gA}}\left(\mathrm{j\ω}\right)G_{\mathrm{CA}}\left(\mathrm{j\ω}\right)G_A\left(\mathrm{j\ω}\right)}{\mathrm{j\ω}}$

尽管控制器设计时均留有一定的裕量，但对于空间稳定平台这类有很高伺服精度要求的系统，为均衡稳定性及精度的矛盾，一般设计为条件稳定系统。所以，方位控制回路开环频率特性可简化表示为：

$G\left(\mathrm{j\ω}\right)H\left(\mathrm{j\ω}\right)=K\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}({\mathrm{\τ}}_i\mathrm{j\ω}+1)}{{\left(\mathrm{j\ω}\right)}^v\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(T_j\mathrm{j\ω}+n)}$

其中为开环增益

随着|θ_E|(在0～±90°之间)的增大，其耦合作用增强，即方位环控制回路开环增益下降。特别是在|θ_E|大于60°后，随着|θ_E|的进一步增大，方位环控制回路开环增益将显著下降，导致截止频率ω_c和相角穿越频率ω_g显著减小，相位裕度v(ω_c)＝180°+∠G(jω)H(jω)变小，同时幅值裕度h(ω_g)＝-201gA(ω_g)＝-201g|G(ω_g)H(ω_g)|变小，从而带来控制回路稳定性能的下降。当v(ω_c)或h(ω_g)＜0时，系统就不稳定。当θ_E＝90°时，控制回路开环增益为零，回路无反馈，系统处于开环、失控状态。

发明内容

由于应用的需求，要求吊舱俯仰工作转动范围为：-20°～+110°。为了实现视轴过90度，本发明采取了两种解决措施：

①设计与安装时，将陀螺方位敏感轴Yg偏离Y_E一定角度θ_E0，如图9和图10所示。

这样，俯仰环运动对方位环的耦合作用由cosθ_E变为cos(θ_E-θ_E0)。

回路开环频率特性变为：

$G\left(\mathrm{j\ω}\right)H\left(\mathrm{j\ω}\right)=K\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}({\mathrm{\τ}}_i\mathrm{j\ω}+1)}{{\left(\mathrm{j\ω}\right)}^v\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(T_j\mathrm{j\ω}+n)}$

其中 $K=\frac{K_{\mathrm{CA}}{K}_A{K}_{\mathrm{gA}}}{J_A}\cos ({\mathrm{\θ}}_E-{\mathrm{\θ}}_{E0})$

假设θ_E0＝40°，当θ_E＝-20°时，θ_E-θ_E0＝-60°；当θ_E＝90°时，θ_E-θ_E0＝50°；当θ_E＝110°时，θ_E-θ_E0＝70°。

②在措施①的基础上，采取数字控制的方式，进行实时解耦。即根据θ_E-θ_E0的大小，在控制器中对方位控制回路增益乘以

以进行补偿。

回路开环频率特性变为：

$G\left(\mathrm{j\ω}\right)H\left(\mathrm{j\ω}\right)=K\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}({\mathrm{\τ}}_i\mathrm{j\ω}+1)}{{\left(\mathrm{j\ω}\right)}^v\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(T_j\mathrm{j\ω}+n)}$

其中 $K=\frac{K_{\mathrm{CA}}{K}_A{K}_{\mathrm{gA}}}{J_A}$

可见，同时采用上述解决措施后，俯仰在-20°～+110°工作转动范围内，可补偿掉cosθ_E的耦合影响，有效减小方位环控制回路开环增益变化量，使得相位裕度、幅值裕度基本恒定，系统稳定性能不会发生明显变化。

技术效果

上述解决方案成功的实现了俯仰角-20°～+110°工作转动范围的要求，并在上海龙东光电子公司的产品ZD-2上获得成功应用。

参考文献

[1]毕永利，刘洵，葛文奇，李洁，“机载多框架陀螺稳定平台速度稳定环设计”，光电工程，1003-501X(2004)02-0016-03。

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[4]George Biemson.Relation between structural Compliance and allowable friction in aservomechanism[J].IEEE Transections onAutomatic control，1965，AC-10：59-61.

[5]STEVEN J H，LARRY A S，DOUGLAS E C，et al.Acquisition，tracking and Pointing systemfor self protection applications[J].SPIE，1998，3365：22-29.

[6]M K Mastern，J M Hilkert.Electromechanical system configuration for pointing，tracking andstabilization applications[J].SPIE，1987，779：75-87.

Claims (3)

1一种解决直升机光电吊舱俯仰角无法达到90°奇异点的方法。其特征在于设计与安装时将陀螺方位敏感轴偏离俯仰轴一定角度以及采取数字控制的方式进行实时解耦。

2根据权利要求1所述的解决直升机光电吊舱俯仰角无法达到90°奇异点的方法，其特征在于设计与安装时将陀螺方位敏感轴偏离俯仰轴一定角度，改变了系统闭环的传递函数从而绕开了传统直升机吊舱系统的俯仰角存在90°奇异点的问题。

3根据权利要求1、2所述的解决直升机光电吊舱俯仰角无法达到90°奇异点的方法，其特征在于采取数字控制的方式进行实时解耦的方法。在控制器中对方位控制回路增益乘以一个根据权利要求2中的角度设计的变量，从而对其增益进行补偿。

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