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1、(10)申请公布号 CN 103175530 A (43)申请公布日 2013.06.26 CN 103175530 A *CN103175530A* (21)申请号 201310068184.0 (22)申请日 2013.03.04 G01C 21/18(2006.01) G01C 25/00(2006.01) (71)申请人 北京航空航天大学 地址 100191 北京市海淀区学院路 37 号 (72)发明人 周向阳 张宏燕 李建平 房建成 (74)专利代理机构 北京科迪生专利代理有限责 任公司 11251 代理人 成金玉 卢纪 (54) 发明名称 一种航空遥感惯性稳定平台耦合力矩估计与 补。
2、偿方法 (57) 摘要 一种航空遥感惯性稳定平台耦合力矩估计与 补偿方法， 通过建立三轴惯性稳定平台动力学模 型， 根据POS、 横滚/俯仰陀螺、 方位码盘实时测出 的信息， 估算出基座及框架间耦合力矩， 然后计算 出抵消此耦合力矩所需的力矩电机电流值， 并将 此电流值补偿到电流环的电流给定输入值中， 使 电机输出与耦合力矩大小相等、 方向相反的力矩， 补偿平台耦合力矩干扰， 提高平台稳定精度。 本发 明实现了耦合力矩的实时估算与补偿， 提高了稳 定精度， 适用于具有基座及框架间耦合力矩的航 空遥感惯性稳定平台。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 3 页 (19。
3、)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103175530 A CN 103175530 A *CN103175530A* 1/2 页 2 1. 一种航空遥感惯性稳定平台耦合力矩估计与补偿方法， 其特征在于 : 基于建立的三 轴动力学方程， 根据 POS、 陀螺、 码盘测量值估算耦合力矩值， 进一步计算补偿电流值， 具体 包括以下步骤 ： （1） 针对航空遥感三轴惯性稳定平台建立动基座下简化动力学模型， 如下 ： 方位框绕方位轴的动力学方程为 ： 俯仰框组件绕俯仰轴的动力学方程简化为 ： 横滚框组件绕横滚轴方向动力学。
4、方程简化为 ： 其中定义 ： Jax、 Jay、 Jaz分别为方位框架在 x、 y、 z 轴的转动惯量 ； Jfx、 Jfy、 Jfz分别为俯 仰框架在 x、 y、 z 轴的转动惯量 ； Jrx、 Jry、 Jrz分别为横滚框架在 x、 y、 z 轴的转动惯量 ； 为基座相对惯性空间的角速度在基座坐标系的表达， 其在 x、 y、 z 轴上的投影分别记为 为俯仰框架相对惯性空间的角速度在俯仰框坐标系的表达， 其在 x、 y、 z 轴上的投影分别记为为俯仰框架相对惯性空间的角加速度在俯仰 框坐标系的表达在 z 轴的投影 ； a为方位框架相对俯仰框架转角， 为方位框架相对俯仰 框架转角角速度 ； 为。
5、方位框架相对俯仰框架转角角加速度 ； Mx为俯仰框组件沿 x 轴受到 的综合力矩， My为横滚框组件沿 y 轴受到的综合力矩， Mz为方位框架沿 z 轴受到的综合力 矩 ； （2） 利用安装于基座的 POS 测量和利用安装于俯仰框架的横滚和俯仰陀螺测 量和利用安装于方位框架的码盘测量 a， 间接计算 （3） 根据步骤 （2） 中直接测量值或间接计算值a和计算横 滚框耦合力矩值 Mcouple_y和俯仰框耦合力矩值 Mcouple_x； （4） 根据步骤 （3） 中计算得到的横滚框耦合力矩值 Mcouple_y和俯仰框耦合力矩值 Mcouple_ x， 进一步计算出抵消横滚框耦合力矩 Mcoup。
