CN109375651B - 一种运动平台地平式光电跟踪系统抗滚动轴扰动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运动平台地平式光电跟踪系统抗滚动轴扰动方法。安装在运动平台上的光电跟踪系统，受到运动平台姿态角振动的影响，引起视轴的不稳定。传统的稳定视轴的方法是在机架俯仰和方位轴向上安装角速率陀螺，通过闭环稳定机架的俯仰和方位轴的指向。而运动平台的振动通常分布于俯仰、方位、滚动三个轴向上，高仰角条件下，平台滚动轴的角振动会对视轴的稳定产生影响，而俯仰和方位轴陀螺由于正交关系无法测出滚动轴角振动，因而也就无法抑制其对视轴的扰动。本发明通过在光电跟踪系统俯仰轴系上增加一个角速率陀螺，测量平台滚动轴角振动引起的角速度ω_Z3，进而抑制其对视轴稳定的影响。

Description

一种运动平台地平式光电跟踪系统抗滚动轴扰动方法

技术领域

本发明属于光电系统跟踪控制领域，涉及安装在运动平台的光电跟踪系统抑制来自运动平台姿态角振动引起的扰动的方法，具体来说就是安装在运动平台上的地平式光电跟踪系统抑制平台滚动轴角振动带来的扰动的方法。

背景技术

安装在运动平台(车辆、舰船、飞机、卫星)的光电跟踪系统，难免会受到载体姿态角振动带来的对视轴的扰动。对于地平式光电跟踪系统而言，目前传统的稳定视轴的方法是在机架俯仰和方位轴向上安装角速率陀螺，测量机架俯仰和方位轴的相对于惯性空间的角速度，进而通过闭环控制技术稳定机架俯仰和方位轴的指向(姬伟，《陀螺稳定光电跟踪平台伺服控制系统研究》，东南大学博士论文，2006年12月；刘翔，《舰载光电跟踪视轴稳定技术》，中国科学院光电技术研究所硕士论文，2013年5月)。而运动平台的姿态角振动通常分布于俯仰、方位、滚动三个轴向上，低仰角条件下，平台滚动轴的角振动对视轴稳定的影响非常小，可以忽略不计；而高仰角条件下，平台滚动轴的角振动对视轴稳定影响则明显增加。对于地平式光电跟踪系统而言，方位轴陀螺由于正交关系无法测出滚动轴的角振动，因而也就无法抑制其对视轴的扰动。本发明提出的方法可以解决地平式光电跟踪系统不能抑制运动平台滚动轴角振动对视轴的扰动这一问题。

目前没有公开发表的文献探讨地平式光电跟踪系统抑制载体平台滚动轴角振动引起的扰动问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服运动平台地平式光电系统现有的视轴稳定技术的不足，提供对运动平台滚动轴角振动带来的扰动的抑制能力。具体的，地平式光电跟踪系统的机架通常由三个部分组成：基座、方位轴系、俯仰轴系，基座一般安装在运动平台上，二者之间存在隔振环节；方位轴系是光电跟踪系统中可以围绕方位轴的旋转运动、但不随俯仰轴运动的部件总称；俯仰轴系则是光电跟踪系统中可以围绕俯仰轴进行旋转运动的部件总称。跟踪目标时，地平式光电跟踪系统的工作原理如附图1所示，控制系统通过控制方位轴系和俯仰轴系的旋转角度调整光电跟踪系统的视轴(LOS,line of sight)，使视轴与目标视线(LOT,line of target)重合。基座和运动平台间虽然存在隔振环节，但是平台的姿态角抖动仍然会通过隔振环节对基座造成一定的扰动，进而影响视轴的稳定。

有关坐标系的定义如附图2所示。定义运动平台光电跟踪系统所在地的地理坐标系为参考坐标系B₀，由于目标跟踪过程时间很短，在这一过程中可以忽略地球自转和公转影响，该坐标系可以近似认为是一个惯性坐标系。

