CN111338391A - 一种两轴四框架光电转台控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种两轴四框架光电转台控制系统，属于吊舱控制技术领域，它包括方位轴、俯仰轴、四框架、驱动器、角位置传感器、光纤陀螺、摄像装置、图像处理模块、电源模块和伺服控制器，所述伺服控制器还收集并处理外方位框架、外俯仰框架、内方位框架和内俯仰框架的角位置信息以及光纤陀螺的惯性空间角速度信息，然后根据光电转台的不同工作模式控制外方位电机、外俯仰电机、内方位电机和内俯仰电机工作。本发明针对轴系摩擦和其他干扰对控制精度的影响，分别加入摩擦模型和扩张状态观测器，大大提高系统的平台稳定精度，保证视轴的空间稳定。

Description

一种两轴四框架光电转台控制系统

技术领域

本发明涉及一种伺服控制器技术，属于控制系统技术领域，具体来说，是一种两轴四框架光电转台控制系统。

背景技术

两轴四框架光电转台作为吊舱的一种结构形式，可以使光电转台具有更大的跟踪范围，更好的平台稳定性能与跟踪精度。两轴四框架中的 “两轴”指方位轴和俯仰轴，“四框架”指外方位、外俯仰、内方位和内俯仰四个框架，外框架包围内框架，光电载荷安装在内俯仰框架中，四个框架由外到内通过轴承连接。

两轴四框架与两轴两框架相比存在很多优点，两轴四框架吊舱的外框架将内框架包裹在内部，可部分隔离外部风力干扰的影响，从而克服载体运动过程中的摩擦阻力、风阻等，内框架实现稳定功能，内框架无需密封等处理，摩擦阻力小、质量轻，具有很好的伺服控制特性。

但多框架结构使得其各个框架之间存在耦合现象，需要通过设计合适的两轴四框架控制算法来解决内外框架联动问题，从而对干扰运动起到更佳的隔离作用。

发明内容

本发明旨在针对现有技术存在的两轴四框架之间的耦合现象，提供了一种两轴四框架光电转台控制系统，使得内外框架处于更良好的稳定环境，提高系统的平台稳定精度，保证视轴的空间稳定。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种两轴四框架光电转台控制系统，包括方位轴、俯仰轴、四框架、驱动器、角位置传感器、光纤陀螺、摄像装置、图像处理模块、电源模块和伺服控制器；

所述方位轴和俯仰轴垂直设置；

所述四框架包括由外到内通过方位轴和俯仰轴连接的外方位框架、外俯仰框架、内方位框架和内俯仰框架；

分别与外方位框架、外俯仰框架、内方位框架和内俯仰框架对应直连并对所述外方位框架、外俯仰框架、内方位框架和内俯仰框架对应直驱控制的外方位电机、外俯仰电机、内方位电机和内俯仰电机；

所述驱动器用于驱动外方位电机、外俯仰电机、内方位电机和内俯仰电机工作；

所述角位置传感器包括分别对外方位框架、外俯仰框架、内方位框架和内俯仰框架的角位置进行测量的外方位编码器、外俯仰编码器、内方位编码器和内俯仰编码器；

所述光纤陀螺用于测量光电载荷视轴的惯性空间角速度；

所述图像处理模块用于处理摄像装置获取的图像信息，并将处理数据发送给伺服控制器，伺服控制器根据光电转台的不同工作模式发送指令控制图像处理模块和摄像装置；

所述电源模块用于对外方位电机、外俯仰电机、内方位电机、内俯仰电机、驱动器、角位置传感器、光纤陀螺、摄像装置、图像处理模块和伺服控制器统一供电；

所述伺服控制器还收集并处理外方位框架、外俯仰框架、内方位框架和内俯仰框架的角位置信息以及光纤陀螺的惯性空间角速度信息，然后根据光电转台的不同工作模式控制外方位电机、外俯仰电机、内方位电机和内俯仰电机工作，从而保持光电载荷视轴在惯性空间的稳定。

