CN103175530A - 一种航空遥感惯性稳定平台耦合力矩估计与补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种航空遥感惯性稳定平台耦合力矩估计与补偿方法，通过建立三轴惯性稳定平台动力学模型，根据POS、横滚/俯仰陀螺、方位码盘实时测出的信息，估算出基座及框架间耦合力矩，然后计算出抵消此耦合力矩所需的力矩电机电流值，并将此电流值补偿到电流环的电流给定输入值中，使电机输出与耦合力矩大小相等、方向相反的力矩，补偿平台耦合力矩干扰，提高平台稳定精度。本发明实现了耦合力矩的实时估算与补偿，提高了稳定精度，适用于具有基座及框架间耦合力矩的航空遥感惯性稳定平台。

Description

一种航空遥感惯性稳定平台耦合力矩估计与补偿方法

技术领域

本发明涉及一种航空遥感惯性稳定平台耦合力矩估计与补偿方法，可用于各种中、高精度的航空遥感用惯性稳定平台载体及框架间耦合力矩的补偿，特别适用于具有较大和较高频率姿态角运动的飞行平台。

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。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。

惯性稳定平台通常采用三轴框架结构，隔离的主要扰动是飞机的姿态角度变化，由外到内依次为飞机的横滚、俯仰和方位角，最终实现安装在最内框架（方位框）上相机视轴的对地垂直稳定和对航迹的跟踪稳定。三轴惯性稳定平台框架运动角速度和角加速度较大时，各框架之间的动力学耦合就比较严重，若不采取有效的解耦补偿措施将很难保证系统的精度和动态跟踪性能，严重时还会影响到系统的稳定性。而通常采用的PID控制方法由于没有考虑耦合因素导致精度下降。因此，在进行稳定平台控制系统设计时，必须针对三个框架之间动力学耦合问题采用有效的解耦控制方法，提高稳定平台的控制精度和动态性能。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：克服常规反馈控制对载体及框架间耦合力矩抑制能力不足的缺陷，提供一种航空遥感惯性稳定平台耦合力矩估计与补偿方法，用以提高系统稳定精度。

本发明的技术解决方案是：一种航空遥感惯性稳定平台耦合力矩估计与补偿方法，基于建立的三轴动力学方程，根据POS、陀螺、码盘测量值估算耦合力矩值，进一步计算补偿电流值，具体包括以下步骤：

（1）针对航空遥感三轴惯性稳定平台建立动基座下简化动力学模型，如下：

①方位框绕方位轴的动力学方程为：

$J_{\mathrm{az}}({\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{ifz}}^f+{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_a)=M_z$

②俯仰框组件绕俯仰轴的动力学方程简化为：

${\left[(J_{\mathrm{ax}}+J_{\mathrm{fx}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ifx}}^f\right]}^{\′}+(J_{\mathrm{az}}+J_{\mathrm{fz}}-J_{\mathrm{ay}}-J_{\mathrm{fy}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ify}}^f{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b-J_{\mathrm{az}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_a{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ify}}^f=M_x$

③横滚框组件绕横滚轴方向动力学方程简化为：

${\left[(J_{\mathrm{ry}}+J_{\mathrm{ay}}+J_{\mathrm{fy}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ify}}^f\right]}^{\′}+(J_{\mathrm{rx}}-J_{\mathrm{rz}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b+(J_{\mathrm{ax}}+J_{\mathrm{fx}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ifx}}^f{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b$

$-(J_{\mathrm{az}}+J_{\mathrm{fz}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b+J_{\mathrm{az}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_a{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b=M_y$

其中定义：J_ax、J_ay、J_az分别为方位框架在x、y、z轴的转动惯量；J_fx、J_fy、J_fz分别为俯仰框架在x、y、z轴的转动惯量；J_rx、J_ry、J_rz分别为横滚框架在x、y、z轴的转动惯量；为基座相对惯性空间的角速度在基座坐标系的表达，其在x、y、z轴上的投影分别记为为俯仰框架相对惯性空间的角速度在俯仰框坐标系的表达，其在x、y、z轴上的投影分别记为

