一種采用自抗擾控制技術(shù)的船載攝像穩(wěn)定平臺控制方法
【專利摘要】一種基于自抗擾控制技術(shù)的船載攝像穩(wěn)定平臺控制方法。包括以下步驟：1)建立船載攝像穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)的離散時(shí)間狀態(tài)空間模型；2)設(shè)計(jì)跟蹤微分器，使攝像穩(wěn)定平臺的轉(zhuǎn)動角度盡可能快而無超調(diào)地跟蹤上參考角度；3)設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，估計(jì)出攝像穩(wěn)定平臺的轉(zhuǎn)動角度、轉(zhuǎn)動角速度、轉(zhuǎn)動角加速度以及總和擾動；4)根據(jù)跟蹤微分器和擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的輸出獲得角度、角速度、角加速度的跟蹤誤差，進(jìn)而根據(jù)這些誤差信息設(shè)計(jì)非線性控制律和擾動補(bǔ)償策略。本發(fā)明不僅能保證攝像穩(wěn)定平臺的跟蹤精度和跟蹤的快速性，又具有強(qiáng)抗干擾能力。
【專利說明】一種采用自抗擾控制技術(shù)的船載攝像穩(wěn)定平臺控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明應(yīng)用于攝像穩(wěn)定平臺控制領(lǐng)域，涉及一種適用于船載攝像的基于自抗擾控 制技術(shù)的穩(wěn)定平臺實(shí)時(shí)控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 攝像穩(wěn)定平臺集電機(jī)運(yùn)動控制、數(shù)據(jù)采集、信號處理、慣性導(dǎo)航和圖像處理等多項(xiàng) 技術(shù)于一身，是以機(jī)電一體化、目標(biāo)識別自動控制技術(shù)為主體、多個(gè)學(xué)科相結(jié)合的產(chǎn)物，它 廣泛應(yīng)用于某些艦船、飛行器、車輛等運(yùn)動載體上。
[0003] 船舶在水上航行時(shí)，受風(fēng)浪的影響會出現(xiàn)晃動現(xiàn)象。船舶上的攝像機(jī)受到船舶晃 動的影響而不穩(wěn)定，導(dǎo)致被攝像目標(biāo)丟失。為了克服船舶搖擺對船載攝像機(jī)的影響，攝像機(jī) 必須架設(shè)在穩(wěn)定平臺上。通過控制穩(wěn)定平臺的方位、俯仰和滾轉(zhuǎn)等驅(qū)動系統(tǒng)對船舶的晃動 進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到隔離船體擾動的目的，保證穩(wěn)定平臺一直處于預(yù)期的位置狀態(tài)，從而使攝像 機(jī)準(zhǔn)確地保持對海、空目標(biāo)的跟蹤與定位。
[0004] 攝像穩(wěn)定平臺按照有無動力源可分為無源平臺和有源平臺。無源平臺利用重力擺 原理直接隔離船舶的運(yùn)動但是響應(yīng)速度慢。有源平臺利用慣性器件檢測船舶的晃動，通過 伺服控制系統(tǒng)隔離船舶的晃動影響。評價(jià)攝像穩(wěn)定平臺控制性能的指標(biāo)有平臺轉(zhuǎn)動角度、 平臺轉(zhuǎn)動角速度、目標(biāo)跟蹤精度、目標(biāo)跟蹤時(shí)間和平臺抗干擾能力等。平臺轉(zhuǎn)動角度和角速 度主要依靠平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化達(dá)到要求，而提高系統(tǒng)的動靜態(tài)響應(yīng)性能，增強(qiáng)系統(tǒng)抗 干擾的能力主要依靠伺服系統(tǒng)的控制算法設(shè)計(jì)?，F(xiàn)有的穩(wěn)定平臺控制方法包括經(jīng)典的PID 控制、變結(jié)構(gòu)控制以及模糊控制。其中，傳統(tǒng)PID控制使用方便且有較好的抗干擾能力，但 是無法同時(shí)達(dá)到滿意的目標(biāo)跟蹤時(shí)間和目標(biāo)跟蹤精度；變結(jié)構(gòu)控制對平臺的干擾有自適應(yīng) 性，但它的缺點(diǎn)是滑動運(yùn)動的同時(shí)伴隨著高頻抖振，這將對系統(tǒng)的性能造成很大影響；模糊 控制設(shè)計(jì)尚缺乏系統(tǒng)性，對復(fù)雜系統(tǒng)控制難以奏效，而且其平臺跟蹤精度和模糊決策的速 度存在矛盾。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有的船載攝像技術(shù)的不能兼顧跟蹤精度和跟蹤快速性、抗干擾能力較 差的不足，本發(fā)明提供了一種基于自抗擾控制技術(shù)的船載攝像穩(wěn)定平臺控制方法，在保證 穩(wěn)定平臺的跟蹤精度和跟蹤快速性的同時(shí)，又具有很強(qiáng)的抗干擾能力。
[0006] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] -種采用自抗擾控制技術(shù)的船載攝像穩(wěn)定平臺控制方法，所述方法包括如下步 驟：
[0008] 步驟1)、通過分析方位、俯仰和橫滾三個(gè)方向子系統(tǒng)的組成，建立船載攝像穩(wěn)定平 臺控制系統(tǒng)模型，串聯(lián)后所得的攝像穩(wěn)定平臺各方向子系統(tǒng)的三階傳遞函數(shù)模型是：
[0009]