6、le_y所需的力矩电机电流值 Icom_y， 抵消俯仰框耦合 力矩Mcouple_x所需的力矩电机电流值Icom_x， 并将计算出的电流值补偿到电流环的电流给定输 入值中， 电机输出与耦合力矩大小相等、 方向相反的力矩， 补偿惯性平台耦合干扰力矩。 2. 根据权利要求 1 所述的一种航空遥感惯性稳定平台耦合力矩估计与补偿方法， 其特 征在于 ： 所述步骤 （3） 中根据步骤 （2） 中直接测量值或间接计算值计算俯仰框耦合力矩值 Mcouple_x、 横滚框耦合力矩值 Mcouple_y， 具体如下 ： 权 利 要 求 书 CN 103175530 A 2 2/2 页 3 3. 根据权利要求 1。
7、 所述的一种航空遥感惯性稳定平台耦合力矩估计与补偿方法， 其特 征在于 ： 所述步骤 （4） 中抵消耦合力矩所需的力矩电机电流值步骤如下 ： （1） 根据估算的耦合力矩值计算出抵消此耦合力矩所需的力矩电机电流值， 如下 ： 抵消俯仰框耦合力矩 Mcouple_x所需的力矩电机电流值其中 Kt_x为俯 仰电机力矩系数， 从电机说明书中得到 ； 抵消横滚框耦合力矩Mcouple_y所需的力矩电机电流值其中Kt_y为横 滚电机力矩系数， 从电机说明书中得到 ； （2） 将步骤 （1） 中电流值 Icom_x、 Icom_y分别前馈补偿到俯仰、 横滚控制系统电流环的电流 给定输入值中， 电机输出与耦合。
8、力矩大小相等、 方向相反的力矩， 补偿平台耦合干扰力矩。 权 利 要 求 书 CN 103175530 A 3 1/5 页 4 一种航空遥感惯性稳定平台耦合力矩估计与补偿方法 技术领域 0001 本发明涉及一种航空遥感惯性稳定平台耦合力矩估计与补偿方法， 可用于各种 中、 高精度的航空遥感用惯性稳定平台载体及框架间耦合力矩的补偿， 特别适用于具有较 大和较高频率姿态角运动的飞行平台。 背景技术 0002 航空遥感系统在机动性、 实时性、 可重复观测性、 遥感设备可更换性、 获取高分辨 率遥感数据能力、 经济成本以及立体观测等很多方面， 都具独特的优势。因此， 在西方发达 国家， 用于城市规划和。
9、基本地图测绘大约 65% 以上的高分辨率空间数据是依靠航空遥感系 统来保证的。高分辨率对地观测是航空遥感系统发展的重要方向， 但是由于大气紊流和载 机自身因素的影响， 载机机体无法保持平稳， 造成安装在载机上的成像载荷视轴摇晃， 成像 质量下降。惯性稳定平台组成的高分辨率航空遥感平台是解决这个问题的有效措施。惯性 稳定平台用于隔离载机的角运动， 跟踪当地地理水平， 消除干扰力矩对成像载荷的影响， 使 成像载荷稳定成像。稳定精度是惯性稳定平台的主要技术指标之一， 反映了稳定平台对干 扰力矩的抑制能力。 0003 惯性稳定平台通常采用三轴框架结构， 隔离的主要扰动是飞机的姿态角度变化， 由外到内依。
10、次为飞机的横滚、 俯仰和方位角， 最终实现安装在最内框架 （方位框） 上相机视 轴的对地垂直稳定和对航迹的跟踪稳定。 三轴惯性稳定平台框架运动角速度和角加速度较 大时， 各框架之间的动力学耦合就比较严重， 若不采取有效的解耦补偿措施将很难保证系 统的精度和动态跟踪性能， 严重时还会影响到系统的稳定性。而通常采用的 PID 控制方法 由于没有考虑耦合因素导致精度下降。 因此， 在进行稳定平台控制系统设计时， 必须针对三 个框架之间动力学耦合问题采用有效的解耦控制方法， 提高稳定平台的控制精度和动态性 能。 发明内容 0004 本发明需要解决的技术问题是 ： 克服常规反馈控制对载体及框架间耦合力矩。