为俯仰框架相对惯性空间的角加速度在俯仰框坐标系的表达在z轴的投影；θ_a为方位框架相对俯仰框架转角，

为方位框架相对俯仰框架转角角速度；

为方位框架相对俯仰框架转角角加速度；M_x为俯仰框组件沿x轴受到的综合力矩，M_y为横滚框组件沿y轴受到的综合力矩，M_z为方位框架沿z轴受到的综合力矩；

（2）利用安装于基座的POS测量和

利用安装于俯仰框架的横滚和俯仰陀螺测量

和

利用安装于方位框架的码盘测量θ_a，间接计算

（3）根据步骤（2）中直接测量值或间接计算值

θ_a和

计算横滚框耦合力矩值M_{couple_y}和俯仰框耦合力矩值M_{couple_x}；

（4）根据步骤（3）中计算得到的横滚框耦合力矩值M_{couple_y}和俯仰框耦合力矩值M_{couple_x}，进一步计算出抵消横滚框耦合力矩M_{couple_y}所需的力矩电机电流值I_{com_y}，抵消俯仰框耦合力矩M_{couple_x}所需的力矩电机电流值I_{com_x}，并将计算出的电流值补偿到电流环的电流给定输入值中，电机输出与耦合力矩大小相等、方向相反的力矩，补偿惯性平台耦合干扰力矩。

所述步骤（3）中根据步骤（2）中直接测量值或间接计算值计算俯仰框耦合力矩值M_{couple_x}、横滚框耦合力矩值M_{couple_y}，具体如下：

$M_{\mathrm{couple}\_x}=(J_{\mathrm{az}}+J_{\mathrm{fz}}-J_{\mathrm{ay}}-J_{\mathrm{fy}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ify}}^f{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b-J_{\mathrm{az}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_a{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ify}}^f$

$M_{\mathrm{couple}\_y}=(J_{\mathrm{rx}}-J_{\mathrm{rz}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b+(J_{\mathrm{ax}}+J_{\mathrm{fx}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ifx}}^f{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b-(J_{\mathrm{az}}+J_{\mathrm{fz}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b+J_{\mathrm{az}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_a{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b.$

所述步骤（4）中抵消耦合力矩所需的力矩电机电流值步骤如下：

（41）根据估算的耦合力矩值计算出抵消此耦合力矩所需的力矩电机电流值，如下：

①抵消俯仰框耦合力矩M_{couple_x}所需的力矩电机电流值

其中K_{t_x}为俯仰电机力矩系数，从电机说明书中得到；

②抵消横滚框耦合力矩M_{couple_y}所需的力矩电机电流值

其中K_{t_y}为横滚电机力矩系数，从电机说明书中得到；

（42）将步骤（41）中电流值I_{com_x}、I_{com_y}分别前馈补偿到俯仰、横滚控制系统电流环的电流给定输入值中，电机输出与耦合力矩大小相等、方向相反的力矩，补偿平台耦合干扰力矩。

本发明的原理是：针对航空遥感三轴惯性稳定平台建立动基座下简化动力学模型，方位框、俯仰框、横滚框所受综合外力矩分别用M_z、M_f、M_r表示；

由动力学方程得出方位框不受耦合力矩影响，只需针对横滚、俯仰框架进行耦合力矩补偿。利用安装于基座的POS测量

利用安装于俯仰框架的横滚、俯仰陀螺测量

利用安装于方位框架的码盘测量θ_a，间接计算根据以上直接测量值或间接计算值计算横滚框耦合力矩值M_{couple_y}、俯仰框耦合力矩值M_{couple_x}；进一步计算出抵消横滚框耦合力矩M_{couple_y}所需的力矩电机电流值I_{com_y}，抵消俯仰框耦合力矩M_{couple_x}所需的力矩电机电流值I_{com_x}，并将计算出的电流值补偿到电流环的电流给定输入值中，电机输出与耦合力矩大小相等、方向相反的力矩，补偿平台耦合干扰力矩；