定义与运动平台固联的平台坐标系B₁：坐标原点O₁取在基座质心；O₁Z₁轴与平台方位轴(Yaw Axis)平行，O₁X₁轴与平台俯仰轴(Pitch Axis)平行、O₁Y₁轴与平台滚动轴(RollAxis)平行。稳定状态下B₁和B₀之间存在姿态变换关系，可以用三轴姿态角描述，分别是载体俯仰角θ_pitch、偏航角θ_yaw、滚动角θ_roll。按照3-1-2的旋转次序定义系统的姿态余弦矩阵C₁：

C₁＝C_rollC_pitchC_yaw (4)

B₁和B₀之间的姿态变换矩阵变为C₁。

定义与光电跟踪系统方位轴系固联的坐标系B₂：坐标原点O₂取在垂直轴系质心；O₂Z₂轴与光电跟踪系统方位轴平行，O₂X₂轴与光电跟踪系统俯仰轴平行，初始状态下坐标系O₂Z₂平行于O₁Z₁轴，O₂X₂轴平行于O₁X₁轴，O₂Z₂轴平行于O₁Z₁轴。定义方位轴系方位角θ_A，逆时针为正。B₂和B₁之间存在姿态变换关系C₂为：

定义与光电跟踪系统俯仰轴系固联的坐标系B₃：坐标原点O₃取在垂直轴与俯仰轴轴线的交点；O₃X₃轴与俯仰轴重合；O₃Y₃轴与视轴重合；O₃Z₃轴与其它两轴的关系符合右手定则。初始状态下坐标系O₃Z₃平行于O₂Z₂轴，O₃X₃轴平行于O₂X₂轴，O₃Z₃轴平行于O₂Z₂轴，定义俯仰轴系俯仰角为θ_E。B₂和B₁之间存在姿态变换关系C₃为：

当机架绕俯仰轴旋转θ_E、方位轴旋转θ_A后，B₁到B₃的姿态变换阵为：

在B₃坐标系中，视轴的方向矢量为L_{OS_3}＝[0 1 0]′；B₁坐标系中，视轴方向矢量L_{OS_1}的表达式为：

无扰动状态下，B₀与B₁坐标系重合，设此时目标视线矢量L_OT和视轴矢量L_OS重合，即：

上式中L_{OT_0}与L_{OT_1}分别是目标视线在B₀和B₁坐标系中的表达式。

当平台的滚动轴存在扰动Δθ_roll时，目标视线矢量L_OT与参考坐标系B₀保持相对静止，而视轴矢量L_OS与基座坐标系B₁保持相对静止，二者出现偏差。此时C₁＝C_roll，目标视线矢量L_OT在平台坐标系B₁中的表达式L_{OT_1}变化为：

视轴L_{OT_1}与目标视线L_{OS_1}的方位角度差Δθ_A如附图3所示：

视轴L_{OT_1}与目标视线L_{OS_1}的俯仰角度差Δθ_E如附图4所示：

考虑滚动轴对视轴稳定影响最极端的情况是当O₂X₂轴与基座滚动轴O₁Y₁轴完全垂直时，俯仰轴控制回路对基座滚动轴的振动完全没有抑制能力，此时θ_A＝0。因此先分析的θ_A＝0的情况。

低仰角时，θ_A＝0、θ_E≈0，带入到公式(11)和(12)，可以得到：Δθ_A＝0、Δθ_E＝0。即平台滚动轴的角振动Δθ_roll不会对视轴的稳定造成影响。

高仰角时，θ_A＝0、θ_E≠0，由公式(11)和(12)可以知道：

扩展到更一般的情况，θ_A可以不为0：

对(14)式求导，即是滚动轴在方位和俯仰轴引起的角速度：

系统中，方位轴陀螺测量到的角速度方向始终与滚动轴正交，因而无法测出这一抖动并加以抑制。综上，是本发明要解决的技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种运动平台地平式光电跟踪系统抗滚动轴扰动方法，包括：

步骤(1)、在光电跟踪系统的方位轴系机架上安装一个角速率陀螺，测量机架方位轴向角速度ω_A；俯仰轴系机架安装一个角速率陀螺，测量机架俯仰轴向的角速度ω_E；俯仰轴系机架上再安装一个陀螺用于测量俯仰轴系机架在与俯仰轴和视轴都正交的第三轴向的角速度ω_Z3；俯仰轴安装编码器，用于测量俯仰轴机架当前的俯仰角位置θ_E；

