CN109445470B - 基于载体姿态角信息前馈的光电系统视轴稳定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于载体姿态角信息前馈的光电系统视轴稳定方法，解决安装在运动载体上的地平式光电系统在载体存在三轴姿态角振动时的视轴稳定问题。传统的运动载体光电系统，其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。而运动载体的振动通常分布于俯仰、方位、滚动三个轴向上，而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。本发明取消了原有光电系统方位、俯仰轴角速度闭环，在方位和俯仰轴上安装编码器，形成角位置闭环，在光电系统基座上安装惯性姿态测量单元，并将载体对视轴的扰动量前馈到方位和俯仰轴的角位置闭环控制器，实现对视轴的稳定。

Description

基于载体姿态角信息前馈的光电系统视轴稳定方法

技术领域

本发明属于光电系统跟踪控制领域，特别涉及基于载体姿态角信息前馈的光电系统视轴稳定方法，其就是安装在运动载体上的地平式光电系统通过载体姿态角信息前馈来抑制载体滚动角振动对视轴扰动，稳定视轴的方法。

背景技术

视轴稳定是光电系统正常工作的重要条件。安装在运动载体(车辆、舰船、飞机、卫星)的光电系统，会受到载体姿态角振动带来的扰动，影响视轴的稳定。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(于伟，《浮动平台双光电系统稳定与跟踪技术研究》，中国科学院光电技术研究所博士论文，2012年5月；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)。而运动载体的姿态角振动通常分布于俯仰、方位、滚动三个轴向上，其中，载体方位和俯仰轴角振动对视轴扰动，可以分别由光电系统的方位和俯仰轴闭环进行抑制。而滚动轴的振动在高仰角条件下，对视轴稳定影响则明显增加。对于地平式光电系统而言，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系统不能抑制运动载体滚动轴角振动对视轴的扰动这一问题。

目前的文献均是采用俯仰、方位两轴陀螺角速度闭环的方法对视轴进行稳定，不能够抑制载体滚动轴角振动对视轴稳定带来的扰动，本发明提出的方法，通过在光电系统基座上安装惯性测量单元，测量载体三轴姿态角信息，并将其前馈到载体的方位、俯仰轴角位置闭环控制器，抑制载体三轴姿态角变化引起的扰动，稳定视轴。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服基于运动载体的地平式光电系统现有的视轴稳定技术的不足，提供对运动载体三轴角振动带来的扰动的抑制能力。

基于运动载体的光电系统，目前最多采用的机架结构就是地平式结构。地平式光电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。基座和运动载体间虽然存在隔振环节，但是载体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：

地平式光电系统中，感光器件CCD通常安装在俯仰轴系上，随俯仰轴系一起运动。定义CCD靶面的中心O_CV，光学系统视轴LOS垂直于靶面。CCD靶面横轴为O_CVX_CV轴，纵轴为O_CVY_CV轴，安装过程中确保O_CVX_CV轴与俯仰轴O₃X₃平行，O_CVY_CV与O₃Z₃轴平行。目标在CCD靶面上的投影如图3中所示，坐标为(ΔX,ΔY)。

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。

当平台的三轴姿态角存在扰动Δθ_pitch、Δθ_roll、Δθ_yaw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4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5所示：

由于Δθ_pitch、Δθ_roll、Δθ_yaw的值都非常的小，所以分开考虑三轴姿态角扰动对视轴的影响。

首先考虑Δθ_yaw对视轴的影响：载体偏航角θ_yaw和光电系统方位角θ_A在一个轴向上，而且偏航轴始终与俯仰轴垂直，所以Δθ_yaw只影响Δθ_A，不影响俯仰角Δθ_E。

Δθ_A＝Δθ_yaw Δθ_E＝0 (13)

接着考虑Δθ_pitch对视轴的影响：载体俯仰轴和光电系统方位轴始终垂直，所以俯仰角变化量Δθ_pitch不影响Δθ_A，只影响俯仰角Δθ_E。表达式为：

Δθ_A＝0 Δθ_E≈Δθ_pitch·cosθ_A (14)

最后考虑Δθ_roll对视轴的影响：根据公式(11)和公式(12)，可以得到：

化简，得到：

Δθ_A≈Δθ_roll·cosθ_A tanθ_E Δθ_E≈Δθ_roll·sinθ_A (16)

