CN108146647A - 基于反向力矩的光电吊舱稳像控制装置及控制方法 - Google Patents

基于反向力矩的光电吊舱稳像控制装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于反向力矩的光电吊舱稳像控制装置及控制方法，包括一套作动机构、测量元件以及控制方法；测量元件负责采集振动环境下光电吊舱的角速度；角速度通过实时嵌入式控制系统解算出所需的控制力矩；控制力矩信号经由D/A输出到作动机构对光电吊舱进行稳像控制；其中控制方法为自适应陷波方法(Adaptive Disturbance Cancellation，简称ADC方法)。本发明通过在光电吊舱主振方向上安装控制装置有效削弱了其角振动幅值，验证了基于反向力矩的光电吊舱稳像控制方法的有效性，提高了光电吊舱的成像质量。

Description

基于反向力矩的光电吊舱稳像控制装置及控制方法
技术领域
本发明属于飞行器的振动控制领域；本发明涉及一种基于反向力矩的光电吊舱稳像控制装置及控制方法，可用于抑制处在振动环境下的光电吊舱所受到的角振动干扰。
背景技术
图像采集技术是无人侦察机上最常使用的侦查技术，光电吊舱作为无人侦察机的图像采集技术的实现载体，已在无人机上得到广泛应用，其成像精度则直接影响着无人侦察机的任务达成质量。然而在无人机上普遍存在的振动(螺旋桨振动、气动力及结构弹性耦合引起的颤振等)则大大降低了光电吊舱的成像质量。
振动干扰由其振动形式可以分为线振动干扰及角振动干扰，其中后者对于成像精度的影响远大于前者，在各种干扰中亦占据主要地位。因此，对于光电吊舱稳像技术而言，抑制角振动具有重要意义。虽然光电吊舱的伺服系统以及其数字稳像技术可以补偿多数情况的角振动干扰，但是当光电吊舱“过顶”时，即相机呈竖直向下状态时，伺服系统难以实现其补偿功能，此时则需要通过外部能量输入对光电吊舱的角振动干扰进行抑制，故为此设计针对光电吊舱的稳像控制装置具有一定的工程现实意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对光电吊舱“过顶”伺服系统无法补偿的问题，提供一种基于反向力矩的光电吊舱稳像控制装置及方法，工程上易于实现，不仅能在光电吊舱“过顶”时对角振动干扰进行抑制，补偿光电吊舱伺服系统的缺陷，还能在光电吊舱伺服系统有效工作时不引入耦合误差，协同提高光电吊舱的成像精度和质量。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于反向力矩的光电吊舱稳像控制装置，包括作动机构，测量元件及外壳结构部分；作动机构包括作动器动子安装架、柔性铰链、铰链座、第一作动器动子、第二作动器动子及第一作动器定子、第二作动器定子，作动机构中第一作动器动子、第二作动器动子分别通过底部安装孔与作动器动子安装架固连形成作动机构动子，作动机构动子作为辅助质量；柔性铰链一端与作动机构动子固连，另一端与铰链座固连，形成“天平”结构，柔性铰链在约束作动机构动子转轴位置的同时，还为其提供了作动机构所需的连接刚度，并使作动机构动子在未加控时维持在平衡位置；第一作动器定子、第二作动器定子通过底部安装孔与底座固连；作动机构为本装置核心部分，由ADC控制器输出信号驱动作动机构动子转动，产生的反向力矩则通过第一作动器定子、第二作动器定子及底座作用于光电吊舱，并通过第一作动器动子、第二作动器动子分别与第一作动器定子、第二作动器定子之间的电磁阻尼以及柔性铰链的结构阻尼将角振动能量转化为热量耗散掉，以抑制光电吊舱的角振动；测量元件为微机械陀螺仪(Micro ElectroMechanical Systems，简称MEMS)，通过测量光电吊舱的振动角速度为ADC控制器提供控制输入；外壳结构部分包括外盖及底座，微机械陀螺仪安装于外盖的内侧，外盖的下端与底座固连，底座与光电吊舱固连，为作动机构与光电吊舱之间提供稳定连接。
其中，所述的微机械陀螺仪型号为MTi-10IMU OEM。
其中，所述的作动机构中的铰链为柔性铰链，其特点为无间隙、运动精度及可靠性高，型号为C-Flex-I30。