【權(quán)利要求】
1. 一種采用自抗擾控制技術(shù)的船載攝像穩(wěn)定平臺控制方法，其特征在于：所述方法包 括如下步驟： 步驟1)、通過分析方位、俯仰和橫滾三個(gè)方向子系統(tǒng)的組成，建立船載攝像穩(wěn)定平臺控 制系統(tǒng)模型，串聯(lián)后所得的攝像穩(wěn)定平臺各方向子系統(tǒng)的三階傳遞函數(shù)模型是：
其中，
R為電樞回路總電阻，L為電樞回路的電感，(； 為電動勢系數(shù)，Cm為電機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，J為電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，Ka為功放的傳遞函 數(shù)，i是傳動機(jī)構(gòu)的減速比，9 (S)為電機(jī)轉(zhuǎn)角的拉氏變換，U(S)為導(dǎo)通電壓的拉氏變換； 將傳遞函數(shù)樽型（1)轉(zhuǎn)換為如下狀杰空間樽型：
其中，Xl(t)為攝像穩(wěn)定平臺的轉(zhuǎn)角，x2(t)為攝像穩(wěn)定平臺的轉(zhuǎn)動角速度，x3(t)為攝 像穩(wěn)定平臺的轉(zhuǎn)動角加速度，u(t)為控制量，即導(dǎo)通電壓； 將狀態(tài)空間模型（2)以采樣周期T離散化得到如下離散化的狀態(tài)空間模型：
步驟2)、為參考角度安排過渡過程并設(shè)計(jì)跟蹤微分器，使攝像穩(wěn)定平臺轉(zhuǎn)動角度盡可 能快而無超調(diào)地跟蹤上參考角度；參考角度的過渡過程信號及其微分跟蹤器按如下方程給 出：
其中，V1GO是對攝像穩(wěn)定平臺的轉(zhuǎn)動參考角度安排的過渡過程信號，v2(k)和％〇〇分 別是此過渡過程信號的近似一階微分信號和近似二階微分信號，fs為快速綜合函數(shù)；r為 快速跟蹤因子，與過渡過程達(dá)到穩(wěn)態(tài)值想要的時(shí)間成反比，且受系統(tǒng)承受能力制約；h為積 分步長； 步驟3)、設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，獲得攝像穩(wěn)定平臺的轉(zhuǎn)角、角速度、角加速度以及總和 擾動量的估計(jì)值； 對于如式（3)所示的攝像穩(wěn)定平臺離散時(shí)間系統(tǒng)模型，令x4(k) =I1X2(k)-a2x3(k)作 為擴(kuò)張出的新的狀態(tài)變量，并記
那么狀態(tài)擴(kuò)張后的攝像穩(wěn)定 平臺離散時(shí)間系統(tǒng)模型是：
系統(tǒng)模型（5)的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器是：
其中，e(k)是攝像穩(wěn)定平臺轉(zhuǎn)動角度估計(jì)值與實(shí)際轉(zhuǎn)動角度的差，Z1GO是攝像穩(wěn)定平 臺實(shí)際轉(zhuǎn)動角度X1GO的估計(jì)值，z2(k)是攝像穩(wěn)定平臺轉(zhuǎn)動角速度x2(k)的估計(jì)值，z3(k) 是攝像穩(wěn)定平臺轉(zhuǎn)動角加速度x3(k)的估計(jì)值，z4(k)是擴(kuò)張狀態(tài)變量x4(k)即系統(tǒng)總和擾 動的估計(jì)值，k是對狀態(tài)空間模型（2)中b的估計(jì)值。h是積分步長，fal(e(k)，CIi,S)是 一非線性函數(shù)，具體表達(dá)式如下：
其中，CiiS冪指數(shù)，在擴(kuò)張狀態(tài)觀測器中一般取
S為線性段的區(qū)間長度， sign()為符號函數(shù)，并具有如下形式：
30i(i= 1，K，4)、5為一組待整定參數(shù)； 步驟4)、根據(jù)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和跟蹤微分器的輸出獲得攝像穩(wěn)定平臺的轉(zhuǎn)角、角速度、 角加速度的跟蹤誤差，將這些誤差信號通過非線性組合獲得誤差反饋控制律； 根據(jù)步驟3)中的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和步驟2)中的跟蹤微分器的輸出得到如下誤差信 號：
其中，ejk)是攝像穩(wěn)定平臺的轉(zhuǎn)角跟蹤誤差，e2(k)是攝像穩(wěn)定平臺的角速度 跟蹤誤差，e3(k)是攝像穩(wěn)定平臺的角加速度跟蹤誤差，這些誤差量經(jīng)過非線性組合
得到誤差反饋控制律Utl，其中1和Cii是待整定的參數(shù)， 為各誤差的反饋增益，參考ro控制增益進(jìn)行調(diào)節(jié)；將由步驟3)獲得的總和擾動的估計(jì)值 Z4GO通過形如
的補(bǔ)償過程得到最終的控制量u(k)，那么如式（5) 所示的攝像穩(wěn)定平臺離散狀態(tài)空間模型轉(zhuǎn)化為：
攝像穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)的總和擾動被補(bǔ)償消除，成為不含擾動項(xiàng)的積分串聯(lián)型系統(tǒng)。
【文檔編號】G05D3/12GK104267743SQ201410351761
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月22日
【發(fā)明者】張文安, 馬劍, 董輝, 賴宏煥, 劉凱 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)