对(15)式求导：

传统的地平式光电系统视轴稳定方法所采用的控制系统结构如图6所示。系统中，俯仰轴系随方位轴一起转动，当且仅当θ_A＝0时才与滚动轴完全正交，而根据(17)式，此时滚动轴对俯仰轴的扰动为0，所以ω_{E_roll}存在于俯仰轴闭环之内。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，所以ω_{A_roll}存在于闭环之外，方位轴闭环无法抑制这一扰动。这就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：取消光电系统原有的方位、俯仰轴速度闭环，在方位和俯仰轴上安装编码器，形成角位置闭环，在光电系统基座上安装惯性姿态测量单元(IMU-inertial measurement unit)，载体姿态角信息，计算载体姿态角变化对光电系统视轴的扰动量，并将扰动量前馈到方位和俯仰轴角位置闭环控制器，实现对视轴的稳定。

本发明实现原理：根据公式(13)、(14)、(16)，载体姿态姿态角波动对视轴的扰动量为：

将获得的载体姿态角信息前馈到光电系统方位和俯仰轴角位置控制器，抵消载体姿态角波动带来的扰动。。

本发明具体实现框架如图7所示：

(1)在光电系统的基座上安装惯性测量单元(IMU-inertial measurement unit)，测量载体的姿态信息。

(2)方位轴和俯仰轴分别安装编码器，用于测量俯仰轴机架当前的方位角位置θ_A和俯仰角位置θ_E；

(3)机架的俯仰轴和方位轴分别存在基于编码器的角位置闭环控制回路；

(4)存在载体姿态角信息的前馈通道，将载体的姿态角信息前馈到方位和俯仰轴的角位置闭环控制器中，稳定视轴。

本发明的具体实施步骤如下：

(1)构建控制构架；

(2)利用安装在光电系统基座上的惯性姿态测量单元测量载体三轴姿态角信息；

(3)根据编码器测得当前方位角位置θ_A和俯仰角位置θ_E，计算载体姿态角变化引起的视轴扰动量Δθ_A和Δθ_E；

(4)将Δθ_A和Δθ_E前馈到方位轴和俯仰轴角位置闭环控制器，进而驱动电机，抑制载体滚动轴扰动的影响，稳定视轴。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

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，在增加一个陀螺的情况下，可以实现对平台三轴扰动的抑制，实现对基于运动载体的光电系统的视轴稳定。

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为目标在CCD靶面的投影示意图；

图4为光学视轴LOS和目标视线LOT间的方位角度差；

图5为光学视轴LOS和目标视线LOT间的俯仰角度差；

图6为传统的俯仰、方位双轴闭环视轴稳定方法的控制构架；

图7为本发明提出的视轴稳定方法的控制构架；

图8为光电系统机架方位轴位置环开环频率特性；

图9为无载体姿态角信息前馈时，载体滚动轴振动对机架方位轴的影响；

图10为有载体姿态角信息前馈时，载体滚动轴振动对机架方位轴的影响。

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。三轴姿态角波动量分别为Δθ_pitch＝0.1°、Δθ_roll＝0.1°、Δθ_yaw＝0.1°。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，采用如附图7所示的结构：