进一步，所述外方位电机、外俯仰电机、内方位电机和内俯仰电机均为无刷电机。

进一步，所述光纤陀螺包括方位陀螺和俯仰陀螺，其均安装在内俯仰框架上，所述方位陀螺用于测量光电载荷视轴方位方向的惯性空间角速度，所述俯仰陀螺用于测量光电载荷视轴俯仰方向的惯性空间角速度。

进一步，所述伺服控制器收集角位置和惯性空间角速度信息后，根据不同工作模式对角位置和惯性空间角速度信息进行运算，从而得到内方位框架和内俯仰框架的速度给定值，并以光纤陀螺测量的惯性空间角速度信息作为反馈量对内方位框架和内俯仰框架的速度进行闭环控制，使得内方位框架和内俯仰框架执行相应运动，所述外方位框架跟随内方位框架运动，外俯仰框架跟随内俯仰框架运动，使得外方位框架与内方位框架之间的方位夹角，以及外俯仰框架与内俯仰框架之间的俯仰夹角均保持在设定夹角阈值范围内，外框架为内框架隔离摩擦、风阻等干扰力矩，实现高精度视轴稳定控制。

进一步，所述闭环控制中，根据如下摩擦模型估算轴系摩擦力：

其中，z为摩擦接触面间鬃毛的平均变形，

为stribeck速度，

为鬃毛刚度系数，

为粘性阻尼系数，

为粘性摩擦系数，

为库伦摩擦力，

为最大静摩擦力，

为轴系摩擦力，

为接触面间的相对速度，

为关于变量

的函数，且

、

、

、

为静态参数，

、

为动态参数；

根据上述摩擦模型实时估算轴系摩擦力

，将其前馈到闭环控制回路中对摩擦力进行补偿。

进一步，所述闭环控制中，还设有扩张状态观测器，所述扩张状态观测器根据按如下步骤估算系统扰动量

：

令

，其中

为粘滞摩擦系数，

为转动惯量，

为输出转速，

为负载力矩，

为电机力矩常数，

为电机电流值，

为电流设定值；

建立如下扩张状态观测器方程：

其中

，

为

的一阶导数，

为

的一阶导数，

为

的一阶导数，令

为转速

的估计值，

为系统扰动量

的估计值，

，建立二阶扩张状态观测器方程：

其中

为调参参数，根据上述方程得到系统扰动量

的估计值

，将此估计值

加入到闭环控制电路中对系统扰动进行补偿。

进一步，所述工作模式包括：稳定模式、引导模式、搜索模式和跟踪模式。

较优地，当工作模式为跟踪模式时，所述图像处理模块根据伺服控制器发出的指令锁定目标，再将目标脱靶量信息发送给伺服控制器，所述伺服控制器根据目标脱靶量信息控制转台视轴运动，从而跟踪目标。

较优地，所述摄像装置包含可见光相机和红外相机中的一种或其组合。

较优地，控制系统还包括激光测距机，其对摄像装置所摄目标进行测距。

本发明针对两轴四框架光电转台，对各框架之间进行解耦计算，得出适合不同工作模式的控制系统。而针对轴系摩擦和其他干扰对控制精度的影响，分别加入摩擦模型和扩张状态观测器等策略提高稳定控制精度，扩张状态观测器无需系统模型，参数变量少，便于工程应用中进行调节。

附图说明

图1为一种两轴四框架光电转台控制系统的结构示意图；

图2为两轴四框架光电转台控制系统的控制流程图；

图3为内框架速度控制流程图；

图4为两轴四框架光电转台控制系统的控制框图；

图5为加入摩擦补偿和扩张状态观测器的控制框图；

图6为未加入摩擦补偿和扩张状态观测器的误差曲线图；

图7为加入摩擦补偿和扩张状态观测器的误差曲线图；

图中标记说明：11-方位轴，12-俯仰轴，21-外方位框架，22-外俯仰框架，23-内方位框架，24-内俯仰框架，31-外方位电机，32-外俯仰电机，33-内方位电机，34-内俯仰电机，4-驱动器，51-外方位编码器，52-外俯仰编码器，53-内方位编码器，54-内俯仰编码器，61-方位陀螺，62-俯仰陀螺，71-可见光相机，72-红外相机，73-激光测距机，8-图像处理模块，9-伺服控制器。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