11、抑制 能力不足的缺陷， 提供一种航空遥感惯性稳定平台耦合力矩估计与补偿方法， 用以提高系 统稳定精度。 0005 本发明的技术解决方案是 ： 一种航空遥感惯性稳定平台耦合力矩估计与补偿方 法， 基于建立的三轴动力学方程， 根据 POS、 陀螺、 码盘测量值估算耦合力矩值， 进一步计算 补偿电流值， 具体包括以下步骤 ： 0006 （1） 针对航空遥感三轴惯性稳定平台建立动基座下简化动力学模型， 如下 ： 0007 方位框绕方位轴的动力学方程为 ： 0008 0009 俯仰框组件绕俯仰轴的动力学方程简化为 ： 说 明 书 CN 103175530 A 4 2/5 页 5 0010 0011 横滚。
12、框组件绕横滚轴方向动力学方程简化为 ： 0012 0013 0014 其中定义 ： Jax、 Jay、 Jaz分别为方位框架在 x、 y、 z 轴的转动惯量 ； Jfx、 Jfy、 Jfz分别 为俯仰框架在 x、 y、 z 轴的转动惯量 ； Jrx、 Jry、 Jrz分别为横滚框架在 x、 y、 z 轴的转动惯量 ； 为基座相对惯性空间的角速度在基座坐标系的表达， 其在 x、 y、 z 轴上的投影分别记为 为俯仰框架相对惯性空间的角速度在俯仰框坐标系的表达， 其在 x、 y、 z 轴上的投影分别记为为俯仰框架相对惯性空间的角加速度在俯 仰框坐标系的表达在 z 轴的投影 ； a为方位框架相对俯仰。
13、框架转角， 为方位框架相对俯 仰框架转角角速度 ； 为方位框架相对俯仰框架转角角加速度 ； Mx为俯仰框组件沿 x 轴受 到的综合力矩， My为横滚框组件沿 y 轴受到的综合力矩， Mz为方位框架沿 z 轴受到的综合 力矩 ； 0015 （2） 利用安装于基座的 POS 测量和利用安装于俯仰框架的横滚和俯仰陀 螺测量和利用安装于方位框架的码盘测量 a， 间接计算 0016 （3） 根据步骤 （2） 中直接测量值或间接计算值a和计 算横滚框耦合力矩值 Mcouple_y和俯仰框耦合力矩值 Mcouple_x； 0017 （4） 根据步骤 （3） 中计算得到的横滚框耦合力矩值 Mcouple_y和。
14、俯仰框耦合力矩值 Mcouple_x， 进一步计算出抵消横滚框耦合力矩 Mcouple_y所需的力矩电机电流值 Icom_y， 抵消俯仰 框耦合力矩Mcouple_x所需的力矩电机电流值Icom_x， 并将计算出的电流值补偿到电流环的电流 给定输入值中， 电机输出与耦合力矩大小相等、 方向相反的力矩， 补偿惯性平台耦合干扰力 矩。 0018 所述步骤 （3） 中根据步骤 （2） 中直接测量值或间接计算值计算俯仰框耦合力矩值 Mcouple_x、 横滚框耦合力矩值 Mcouple_y， 具体如下 ： 0019 0020 0021 所述步骤 （4） 中抵消耦合力矩所需的力矩电机电流值步骤如下 ： 。