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明由于对基座与框架间耦合力矩实时估计和补偿，克服了PID控制的不足，使得平台稳定精度提高；

（2）本发明的补偿原理明晰，补偿算法简洁，易于在DSP中编程实现；

（3）本发明利用惯性传感器测量值作为补偿参数，相比软件设计状态观测器控制方法更直观和容易实现。

附图说明

图1为本发明中的解耦控制方法流程图；

图2为本发明中的航空遥感三轴惯性稳定平台工作原理图；

图3为本发明中的解耦控制方法原理图；

图4为本发明中的建立三轴惯性稳定平台坐标系示意图。

具体实施方式

如图1和图3所示，本发明的具体实施方法如下：

（1）建立动基座下简化动力学模型步骤如下：

（11）基于刚体动力学特性和空间矢量叠加原理，建立三轴惯性稳定平台坐标系：基座坐标系、横滚框坐标系、俯仰框坐标系、方位框坐标系；如图4所示，其中基座坐标系Ox_by_bz_b：x_b、y_b、z_b分别指向飞行载体的右、前、上；横滚框坐标系Ox_ry_rz_r：横滚轴y_r与y_b同向，Ox_ry_rz_r相对Ox_by_bz_b系绕y_b轴旋转，产生横滚角θ_r；俯仰框坐标系Ox_fy_fz_f：俯仰轴x_f与x_r同向，Ox_fy_fz_f相对Ox_ry_rz_r系绕x_r轴旋转，产生俯仰角θ_f；方位框坐标系Ox_ay_az_a：方位轴z_a与z_f同向，Ox_ay_az_a相对Ox_fy_fz_f系绕z_f轴旋转，产生方位角θ_a。并定义

分别为基座到横滚框、横滚框到俯仰框、俯仰框到方位框的方向余弦矩阵，根据坐标系关系，令转角θ_r、θ_f、θ_a逆时针为正，可推导出各矩阵如下：

$C_b^r=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_r& 0& -\sin {\mathrm{\θ}}_r\\ 0& 1& 0\\ \sin {\mathrm{\θ}}_r& 0& \cos {\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right]$ $C_r^f=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos {\mathrm{\θ}}_f& \sin {\mathrm{\θ}}_f\\ 0& -\sin {\mathrm{\θ}}_f& \cos {\mathrm{\θ}}_f\end{array}\right]$ $C_f^a=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_a& \sin {\mathrm{\θ}}_a& 0\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_a& \cos {\mathrm{\θ}}_a& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

（12）定义

为基座相对惯性空间的角速度在Ox_by_bz_b系的表示，其在x、y、z轴上的投影分别记为

为横滚框架相对惯性空间的角速度在Ox_ry_rz_r系的表示，其在x、y、z轴上的投影分别记为

为俯仰框架相对惯性空间的角速度在Ox_fy_fz_f系的表示，其在x、y、z轴上的投影分别记为

为方位框架相对惯性空间的角速度在Ox_ay_az_a系的表示，其在x、y、z轴上的投影分别记为

为俯仰框架相对横滚框架转角角速度、为横滚框架相对基座转角角速度、

为方位框架相对俯仰框架转角角速度。建立三轴角速度关系方程，如下：

①横滚框架相对惯性空间的角速度在横滚框坐标系的投影为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ir}}^r=C_b^r{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ib}}^b+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{br}}^r=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b\cos {\mathrm{\θ}}_r-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b\sin {\mathrm{\θ}}_r\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{iby}}^b+{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_r\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b\sin {\mathrm{\θ}}_r+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b\cos {\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right]$