图1示出了一种两轴四框架光电转台控制系统，其包括垂直设置的方位轴11和俯仰轴12、四框架、驱动器4、角位置传感器、光纤陀螺、摄像装置、图像处理模块8、电源模块、激光测距机73以及伺服控制器9。

其中四框架包括由外到内通过方位轴11和俯仰轴12连接的外方位框架21、外俯仰框架22、内方位框架23和内俯仰框架24；

两轴四框架光电转台控制系统还包括与外方位框架21直连并直驱控制外方位框架21的外方位电机31，与外俯仰框架22直连并直驱控制外俯仰框架22的外俯仰电机32，与内方位框架23直连并直驱控制内方位框架23的内方位电机33，以及与内俯仰框架24直连并直驱控制内俯仰框架24的内俯仰电机34。

外方位电机31、外俯仰电机32、内方位电机33和内俯仰电机34均为无刷电机，无刷电机相比直流有刷电机，具有能量密度高、可靠性强、波动小以及摩擦阻力小的优点。

驱动器4用于驱动外方位电机31、外俯仰电机32、内方位电机33和内俯仰电机34工作，以及进行FOC电流环控制，通过FOC电流环控制能够精准控制磁场大小和方向，使得电机转矩平稳、噪声小、效率高，并且具有高速的动态响应。

角位置传感器包括对外方位框架21的角位置进行测量的外方位编码器51，对外俯仰框架22的角位置进行测量的外俯仰编码器52、对内方位框架23的角位置进行测量的内方位编码器53，以及对内俯仰框架24的角位置进行测量的内俯仰编码器54。

光纤陀螺用于测量光电载荷视轴的惯性空间角速度，其包括方位陀螺61和俯仰陀螺62，均安装在内俯仰框架24上，方位陀螺61用于测量光电载荷视轴方位方向的惯性空间角速度，俯仰陀螺62用于测量光电载荷视轴俯仰方向的惯性空间角速度。

通过上述角位置传感器和光纤陀螺所测得的角位置信息和惯性空间角速度信息能够解算出物体的姿态。

摄像装置可以包括可见光相机71和红外相机72中的一种或其组合，本实施中两者皆有，图像处理模块8用于处理可见光相机71和红外相机72获取的图像信息，并将处理数据发送给伺服控制器9，伺服控制器9根据光电转台的不同工作模式发送指令控制图像处理模块8和摄像装置工作。

电源模块（图中未示出）则给外方位电机31、外俯仰电机32、内方位电机33、内俯仰电机34、驱动器4、角位置传感器、光纤陀螺、摄像装置、图像处理模块8和伺服控制器9等部件统一供电。

激光测距机73对摄像装置所摄目标进行测距。

伺服控制器9为DSP+FPGA架构，用于收集并处理角位置传感器测量的角位置信息以及光纤陀螺的惯性空间角速度信息，然后根据光电转台的不同工作模式控制外方位电机31、外俯仰电机32、内方位电机33和内俯仰电机34工作，实现FOC电流环控制，从而保持光电载荷视轴在惯性空间的稳定。

具体地，伺服控制器9收集角位置和惯性空间角速度信息后，根据不同工作模式对角位置和惯性空间角速度信息进行运算，从而得到内方位框架23和内俯仰框架24的速度给定值，并以光纤陀螺测量的惯性空间角速度信息作为反馈量对内方位框架23和内俯仰框架24的速度进行闭环控制，使得内方位框架23和内俯仰框架24执行相应运动，从而抵消载体运动对光电载荷视轴的扰动，外方位框架21跟随内方位框架23运动，外俯仰框架22跟随内俯仰框架24运动，使得外方位框架21与内方位框架23之间的方位夹角，以及外俯仰框架22与内俯仰框架24之间的俯仰夹角均保持在位于设定夹角阈值范围内运动，外框架为内框架隔离摩擦、风阻等干扰力矩，实现高精度视轴稳定控制。。