步骤(2)、机架的俯仰轴和方位轴分别利用陀螺测量信息形成俯仰和方位轴的角速度闭环；

步骤(3)、测量俯仰轴系机架第三轴角速度ω_Z3、俯仰轴机架当前俯仰角θ_E，计算方位轴的角速度给定修正值Δω_AT；

步骤(4)、将Δω_AT叠加到方位的角速度环回路给定中，抵消平台滚动轴振动带给地平式光电系统的扰动。

其中，步骤(3)中方位轴速度给定修正值Δω_AT的计算方法为：

式中ω_A为机架方位轴角速度。

本发明实现原理：在光电跟踪系统原有的方位和俯仰轴存在基于陀螺的速度闭环基础上，在俯仰轴机架上增加一个陀螺，测量附图2中O₃Z₃轴(该轴与视轴LOS和俯仰轴均正交)方向旋转角速度ω_Z3，由于高仰角时，O₃Z₃轴与基座滚动轴O₁Y₁轴不再正交，因此测量值ω_Z3包含O₁Y₁轴的旋转分量，结合当前俯仰角值θ_E，计算方位角给定的修正量Δω_AT，再叠加到当前方位角速度环给定中，通过闭环控制实现对滚动轴抖动的抑制。ω_Z3包含方位轴(O₁Z₁轴)的旋转角速度ω_A的投影分量和基座滚动轴(O₁Y₁轴)的旋转角速度ω_roll的投影分量，写成表达式为：

ω_Z3＝cosθ_Eω_A+cosθ_A sinθ_Eω_roll (16)

将(15)式带入(16)式：

ω_Z3＝cosθ_Eω_A+cosθ_Eω_{A_roll} (17)

由于方位轴存在闭环，所以方位轴角速度给定修正量Δω_AT中应减去方位轴反馈，Δω_AT应为：

将Δω_AT叠加到光电跟踪系统方位轴速度环给定中去，即可修正由平台滚动轴振动引起扰动。

对于俯仰轴而言，由于俯仰轴系随方位轴系转动，只有θ_A＝0时，俯仰轴与基座滚动轴正交，而前面分析过这种情况，此时平台滚动轴的角振动Δθ_roll不会对视轴的稳定造成影响。当θ_A≠0，俯仰轴陀螺所能敏感到的角速度ω_X3为：

ω_X3＝ω_pitchcosθ_A+ω_rollsinθ_A (19)

对比公式(15)，可以知道：ω_X3包含滚动轴带来的扰动，因而俯仰轴闭环有能力抑制基座滚动轴抖动带来的扰动，因此俯仰轴闭环无需做额外的改动。

本发明具体实现框架如图5所示：

(1)在光电跟踪系统的方位轴系机架上安装一个角速率陀螺，测量机架方位轴向角速度ω_A；俯仰轴系机架安装一个角速率陀螺，测量机架俯仰轴向的角速度ω_E；俯仰轴系机架上再安装一个陀螺用于测量俯仰轴系机架在与俯仰轴和视轴都正交的第三轴向的角速度ω_Z3；

(2)俯仰轴安装编码器，用于测量俯仰轴机架当前的俯仰角位置θ_E；

(3)机架的俯仰轴和方位轴分别存在基于陀螺的角速度闭环控制回路，其中方位轴速度环给定为ω_AT，输出为ω_A，平台在方位轴的扰动量为ω_yaw；

(4)根据ω_Z3计算方位轴速度环修正量Δω_AT，并将其叠加到方位轴速度环给定中去。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明解决了现有视轴稳定技术无法抑制平台滚动轴振动对视轴的扰动的问题。本发明提出的方法，通过间接的测量平台滚动轴的角速度，进而增加方位轴速度环给定修正量，从而抑制了平台滚动轴振动对视轴的扰动，使基于运动平台的地平式光电跟踪系统具备了对平台滚动轴扰动的抑制能力，提高了系统的视轴稳定性。