(1)在光电系统的基座上安装惯性测量单元(IMU-inertial measurement unit)，测量载体的姿态信息。

(2)方位轴和俯仰轴分别安装编码器，用于测量俯仰轴机架当前的方位角位置θ_A和俯仰角位置θ_E；

(3)机架的俯仰轴和方位轴分别存在基于编码器的角位置闭环控制回路；

(4)存在载体姿态角信息的前馈通道，将载体的姿态角信息前馈到方位和俯仰轴的角位置闭环控制器中，稳定视轴。

具体实施步骤如下：

(1)按照前文所述的结构，搭建控制系统；

(2)利用安装在光电系统基座上的IMU测出载体三轴姿态角波动量Δθ_pitch＝0.1°、Δθ_roll＝0.1°、Δθ_yaw＝0.1°；

(3)根据编码器测得当前方位角位置θ_A＝0°和俯仰角位置θ_E＝45°，计算载体姿态角变化引起的视轴扰动量Δθ_A＝0.2°和Δθ_E＝0.1°；

(4)将Δθ_A＝0.2°和Δθ_E＝0.1°前馈到方位轴角位置闭环控制器，进而驱动电机，抑制载体滚动轴扰动的影响，稳定视轴。

实施效果：设某型光电系统方位轴角位置环传递函数为

设计闭环控制器G_c＝80，此时，方位轴开环传递函数的频率特性如图8所示。当机架方位角位置θ_A＝0°和俯仰角位置θ_E＝45°，基座滚动轴振动角频率f_roll＝1Hz，幅值Δθ_roll＝0.1°，载体在其它轴向上保持稳定。光电系统按照图6所示的没有载体姿态角信息前馈的控制系统工作时，实验结果如图9所示，方位轴CCD脱靶量幅值0.0707°，机架的偏差量幅值0.1°。如光电系统按照图7所示的有载体姿态角信息前馈的控制系统工作时，实验结果如图10所示，由于控制系统在f_roll处的伺服刚度为126.69，所以方位轴CCD脱靶量幅值5.6×10^-4°，机架的偏差量幅值7.9×10^-4°。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (1)

1.基于载体姿态角信息前馈的光电系统视轴稳定方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤(1)、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；

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轴与平台方位轴平行，O₁X₁轴与平台俯仰轴平行、O₁Y₁轴与平台滚动轴平行，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之间的姿态余弦矩阵为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：

地平式光电系统中，感光器件CCD通常安装在俯仰轴系上，随俯仰轴系一起运动，定义CCD靶面的中心O_CV，光学系统视轴LOS垂直于靶面，CCD靶面横轴为O_CVX_CV轴，纵轴为O_CVY_CV轴，安装过程中确保O_CVX_CV轴与俯仰轴O₃X₃平行，O_CVY_CV与O₃Z₃轴平行，目标在CCD靶面上的坐标为(△X,△Y)；

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；

当平台的三轴姿态角存在扰动△θ_pitch、△θ_roll、△θ_yaw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△θ_A：

视轴L_{OT_1}与目标视线L_{OS_1}的俯仰角度差△θ_E：

首先考虑△θ_yaw对视轴的影响：载体偏航角θ_yaw和光电系统方位角θ_A在一个轴向上，而且偏航轴始终与俯仰轴垂直，所以△θ_yaw只影响△θ_A，不影响俯仰角△θ_E，

△θ_A＝△θ_yaw △θ_E＝0 (13)

接着考虑△θ_pitch对视轴的影响：载体俯仰轴和光电系统方位轴始终垂直，所以俯仰角变化量△θ_pitch不影响△θ_A，只影响俯仰角△θ_E，表达式为：

△θ_A＝0 △θ_E≈△θ_pitch·cosθ_A (14)

最后考虑△θ_roll对视轴的影响：根据公式(11)和公式(12)，可以得到：

化简，得到：

△θ_A≈△θ_roll·cosθ_Atanθ_E △θ_E≈△θ_roll·sinθ_A (16)

对(15)式求导：

取消光电系统原有的方位、俯仰轴速度闭环，在方位和俯仰轴上安装编码器，形成角位置闭环，在光电系统基座上安装惯性姿态测量单元，载体姿态角信息，计算载体姿态角变化对光电系统视轴的扰动量，并将扰动量前馈到方位和俯仰轴角位置闭环控制器，实现对视轴的稳定，根据公式(13)、(14)、(16)，载体姿态姿态角波动对视轴的扰动量为：

将获得的载体姿态角信息前馈到光电系统方位和俯仰轴角位置控制器，抵消载体姿态角波动带来的扰动；

构建控制构架：在光电系统的基座上安装惯性测量单元，测量载体的姿态信息；方位轴和俯仰轴分别安装编码器，用于测量俯仰轴机架当前的方位角位置θ_A和俯仰角位置θ_E；机架的俯仰轴和方位轴分别存在基于编码器的角位置闭环控制回路；存在载体姿态角信息的前馈通道，将载体的姿态角信息前馈到方位和俯仰轴的角位置闭环控制器中，稳定视轴；

步骤(2)、利用安装在光电系统基座上的惯性姿态测量单元测量载体三轴姿态角信息；

步骤(3)、根据编码器测得当前方位角位置θ_A和俯仰角位置θ_E，计算载体姿态角变化引起的视轴扰动量△θ_A和△θ_E；

步骤(4)、将△θ_A和△θ_E前馈到方位轴和俯仰轴角位置闭环控制器，进而驱动电机，抑制载体滚动轴扰动的影响，稳定视轴。

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