为了确保视轴在惯性空间的稳定性，上述的设定夹角阈值是一个比较小的值，一般取值不超过0.5°。

在本实施例中工作模式设置有手杆模式、引导模式、搜索模式和跟踪模式。

手杆模式是指通过操纵杆控制视轴在方位和俯仰两个方向运动，运动速度大小和方向由操纵杆给定，此速度为惯性空间角速度，若操纵杆不动作，无论光电转台安装的载体如何运动，视轴相对惯性空间指向不变，因此也称稳定模式。

引导模式是指根据外部指令数据将视轴指向设定的角位置。

搜索模式是指在设定的范围内，控制视轴在方位和俯仰方向按照一定的规律运动，在设定范围内进行扫描，以便捕获目标。

当工作模式为目标跟踪模式时，图像处理模块8根据伺服控制器9发出的指令锁定目标，再将目标脱靶量信息发送给伺服控制器9，伺服控制器9根据目标脱靶量信息控制转台视轴运动指向跟踪目标，使得目标在运动过程中始终保持在视场中心位置。

外方位框架21跟随内方位框架23运动，为了保持内方位框架23位于零位附近，外方位框架21需要克服轴系间的摩擦力，该摩擦力影响低速性能，低速和换向运动时导致滞滑和爬行现象，严重影响内方位框架的稳定控制。本申请通过摩擦模型实时估算轴系摩擦力，利用轴系摩擦力估值对摩擦力进行补偿。

如图2所示，两轴四框架光电转台根据不同工作模式其控制方式选择为速度控制、位置控制和跟踪控制中的一种。速度控制方式操纵杆控制量作为内框架速度设定值；位置控制方式根据位置设定值和外框架位置测量值得到位置误差，经内框架位置控制器计算得到内框架速度设定值；跟踪控制方式根据图像处理模块的脱靶量数据，经跟踪控制器计算得到内框架速度设定值。根据内框架速度设定值经内框架速度环、内框架电流环计算得到内框架电机控制量，驱动内框架电机运动；内框架位置通过正割补偿后作为外框架位置误差，经外框架位置环、速度环、电流环计算得到外框架电机控制量，驱动外框架电机运动，以下以单轴控制进行说明。

内框架控制：

速度控制：内框架（内方位框架23和内俯仰框架24）速度控制框图如图3所示，

为速度设定，

为内框架惯性空间速度，

为内框架所受的干扰力矩，包含载体运动耦合到内框架上的干扰力矩、摩擦力矩等。光纤陀螺测量内框架的惯性角速度作为反馈量，

为陀螺测量噪声。内框架惯性空间速度经光纤陀螺测量后经低通滤波器对其测量噪声进行滤波处理，在速度控制器中实现速度闭环控制，速度控制器输出值经功率放大驱动内框架电机（内方位电机33和内俯仰电机34）运动，从而隔离载体扰动对视轴的影响。

位置控制：内框架始终处于零位附近，外框架（外方位框架21和外俯仰框架22）测量位置为转台指向位置，根据设定值与外框架反馈值作为位置环误差输入，经内框架位置环控制器计算，其输出作为内框架速度环输入，其余同速度控制。

跟踪控制：图像处理模块8对获取的图像进行处理得到目标的脱靶量数据，通过视场角换算得到角度偏差，再经过跟踪控制器计算得到速度环设定值，经速度环控制驱动电机运动，将目标控制在视轴中心，实现对目标的跟踪。

在光电转台的四种控制模式中，手杆模式实为速度控制，引导模式实为位置控制，搜索模式实为多点的位置控制。

外框架控制：

外框架跟随内框架运动，为位置控制方式，内框架相对中心位置偏差作为外框架位置控制误差，经位置控制器、速度控制器得到外框架电机控制量，经驱动器驱动外框架电机实现相应运动。

方位轴11和俯仰轴12控制方式相同，只是外方位框架21跟随内方位框架23运动时由于外方位框架21和内方位框架23存在夹角，控制时需要加入正割补偿处理。

图4示出了两轴四框架光电转台控制系统的控制框图，根据不同工作模式选择控制方式，速度控制方式操纵杆控制量作为内框架速度设定值；位置控制方式根据位置设定值和外框架位置测量值得到位置误差，经内框架位置控制器计算得到内框架速度设定值；跟踪控制方式根据图像处理模块的脱靶量数据，经跟踪控制器计算得到内框架速度设定值。光纤陀螺测量视轴惯性空间角速度，经内框架速度闭环控制得到控制量，经驱动器放大驱动内框架电机运动，隔离外框架及载体扰动对视轴的影响，从而实现视轴的稳定；内框架位置经过正割补偿后作为外框架位置误差，经外框架位置环、速度环计算得到控制量在经过驱动器驱动外框架电机运动；外部扰动作用于外框架，经过框架耦合到内框架。