②俯仰框架相对惯性空间的角速度在俯仰框坐标系的投影为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{if}}^f=C_r^f{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ir}}^r+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rf}}^f=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{irx}}^r+{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_f\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{iry}}^r\cos {\mathrm{\θ}}_f+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{irz}}^r\sin {\mathrm{\θ}}_f\\ -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{iry}}^r\sin {\mathrm{\θ}}_f+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{irz}}^r\cos {\mathrm{\θ}}_f\end{array}\right]$

③方位框相对惯性空间的角速度在方位框坐标系的投影为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ia}}^a=C_f^a{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{if}}^f+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{fa}}^a=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ifx}}^f\cos {\mathrm{\θ}}_a+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ify}}^f\sin {\mathrm{\θ}}_a\\ -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ifx}}^f\sin {\mathrm{\θ}}_a+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ify}}^f\cos {\mathrm{\θ}}_a\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ifz}}^f+{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_a\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{c}({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{irx}}^r+{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_f)\cos {\mathrm{\θ}}_a+({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{iry}}^r\cos {\mathrm{\θ}}_f+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{irz}}^r\sin {\mathrm{\θ}}_f)\sin {\mathrm{\θ}}_a\\ -({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{irx}}^r+{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_f)\sin {\mathrm{\θ}}_a+({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{iry}}^r\cos {\mathrm{\θ}}_f+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{irz}}^r\sin {\mathrm{\θ}}_f)\cos {\mathrm{\θ}}_a\\ -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{iry}}^r\sin {\mathrm{\θ}}_f+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{irz}}^r\cos {\mathrm{\θ}}_f+{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_a\end{array}\right]$

（13）定义J_ax、J_ay、J_az分别为方位框架在x、y、z轴的转动惯量；J_fx、J_fy、J_fz分别为俯仰框架在x、y、z轴的转动惯量；J_rx、J_ry、J_rz分别为横滚框架在x、y、z轴的转动惯量；利用Newton-Euler动力学方程及矢量叠加原理，推导平台动力学方程，如下：

①方位框绕方位轴的动力学方程：

$J_{\mathrm{az}}({\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{ifz}}^f+{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_a)=M_z$

②俯仰框组件绕俯仰轴的动力学方程为：

${\left[(J_{\mathrm{ax}}+J_{\mathrm{fx}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ifx}}^f\right]}^{\′}+(J_{\mathrm{az}}+J_{\mathrm{fz}}-J_{\mathrm{ay}}-J_{\mathrm{fy}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ify}}^f{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ifz}}^f+J_{\mathrm{az}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_a{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ify}}^f=M_x$

③横滚框组件绕横滚轴的动力学方程为:

${[J_{\mathrm{ry}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{iry}}^r+\cos {\mathrm{\θ}}_f(J_{\mathrm{ay}}+J_{\mathrm{fy}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ify}}^f-\sin {\mathrm{\θ}}_f(J_{\mathrm{az}}+J_{\mathrm{fz}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ifz}}^f-\sin {\mathrm{\θ}}_f{J}_{\mathrm{az}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_a]}^{\′}$

$+(J_{\mathrm{rx}}-J_{\mathrm{rz}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{irx}}^r{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{irz}}^r+(J_{\mathrm{ax}}+J_{\mathrm{fx}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ifx}}^f{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{irz}}^r-\sin {\mathrm{\θ}}_f(J_{\mathrm{ay}}+J_{\mathrm{fy}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ify}}^f{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{irx}}^r-$

$\cos {\mathrm{\θ}}_f(J_{\mathrm{az}}+J_{\mathrm{fz}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ifz}}^f{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{irx}}^r-\cos {\mathrm{\θ}}_f{J}_{\mathrm{az}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_a{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{irx}}^r=M_y$

（14）实际惯性稳定平台横滚转角≤±8°、俯仰转角≤±8°，因此对系统动力学方程进行小角度线性化处理，获得简化动力学方程，如下：

①俯仰框组件绕俯仰轴的动力学方程简化为：

${\left[(J_{\mathrm{ax}}+J_{\mathrm{fx}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ifx}}^f\right]}^{\′}+(J_{\mathrm{az}}+J_{\mathrm{fz}}-J_{\mathrm{ay}}-J_{\mathrm{fy}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ify}}^f{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b-J_{\mathrm{az}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_a{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ify}}^f=M_x$

