CN109062060A - 一种基于加速度计和ccd融合的快反镜稳定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于加速度计和CCD融合的快反镜稳定方法。针对快反镜稳定控制中，加速度计由于低频漂移和噪声的存在，加速度内环抑制扰动能力不足的问题，该方法在加速度闭环和CCD位置闭环之间添加一个虚拟速度闭环，以增加系统的扰动抑制能力。该虚拟速度环采用加速度计和CCD通过互补滤波融合方法产生的速度，相当于得到了一个虚拟陀螺，不需要额外添加传感器。该方法是从传感器的使用方式上对系统进行优化，充分发挥了加速度计中高频性能好，CCD低频性能优异的特点，使传感器性能互补，在不增加成本的情况下，提升了快反镜的抗干扰性能。

Description

一种基于加速度计和CCD融合的快反镜稳定方法

技术领域

本发明属于光电跟踪系统的惯性稳定领域，具体涉及一种基于加速度计和CCD融合的快反镜稳定方法，主要用于提升系统在中低频的抗干扰性能，从而进一步增加运动平台光电跟踪系统稳定视轴的性能。

背景技术

在光电跟踪系统中，为了提高跟踪精度和抗扰性能，在粗跟踪的基础上，往往需要再添加一级精跟踪结构组成复合轴控制系统。相较于粗跟踪，由音圈电机或者压电陶瓷驱动的快反镜精跟踪系统具有转动惯量小，带宽高，线性度好等优点。运动平台上的快反镜系统不仅要用于跟随目标机动，还要抑制载体运动对快反镜造成的干扰。在控制方式上，传统的方式是在CCD位置闭环的基础上，在内环增加一个基于光纤陀螺的速度闭环，来提高系统的扰动抑制能力，但是光纤陀螺体积质量较大，容易改变平台的结构特性，使建模不准，并且光纤陀螺价格高，功耗大。相比于光纤陀螺，加速度计体积质量小，价格功耗低，非常适合于替代光纤陀螺来构建高采样内部闭环。SCI文献《Acceleration feedback of a CCD-based tracking loop for fast steering mirror》(Optical Engineering，Vol(48)，2009)使用加速度计和CCD构成了位置和加速度双闭环稳定控制，但是由于加速度计低频信噪比低，容易受噪声影响，作者把加速度内环改造成了带通滤波器，牺牲了低频的扰动抑制性能，导致了在低频的扰动抑制能力不足。

发明内容

针对基于加速度计和CCD的快反镜控制系统中的低频扰动抑制能力不足的问题，本发明提出了通过互补滤波的传感器融合的方法，分别提取CCD的低频信号和加速度计的高频信号，用来合成一个高带宽的速度信号。基于此速度信号，在加速度环和位置环直接增加一个速度内环，以进一步提高系统的中低频扰动抑制能力。

为实现本发明的目的，本发明提供一种基于加速度计和CCD融合的快反镜稳定方法，其具体实施步骤如下：

步骤(1)：在快反镜平台的两正交倾斜轴上分别安装加速度计，用以分别测量平台两轴倾斜运动的角加速度。加速度计延时小，带宽高；

步骤(2)：所使用的快反镜由音圈电机驱动，线性度好，根据物理机理建模可以得到系统的参数模型，然后通过扫频法，确定模型参数，可以得到系统高度近视的加速度传递函数模型

步骤(3)：在加速度对象模型的基础上，设计加速度控制器C_a(s)以实现加速度闭环。

步骤(4)：通过互补滤波方法，对加速度信号和CCD信号进行融合，得到平台的角速度量v，相当于增加了一个虚拟陀螺。以平台的角速度量，设计速度闭环控制器C_v(s)，实现速度闭环。

步骤(5)：速度闭环完成以后，设计位置闭环控制器C_p(s)，实现外部位置闭环。

其中，步骤(2)中根据快反镜的构造机理对建模如下：

其中，包过了二阶微分环节，振荡环节和一个惯性环节，K为模型增益，ω_n为自然振荡频率，ξ为阻尼系数，T_e为电气时间常数。通过扫频法绘制真实对象的波特曲线，调整参数使模型的波特曲线与真实对象的波特曲线重合，得到平台的模型。