本申请采用LuGre摩擦模型对轴系摩擦力进行建模估算，模型如下：

其中，z为摩擦接触面间鬃毛的平均变形，

为stribeck速度，

为鬃毛刚度系数，

为粘性阻尼系数，

为粘性摩擦系数，

为库伦摩擦力，

为最大静摩擦力，

为轴系摩擦力，

为接触面间的相对速度，

为关于变量

的函数，且

、

、

、

为静态参数，

、

为动态参数。

根据上述摩擦模型可以实时估算轴系摩擦力

，将估值前馈到闭环控制回路中对摩擦力进行正割补偿。

但控制系统除轴系摩擦力外还存在线缆阻力、不平衡力矩等其他形式的干扰力矩，这些干扰无法通过摩擦模型估计得到，因此本申请还加入扩张状态观测器观测扰动量，以补偿系统中除摩擦力以外的干扰，提高控制精度，此扩张观测器无需知道被控对象的精确模型可估计出系统扰动。

图5示出了加入LuGre摩擦模型和扩张观测器的控制框图，虚线框部分为扩张状态观测器。其中

为速度控制器输出，

为干扰观测器观测的扰动量，

为摩擦模型估算的摩擦力。

由电机力学方程可得：

其中，

为转动惯量，

为输出转速，

为电机力矩常数，

为电机电流值，

为粘滞摩擦系数，

为负载力矩。整理可得：

其中，

为电流设定值，令

，

为扰动量，包括摩擦干扰、负载变化干扰和电流环控制误差引起的扰动，建立状态观测器方程如下：

其中

，

为

的一阶导数，

为

的一阶导数，

为

的一阶导数，令

为转速

的估计值，

为系统扰动量

的估计值，

，建立二阶扩张状态观测器方程：

其中

为唯一的调参参数，便于调参，根据上述方程得到系统扰动量

的估计值

，将此估计值

加入到闭环控制电路中对系统扰动进行补偿。

图6为未加入LuGre摩擦模型和扩张状态观测器系统稳定误差曲线，经计算其误差均方根为110.8urad，图7为加入LuGre摩擦模型和扩张状态观测器后系统稳定误差曲线，经计算误差均方根为45.1urad，可以看出本申请引入摩擦模型和扩张状态观测器后，稳定精度得到了大大提高。

以上对本发明提供的一种两轴四框架光电转台控制系统进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种两轴四框架光电转台控制系统，其特征在于，包括方位轴、俯仰轴、四框架、驱动器、角位置传感器、光纤陀螺、摄像装置、图像处理模块、电源模块和伺服控制器；

所述方位轴和俯仰轴垂直设置；

所述四框架包括由外到内通过方位轴和俯仰轴连接的外方位框架、外俯仰框架、内方位框架和内俯仰框架；

分别与外方位框架、外俯仰框架、内方位框架和内俯仰框架对应直连并对所述外方位框架、外俯仰框架、内方位框架和内俯仰框架对应直驱控制的外方位电机、外俯仰电机、内方位电机和内俯仰电机；

所述驱动器用于驱动外方位电机、外俯仰电机、内方位电机和内俯仰电机工作；

所述角位置传感器包括分别对外方位框架、外俯仰框架、内方位框架和内俯仰框架的角位置进行测量的外方位编码器、外俯仰编码器、内方位编码器和内俯仰编码器；

所述光纤陀螺用于测量光电载荷视轴的惯性空间角速度；

所述图像处理模块用于处理摄像装置获取的图像信息，并将处理数据发送给伺服控制器，伺服控制器根据光电转台的不同工作模式发送指令控制图像处理模块和摄像装置；

所述电源模块用于对外方位电机、外俯仰电机、内方位电机、内俯仰电机、驱动器、角位置传感器、光纤陀螺、摄像装置、图像处理模块和伺服控制器统一供电；

所述伺服控制器还收集并处理外方位框架、外俯仰框架、内方位框架和内俯仰框架的角位置信息以及光纤陀螺的惯性空间角速度信息，然后根据光电转台的不同工作模式控制外方位电机、外俯仰电机、内方位电机和内俯仰电机工作，从而保持光电载荷视轴在惯性空间的稳定。