附图说明

图1为地平式光电经纬仪跟踪目标示意图。

图2为有关坐标系示意图。

图3光学视轴LOS和目标视线LOT间的方位角度差。

图4光学视轴LOS和目标视线LOT间的俯仰角度差。

图5本发明提出方法的控制构架。

具体实施方式

以下说明本发明的实施例。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对该领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

某型置于运动平台的地平式光电跟踪系统如附图1所示，该系统由三个部分组成：基座、方位轴系、俯仰轴系。基座通过隔振装置与运动平台相连，但平台的姿态角振动仍会传递到基座上，进而影响视轴的稳定。扰动作用下，基座在三轴的角速度分别为：俯仰轴(X₁轴)角速度ω_pitch＝0.1°/s；滚动轴(Y₁轴)角速度ω_roll＝0.1°/s；方位轴(Z₁轴)角速度ω_yaw＝0.1°/s。当前俯仰角θ_E＝45°，当前方位角θ_A＝0°。

根据本发明提出的方法，搭建控制系统，其结构如附图5所示：

(1)在光电跟踪系统的方位轴系机架上安装一个角速率陀螺，测量机架方位轴向角速度ω_A；俯仰轴系机架安装一个角速率陀螺，测量机架俯仰轴向的角速度ω_E；俯仰轴系机架上再安装一个陀螺用于测量俯仰轴系机架在与俯仰轴和视轴都正交的第三轴向的角速度ω_Z3；

(2)俯仰轴安装编码器，用于测量俯仰轴机架当前的俯仰角位置θ_E；

(3)机架的俯仰轴和方位轴分别存在基于陀螺的角速度闭环控制回路；

(4)根据ω_Z3计算方位轴速度环修正量Δω_AT，并将其叠加到方位轴速度环给定中去。

具体实施步骤如下：

(1)在光电跟踪系统的方位轴系机架上安装一个角速率陀螺，测量机架方位轴向角速度ω_A；俯仰轴系机架安装一个角速率陀螺，测量机架俯仰轴向的角速度ω_E；俯仰轴系机架上再安装一个陀螺用于测量俯仰轴系机架在与俯仰轴和视轴都正交的第三轴向的角速度ω_Z3；

(2)俯仰轴安装编码器，测量俯仰轴机架当前的俯仰角位置θ_E＝45°；

(3)机架的俯仰轴和方位轴分别存在基于陀螺的角速度闭环控制回路(如附图5所示)，其中方位轴速度环给定为ω_AT，输出为ω_A，平台在方位轴的扰动量为ω_yaw；

(4)根据ω_Z3＝0.0707°/s、俯仰轴机架当前俯仰角θ_E＝45°，计算方位轴速度环修正量Δω_AT＝-0.1°/s，并将其叠加到方位轴速度环给定中去。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (1)

1.一种运动平台地平式光电跟踪系统抗滚动轴扰动方法，其特征在于，包括：

步骤(1)、在光电跟踪系统的方位轴系机架上安装一个角速率陀螺，测量机架方位轴向角速度ω_A；俯仰轴系机架安装一个角速率陀螺，测量机架俯仰轴向的角速度ω_E；俯仰轴系机架上再安装一个陀螺用于测量俯仰轴系机架在与俯仰轴和视轴都正交的第三轴向的角速度ω_Z3；俯仰轴安装编码器，用于测量俯仰轴机架当前的俯仰角位置θ_E；

步骤(2)、机架的俯仰轴和方位轴分别利用陀螺测量信息形成俯仰和方位轴的角速度闭环；

步骤(3)、测量俯仰轴系机架第三轴角速度ω_Z3、俯仰轴机架当前俯仰角θ_E，计算方位轴的角速度给定修正值△ω_AT；其中方位轴速度给定修正值△ω_AT的计算方法为：

式中ω_A为机架方位轴向角速度；

步骤(4)、将△ω_AT叠加到方位的角速度环回路给定中，抵消平台滚动轴振动带给地平式光电系统的扰动。

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