其中，步骤(3)中加速度控制器C_a(s)需要设计为滞后环节，以保证系统的稳定，模型参考如下：

其中，K_a为控制器增益，T₁为滞后因子时间常数，积分环节用于部分补偿加速度双微分特性，T_es+1用于提升相角裕度，惯性环节用于滤除高频噪声，加速度闭环后，改善了被控对象特性，因此位置控制器C_p(s)和速度控制器C_v(s)可设计为PI控制器。

其中，步骤(5)中互补滤波方法采用一对一阶互补滤波器，获取平台速度的模型参考如下：

其中，C_low-pass为提取CCD低频信号的低通滤波器，C_high-pass为提取加速度计高频信号的高通滤波器，T为互补滤波器时间常数。R_CCD代表CCD输出的不包含延时的位置信号，e^-τs代表CCD信号处理的延时，R_ACC代表加速度计输出的加速度信号。由于s·R_CCD＝R_ACC/s＝v_real，v_real为平台的真实速度，则平台的速度模型转化为：

又因τ<<1，e^-τs≈1/(1+τs)，那么：

因此，经过传感器融合的速度可以认为是平台的真实角速度，虽然速度对象特性的参数会有轻微的变化，但是通过对象辨识的扫频法，可以确定融合速度的对象特性，基于此特性，可以设计相应的速度控制器C_v(s)。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)以使用光纤陀螺辅助稳定的传统控制方法相比，本发明采用了体积质量小，价格功耗更低的加速度计来辅助快反镜稳定，保证快反镜的理想传递特性不会受外部传感器的影响，节约了空间和成本。

(2)与原有的加速度位置双闭环相比，新添加的速度环，能够显著提升快反镜中低频的抗干扰性能。

(3)该发明的传感器融合方法结构简单，计算量小，得到的虚拟陀螺性能好，工程上易于实现。

附图说明

图1是本发明的一种基于加速度计和CCD融合的快反镜稳定方法的控制框图。

图2是本发明相对于加速度计和CCD构成的单纯加速度位置双环的扰动抑制能力对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

如图1所示是一种基于加速度计和CCD融合的快反镜稳定方法的控制框图，其中包过加速度回路，虚拟陀螺构成的速度回路，CCD位置回路；采用所述装置实现多闭环控制方法的具体实现步骤如下：

步骤(1)：在快反镜平台的两正交倾斜轴上分别安装加速度计，用以分别测量平台两轴倾斜运动的角加速度。加速度计延时小，带宽高；

步骤(2)：所使用的快反镜由音圈电机驱动，线性度好，根据物理机理建模可以得到系统的参数模型，然后通过扫频法，确定模型参数，可以得到系统高度近视的加速度传递函数模型

步骤(3)：在加速度对象模型的基础上，设计加速度控制器C_a(s)以实现加速度闭环。

步骤(4)：通过互补滤波方法，对加速度信号和CCD信号进行融合，得到平台的角速度量v，相当于增加了一个虚拟陀螺。以平台的角速度量，设计速度闭环控制器C_v(s)，实现速度闭环。

步骤(5)：速度闭环完成以后，设计位置闭环控制器C_p(s)，实现外部位置闭环。

其中，步骤(2)中根据快反镜的构造机理对建模如下：

其中，包过了二阶微分环节，振荡环节和一个惯性环节，K为模型增益，ω_n为自然振荡频率，ξ为阻尼系数，T_e为电气时间常数。通过扫频法绘制真实对象的波特曲线，调整参数使模型的波特曲线与真实对象的波特曲线重合，得到平台的模型。

其中，步骤(3)中加速度控制器C_a(s)需要设计为滞后环节，以保证系统的稳定，模型参考如下：

其中，K_a为控制器增益，T₁为滞后因子时间常数，积分环节用于部分补偿加速度双微分特性，T_es+1用于提升相角裕度，惯性环节用于滤除高频噪声，加速度闭环后，改善了被控对象特性，因此位置控制器C_p(s)和速度控制器C_v(s)可设计为PI控制器。

其中，步骤(5)中互补滤波方法采用一对一阶互补滤波器，获取平台速度的模型参考如下：

其中，C_low-pass为提取CCD低频信号的低通滤波器，C_high-pass为提取加速度计高频信号的高通滤波器，T为互补滤波器时间常数。R_CCD代表CCD输出的不包含延时的位置信号，e^-τs代表CCD信号处理的延时，R_ACC代表加速度计输出的加速度信号。由于s·R_CCD＝R_ACC/s＝v_real，v_real为平台的真实速度，则平台的速度模型转化为：