2.根据权利要求1所述的一种两轴四框架光电转台控制系统，其特征在于，所述外方位电机、外俯仰电机、内方位电机和内俯仰电机均为无刷电机。

3.根据权利要求1所述的一种两轴四框架光电转台控制系统，其特征在于，所述光纤陀螺包括方位陀螺和俯仰陀螺，其均安装在内俯仰框架上，所述方位陀螺用于测量光电载荷视轴方位方向的惯性空间角速度，所述俯仰陀螺用于测量光电载荷视轴俯仰方向的惯性空间角速度。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种两轴四框架光电转台控制系统，其特征在于，所述伺服控制器收集角位置和惯性空间角速度信息后，根据不同工作模式对角位置和惯性空间角速度信息进行运算，从而得到内方位框架和内俯仰框架的速度给定值，并以光纤陀螺测量的惯性空间角速度信息作为反馈量对内方位框架和内俯仰框架的速度进行闭环控制，使得内方位框架和内俯仰框架执行相应运动，所述外方位框架跟随内方位框架运动，外俯仰框架跟随内俯仰框架运动，使得外方位框架与内方位框架之间的方位夹角，以及外俯仰框架与内俯仰框架之间的俯仰夹角均保持在设定夹角阈值范围内，实现高精度视轴稳定控制。

5.根据权利要求4所述的一种两轴四框架光电转台控制系统，其特征在于，所述闭环控制中，根据如下摩擦模型估算轴系摩擦力：

其中，z为摩擦接触面间鬃毛的平均变形，

为stribeck速度，

为鬃毛刚度系数，

为粘性阻尼系数，

为粘性摩擦系数，

为库伦摩擦力，

为最大静摩擦力，

为轴系摩擦力，

为接触面间的相对速度，

为关于变量

的函数，且

、

、

、

为静态参数，

、

为动态参数；

根据上述摩擦模型实时估算轴系摩擦力

，将其前馈到闭环控制回路中对摩擦力进行补偿。

6.根据权利要求5所述的一种两轴四框架光电转台控制系统，其特征在于，所述闭环控制中，还设有扩张状态观测器，所述扩张状态观测器根据按如下步骤估算系统扰动量

：

令

，其中

为粘滞摩擦系数，

为转动惯量，

为输出转速，

为负载力矩，

为电机力矩常数，

为电机电流值，

为电流设定值；

建立如下扩张状态观测器方程：

其中

，

为

的一阶导数，

为

的一阶导数，

为

的一阶导数，令

为转速

的估计值，

为系统扰动量

的估计值，

，建立二阶扩张状态观测器方程：

其中

为调参参数，根据上述方程得到系统扰动量

的估计值

，将此估计值

加入到闭环控制电路中对系统扰动进行补偿。

7.根据权利要求1-3任一项所述的一种两轴四框架光电转台控制系统，其特征在于，所述工作模式包括：稳定模式、引导模式、搜索模式和跟踪模式。

8.根据权利要求7所述的一种两轴四框架光电转台控制系统，其特征在于：

当工作模式为跟踪模式时，所述图像处理模块根据伺服控制器发出的指令锁定目标，再将目标脱靶量信息发送给伺服控制器，所述伺服控制器根据目标脱靶量信息控制转台视轴运动，从而跟踪目标。

9.根据权利要求1所述的一种两轴四框架光电转台控制系统，其特征在于，所述摄像装置包含可见光相机和红外相机中的一种或其组合。

10.根据权利要求1所述的一种两轴四框架光电转台控制系统，其特征在于，还包括：激光测距机，其对摄像装置所摄目标进行测距。

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