其中，所述的作动机构中的作动器为音圈电机，包含一个永磁体和一个线圈，第一作动器动子、第二作动器动子为音圈电机永磁体，第一作动器定子、第二作动器定子为音圈电机线圈，其特点为响应快、输出线性度好且行程长，型号为LA14-17-000A。
本发明还提供一种基于反向力矩的光电吊舱稳像控制方法，利用所述的基于反向力矩的光电吊舱稳像控制装置，包括以下步骤：
第一步，建立在受扰条件下的浮动光电吊舱动力学模型，然后按照权利要求一的方式对稳像控制装置进行装配，最后将稳像控制装置通过底座的安装孔安装在光电吊舱被控点上；
第二步，针对光电吊舱受扰条件设计基于反向力矩的ADC控制器；
第三步，将光电吊舱的振动角速度作为输入实现基于反向力矩的光电吊舱稳像控制。
其中，当光电吊舱处于振动环境下时，微机械陀螺仪可采得其振动角速度输入到ADC控制器；ADC控制器通过设计一对与其同频的单位正弦信号和单位余弦信号作为基底，并以LMS(Least Mean Square filter)算法对各基底权系数进行调节，拟合出与干扰同频、正负号相反的补偿信号作为控制信号驱动作动机构以抑制光电吊舱的角振动。
本发明的优点在于：
(1)本发明形成了以音圈电机为中心的作动机构，结构简单的同时也具有音圈电机的输出线性度好、响应快及可靠性高等优点；
(2)本发明采用了无间隙高可靠性的柔性铰链，既为辅助质量(作动机构动子)提供了转动约束，又为作动机构提供了必需的辅助刚度；
(3)本发明通过驱动辅助质量产生反向力矩的方式，可以有效抑制光电吊舱受到的角振动干扰，尤其是解决了光电吊舱“过顶”时伺服系统无法补偿干扰的问题；
(4)本发明通过驱动辅助质量产生反向力矩的方式抑制光电吊舱“过顶”时的角振动，其产生的控制力矩与光电吊舱伺服系统控制方向正交，有效防止了伺服系统与作动机构之间的耦合。
附图说明
图1为本发明基于反向力矩的光电吊舱稳像控制装置的内部结构图；
图2为本发明基于反向力矩的光电吊舱稳像控制装置的外观轴测图；
图3为本发明基于反向力矩的光电吊舱稳像控制装置的半剖装配图；
图4为本发明基于反向力矩的光电吊舱稳像控制装置的外观俯视图；
图5为本发明的ADC控制器原理图。
图6为光电吊舱受扰条件下的控制效果图。
图1～5中附图标记含义为：1为作动器动子安装架，2为柔性铰链，3为铰链座，4为第一作动器动子，5为第一作动器定子，6为第二作动器动子，7为第二作动器定子，8为微机械陀螺仪，9为外盖，10为底座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
如图1-4所示，本发明是一种基于反向力矩的光电吊舱稳像控制装置，包括作动机构、测量元件及外壳结构部分。作动机构包括作动器动子安装架1，柔性铰链2、铰链座3，第一作动器动子4、第二作动器动子6及第一作动器定子5、第二作动器定子7；测量元件为微机械陀螺仪8；外壳结构部分包括外盖9及底座10。
作动机构中第一作动器动子4、第二作动器动子6分别通过底部安装孔与作动器动子安装架1固连形成作动机构动子(辅助质量)；柔性铰链2一端与作动机构动子固连，另一端与铰链座3固连，形成“天平”结构，柔性铰链2在约束作动机构动子转轴位置的同时，还为其提供了作动机构所需的连接刚度，并使作动机构动子在未加控时维持在平衡位置；第一作动器定子5、第二作动器定子7通过底部安装孔与底座10固连；作动机构为本装置核心部分，由ADC控制器输出信号驱动作动机构动子转动，产生的反向力矩则通过第一作动器定子5、第二作动器定子7及底座10作用于光电吊舱，并通过第一作动器动子4、第二作动器动子6分别与第一作动器定子5、第二作动器定子7之间的电磁阻尼以及柔性铰链2的结构阻尼将角振动能量转化为热量耗散掉，以抑制光电吊舱的角振动。
微机械陀螺仪8安装于外盖9的内侧，可测量支架即光电吊舱的振动角速度作为ADC控制器的输入信号。
外壳结构部分中外盖9的下端与底座10固连，底座3通过外部安装孔与光电吊舱固连；该部分作为作动机构的支座，同时也为测量元件提供了测量点。