又因τ<<1，e^-τs≈1/(1+τs)，那么：

因此，经过传感器融合的速度可以认为是平台的真实角速度，虽然速度对象特性的参数会有轻微的变化，但是通过对象辨识的扫频法，可以确定融合速度的对象特性，基于此特性，可以设计相应的速度控制器C_v(s)。

下面以某一传递函数如下的快反镜平台为例对本发明的设计过程和实验效果进行详细说明：

按照具体的实施方式设计实验过程，在相同实验条件下，对比传统的加速度位置双环和基于加速度计和CCD融合的三闭环的扰动抑制残差，如图2是本发明的扰动抑制能力对比图，与传统的加速度位置双闭环相比，本发明的中低频扰动抑制能力得到了明显的提升，解决了由于加速度计低频性能不好导致的系统低频扰动抑制能力不足的问题。虽然，与传统的加速度位置双闭环相比，本方法的高频扰动能力略有不足，但是在实际工程中，我们更关心系统中低频的主动抑制能力，高频的扰动主要靠一些隔振装置来消除。因此本发明能很好的应用在中低频扰动明显的载体上，例如汽车和舰船等。

Claims (4)

1.一种基于加速度计和CCD融合的快反镜稳定方法，其特征在于，包含步骤如下：

步骤(1)：在快反镜平台的两正交倾斜轴上分别安装加速度计，用以分别测量平台两轴倾斜运动的角加速度；

步骤(2)：通过扫频法获取平台的加速度对象模型它是真实对象G_a(s)的高度近似；

步骤(3)：在加速度对象模型的基础上，设计加速度控制器C_a(s)以实现加速度闭环；

步骤(4)：通过互补滤波方法，对加速度信号和CCD信号进行融合，得到平台的角速度量v，相当于增加了一个虚拟陀螺，以平台的角速度量，设计速度闭环控制器C_v(s)，实现速度闭环；

步骤(5)：速度闭环完成以后，设计位置闭环控制器C_p(s)，实现外部位置闭环。

2.根据权利要求1所述的一种基于加速度计和CCD融合的快反镜稳定方法，其特征在于：步骤(2)中根据快反镜的构造机理对建模如下：

其中，包过了二阶微分环节，振荡环节和一个惯性环节，K为模型增益，ω_n为自然振荡频率，ξ为阻尼系数，T_e为电气时间常数，通过扫频法绘制真实对象的波特曲线，调整参数使模型的波特曲线与真实对象的波特曲线重合，得到平台的模型。

3.根据权利要求1所述的一种基于加速度计和CCD融合的快反镜稳定方法，其特征在于：步骤(3)中加速度控制器C_a(s)需要设计为滞后环节，以保证系统的稳定，模型参考如下：

其中，K_a为控制器增益，T₁为滞后因子时间常数，积分环节用于部分补偿加速度双微分特性，T_es+1用于提升相角裕度，惯性环节用于滤除高频噪声，加速度闭环后，改善了被控对象特性，因此位置控制器C_p(s)和速度控制器C_v(s)可设计为PI控制器。

4.根据权利要求1所述的一种基于加速度计和CCD融合的快反镜稳定方法，其特征在于：步骤(5)中互补滤波方法采用一对一阶互补滤波器，获取平台速度的模型参考如下：

其中，C_low-pass为提取CCD低频信号的低通滤波器，C_high-pass为提取加速度计高频信号的高通滤波器，T为互补滤波器时间常数，R_CCD代表CCD输出的不包含延时的位置信号，e^-τs代表CCD信号处理的延时，R_ACC代表加速度计输出的加速度信号，由于s·R_CCD＝R_ACC/s＝v_real，v_real为平台的真实速度，则平台的速度模型转化为：

又因τ<<1，e^-τs≈1/(1+τs)，那么：

因此，经过传感器融合的速度可以认为是平台的真实角速度，虽然速度对象特性的参数会有轻微的变化，但是通过对象辨识的扫频法，可以确定融合速度的对象特性，基于此特性，可以设计相应的速度控制器C_v(s)。