②横滚框组件绕横滚轴方向动力学方程可简化为：

${\left[(J_{\mathrm{ry}}+J_{\mathrm{ay}}+J_{\mathrm{fy}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ify}}^f\right]}^{\′}+(J_{\mathrm{rx}}-J_{\mathrm{rz}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b+(J_{\mathrm{ax}}+J_{\mathrm{fx}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ifx}}^f{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b$

$-(J_{\mathrm{az}}+J_{\mathrm{fz}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b+J_{\mathrm{az}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_a{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b=M_y$

（2）POS、横滚/俯仰陀螺、方位码盘等传感器信息获取步骤如下：

（21）安装于基座的POS测量

（22）安装于俯仰框架的横滚、俯仰陀螺测量

（23）安装于方位框架的码盘测量θ_a，间接计算

（3）根据以上直接测量值或间接计算值计算俯仰框耦合力矩值M_{couple_x}、横滚框耦合力矩值M_{couple_y}如下：

$M_{\mathrm{couple}\_x}=(J_{\mathrm{az}}+J_{\mathrm{fz}}-J_{\mathrm{ay}}-J_{\mathrm{fy}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ify}}^f{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b-J_{\mathrm{az}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_a{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ify}}^f$

$M_{\mathrm{couple}\_y}=(J_{\mathrm{rx}}-J_{\mathrm{rz}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b+(J_{\mathrm{ax}}+J_{\mathrm{fx}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ifx}}^f{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b-(J_{\mathrm{az}}+J_{\mathrm{fz}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b+J_{\mathrm{az}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_a{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b$

（4）抵消（3）中耦合力矩所需的力矩电机电流值步骤如下：

（41）根据估算的耦合力矩值计算出抵消此耦合力矩所需的力矩电机电流值，如下：

①抵消俯仰框耦合力矩M_{couple_x}所需的力矩电机电流值

其中K_{t_x}为俯仰电机力矩系数，可从电机说明书中得到；

②抵消横滚框耦合力矩M_{couple_y}所需的力矩电机电流值

其中K_{t_y}为横滚电机力矩系数，可从电机说明书中得到；

（42）并将（41）中电流值I_{com_x}、I_{com_y}分别前馈补偿到俯仰、横滚控制系统电流环的电流给定输入值中，电机输出与耦合力矩大小相等、方向相反的力矩，补偿平台耦合干扰力矩。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种航空遥感惯性稳定平台耦合力矩估计与补偿方法，其特征在于:基于建立的三轴动力学方程，根据POS、陀螺、码盘测量值估算耦合力矩值，进一步计算补偿电流值，具体包括以下步骤：

（1）针对航空遥感三轴惯性稳定平台建立动基座下简化动力学模型，如下：

①方位框绕方位轴的动力学方程为：

$J_{\mathrm{az}}({\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{ifz}}^f+{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_a)=M_z$

②俯仰框组件绕俯仰轴的动力学方程简化为：

${\left[(J_{\mathrm{ax}}+J_{\mathrm{fx}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ifx}}^f\right]}^{\′}+(J_{\mathrm{az}}+J_{\mathrm{fz}}-J_{\mathrm{ay}}-J_{\mathrm{fy}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ify}}^f{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b-J_{\mathrm{az}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_a{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ify}}^f=M_x$

③横滚框组件绕横滚轴方向动力学方程简化为：

${\left[(J_{\mathrm{ry}}+J_{\mathrm{ay}}+J_{\mathrm{fy}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ify}}^f\right]}^{\′}+(J_{\mathrm{rx}}-J_{\mathrm{rz}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b+(J_{\mathrm{ax}}+J_{\mathrm{fx}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ifx}}^f{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b$