图5为本发明的ADC控制器原理图。本发明中所用的控制方法为自适应陷波ADC方法，基于该方法搭建成了ADC控制器，当光电吊舱处于振动环境下时，微机械陀螺仪可采得其振动角速度输入到ADC控制器；ADC控制器通过设计一对与其同频的单位正弦信号和单位余弦信号作为基底，并以LMS算法对各基底权系数进行调节，拟合出与干扰同频、正负号相反的补偿信号作为控制信号驱动作动机构，以达到削弱光电吊舱的角振动幅值，提高其成像质量的目的。
图6为光电吊舱受扰条件下的控制效果图，纵轴为光电吊舱角加速度(单位：rad/s^2)，横轴为时间(单位：s)，控制装置在1s加控，可以看出光电吊舱的角加速度明显衰减。
本发明未详细公开技术属于本领域技术人员公知常识。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于反向力矩的光电吊舱稳像控制装置，其特征在于：包括作动机构，测量元件及外壳结构部分；作动机构包括作动器动子安装架(1)、柔性铰链(2)、铰链座(3)、第一作动器动子(4)、第二作动器动子(6)及第一作动器定子(5)、第二作动器定子(7)，作动机构中第一作动器动子(4)、第二作动器动子(6)分别通过底部安装孔与作动器动子安装架(1)固连形成作动机构动子，作动机构动子作为辅助质量；柔性铰链(2)一端与作动机构动子固连，另一端与铰链座(3)固连，形成“天平”结构，柔性铰链在约束作动机构动子转轴位置的同时，还为其提供了作动机构所需的连接刚度，并使作动机构动子在未加控时维持在平衡位置；第一作动器定子(5)、第二作动器定子(7)通过底部安装孔与底座(10)固连；作动机构为本装置核心部分，由ADC控制器输出信号驱动作动机构动子转动，产生的反向力矩则通过第一作动器定子(5)、第二作动器定子(7)及底座(10)作用于光电吊舱，并通过第一作动器动子(4)、第二作动器动子(6)分别与第一作动器定子(5)、第二作动器定子(7)之间的电磁阻尼以及柔性铰链(2)的结构阻尼将角振动能量转化为热量耗散掉，以抑制光电吊舱的角振动；测量元件为微机械陀螺仪(Micro Electro Mechanical Systems，简称MEMS)(8)，通过测量光电吊舱的振动角速度为ADC控制器提供控制输入；外壳结构部分包括外盖(9)及底座(10)，微机械陀螺仪(8)安装于外盖(9)的内侧，外盖(9)的下端与底座(10)固连，底座(10)与光电吊舱固连，为作动机构与光电吊舱之间提供稳定连接。
2.根据权利要求1所述的基于反向力矩的光电吊舱稳像控制装置，其特征在于：所述的微机械陀螺仪型号为MTi-10IMU OEM。
3.根据权利要求1所述的基于反向力矩的光电吊舱稳像控制装置，其特征在于：所述的作动机构中的铰链为柔性铰链(2)，其特点为无间隙、运动精度及可靠性高，型号为C-Flex-I30。
4.根据权利要求1所述的基于反向力矩的光电吊舱稳像控制装置，其特征在于：所述的作动机构中的作动器为音圈电机，包含一个永磁体和一个线圈，第一作动器动子(4)、第二作动器动子(6)为音圈电机永磁体，第一作动器定子(5)、第二作动器定子(7)为音圈电机线圈，其特点为响应快、输出线性度好且行程长，型号为LA14-17-000A。
5.一种基于反向力矩的光电吊舱稳像控制方法，利用权利要求1所述的基于反向力矩的光电吊舱稳像控制装置，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，建立在受扰条件下的浮动光电吊舱动力学模型，然后按照权利要求一的方式对稳像控制装置进行装配，最后将稳像控制装置通过底座(10)的安装孔安装在光电吊舱被控点上；
第二步，针对光电吊舱受扰条件设计基于反向力矩的ADC控制器；
第三步，将光电吊舱的振动角速度作为输入实现基于反向力矩的光电吊舱稳像控制。
6.根据权利要求5所述的基于反向力矩的光电吊舱稳像控制方法，其特征在于：当光电吊舱处于振动环境下时，微机械陀螺仪可采得其振动角速度输入到ADC控制器；ADC控制器通过设计一对与其同频的单位正弦信号和单位余弦信号作为基底，并以LMS(Least MeanSquare filter)算法对各基底权系数进行调节，拟合出与干扰同频、正负号相反的补偿信号作为控制信号驱动作动机构以抑制光电吊舱的角振动。
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