$-(J_{\mathrm{az}}+J_{\mathrm{fz}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b+J_{\mathrm{az}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_a{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b=M_y$

其中定义：J_ax、J_ay、J_az分别为方位框架在x、y、z轴的转动惯量；J_fx、J_fy、J_fz分别为俯仰框架在x、y、z轴的转动惯量；J_rx、J_ry、J_rz分别为横滚框架在x、y、z轴的转动惯量；

为基座相对惯性空间的角速度在基座坐标系的表达，其在x、y、z轴上的投影分别记为

为俯仰框架相对惯性空间的角速度在俯仰框坐标系的表达，其在x、y、z轴上的投影分别记为

为俯仰框架相对惯性空间的角加速度在俯仰框坐标系的表达在z轴的投影；θ_a为方位框架相对俯仰框架转角，

为方位框架相对俯仰框架转角角速度；

为方位框架相对俯仰框架转角角加速度；M_x为俯仰框组件沿x轴受到的综合力矩，M_y为横滚框组件沿y轴受到的综合力矩，M_z为方位框架沿z轴受到的综合力矩；

（2）利用安装于基座的POS测量

和

利用安装于俯仰框架的横滚和俯仰陀螺测量

和

利用安装于方位框架的码盘测量θ_a，间接计算

（3）根据步骤（2）中直接测量值或间接计算值

θ_a和

计算横滚框耦合力矩值M_{couple_y}和俯仰框耦合力矩值M_{couple_x}；

（4）根据步骤（3）中计算得到的横滚框耦合力矩值M_{couple_y}和俯仰框耦合力矩值M_{couple_x}，进一步计算出抵消横滚框耦合力矩M_{couple_y}所需的力矩电机电流值I_{com_y}，抵消俯仰框耦合力矩M_{couple_x}所需的力矩电机电流值I_{com_x}，并将计算出的电流值补偿到电流环的电流给定输入值中，电机输出与耦合力矩大小相等、方向相反的力矩，补偿惯性平台耦合干扰力矩。

2.根据权利要求1所述的一种航空遥感惯性稳定平台耦合力矩估计与补偿方法，其特征在于：所述步骤（3）中根据步骤（2）中直接测量值或间接计算值计算俯仰框耦合力矩值M_{couple_x}、横滚框耦合力矩值M_{couple_y}，具体如下：

$M_{\mathrm{couple}\_x}=(J_{\mathrm{az}}+J_{\mathrm{fz}}-J_{\mathrm{ay}}-J_{\mathrm{fy}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ify}}^f{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b-J_{\mathrm{az}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_a{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ify}}^f$

$M_{\mathrm{couple}\_y}=(J_{\mathrm{rx}}-J_{\mathrm{rz}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b+(J_{\mathrm{ax}}+J_{\mathrm{fx}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ifx}}^f{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b-(J_{\mathrm{az}}+J_{\mathrm{fz}}){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b+J_{\mathrm{az}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_a{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b.$

3.根据权利要求1所述的一种航空遥感惯性稳定平台耦合力矩估计与补偿方法，其特征在于：所述步骤（4）中抵消耦合力矩所需的力矩电机电流值步骤如下：

（1）根据估算的耦合力矩值计算出抵消此耦合力矩所需的力矩电机电流值，如下：

①抵消俯仰框耦合力矩M_{couple_x}所需的力矩电机电流值其中K_{t_x}为俯仰电机力矩系数，从电机说明书中得到；

②抵消横滚框耦合力矩M_{couple_y}所需的力矩电机电流值

其中K_{t_y}为横滚电机力矩系数，从电机说明书中得到；

（2）将步骤（1）中电流值I_{com_x}、I_{com_y}分别前馈补偿到俯仰、横滚控制系统电流环的电流给定输入值中，电机输出与耦合力矩大小相等、方向相反的力矩，补偿平台耦合干扰力矩。

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