15、0022 （41） 根据估算的耦合力矩值计算出抵消此耦合力矩所需的力矩电机电流值， 如 下 ： 0023 抵消俯仰框耦合力矩 Mcouple_x所需的力矩电机电流值其中 Kt_x 为俯仰电机力矩系数， 从电机说明书中得到 ； 说 明 书 CN 103175530 A 5 3/5 页 6 0024 抵消横滚框耦合力矩 Mcouple_y所需的力矩电机电流值其中 Kt_y 为横滚电机力矩系数， 从电机说明书中得到 ； 0025 （42） 将步骤 （41） 中电流值 Icom_x、 Icom_y分别前馈补偿到俯仰、 横滚控制系统电流环 的电流给定输入值中， 电机输出与耦合力矩大小相等、 方向相反的力。
16、矩， 补偿平台耦合干扰 力矩。 0026 本发明的原理是 ： 针对航空遥感三轴惯性稳定平台建立动基座下简化动力学模 型， 方位框、 俯仰框、 横滚框所受综合外力矩分别用 Mz、 Mf、 Mr表示 ； 0027 由动力学方程得出方位框不受耦合力矩影响， 只需针对横滚、 俯仰框架进行耦合 力矩补偿。利用安装于基座的 POS 测量利用安装于俯仰框架的横滚、 俯仰陀螺 测量利用安装于方位框架的码盘测量 a， 间接计算根据以上直接测量值或 间接计算值计算横滚框耦合力矩值 Mcouple_y、 俯仰框耦合力矩值 Mcouple_x； 进一步计算出抵消 横滚框耦合力矩 Mcouple_y所需的力矩电机电流值。
17、 Icom_y， 抵消俯仰框耦合力矩 Mcouple_x所需的 力矩电机电流值 Icom_x， 并将计算出的电流值补偿到电流环的电流给定输入值中， 电机输出 与耦合力矩大小相等、 方向相反的力矩， 补偿平台耦合干扰力矩 ； 0028 本发明与现有技术相比的优点在于 ： 0029 （1） 本发明由于对基座与框架间耦合力矩实时估计和补偿， 克服了 PID 控制的不 足， 使得平台稳定精度提高 ； 0030 （2） 本发明的补偿原理明晰， 补偿算法简洁， 易于在 DSP 中编程实现 ； 0031 （3） 本发明利用惯性传感器测量值作为补偿参数， 相比软件设计状态观测器控制 方法更直观和容易实现。 附。
18、图说明 0032 图 1 为本发明中的解耦控制方法流程图 ； 0033 图 2 为本发明中的航空遥感三轴惯性稳定平台工作原理图 ； 0034 图 3 为本发明中的解耦控制方法原理图 ； 0035 图 4 为本发明中的建立三轴惯性稳定平台坐标系示意图。 具体实施方式 0036 如图 1 和图 3 所示， 本发明的具体实施方法如下 ： 0037 （1） 建立动基座下简化动力学模型步骤如下 ： 0038 （11） 基于刚体动力学特性和空间矢量叠加原理， 建立三轴惯性稳定平台坐标系 ： 基座坐标系、 横滚框坐标系、 俯仰框坐标系、 方位框坐标系 ； 如图 4 所示， 其中基座坐标系 Oxbybzb： 。
19、xb、 yb、 zb分别指向飞行载体的右、 前、 上 ； 横滚框坐标系 Oxryrzr： 横滚轴 yr与 yb同 向， Oxryrzr相对 Oxbybzb系绕 yb轴旋转， 产生横滚角 r； 俯仰框坐标系 Oxfyfzf： 俯仰轴 xf与 xr同向， Oxfyfzf相对 Oxryrzr系绕 xr轴旋转， 产生俯仰角 f； 方位框坐标系 Oxayaza： 方位轴 za与 zf同向， Oxayaza相对 Oxfyfzf系绕 zf轴旋转， 产生方位角 a。并定义分 说 明 书 CN 103175530 A 6 4/5 页 7 别为基座到横滚框、 横滚框到俯仰框、 俯仰框到方位框的方向余弦矩阵， 根据。
20、坐标系关系， 令转角 r、 f、 a逆时针为正， 可推导出各矩阵如下 ： 0039 0040 （12） 定义为基座相对惯性空间的角速度在 Oxbybzb系的表示， 其在 x、 y、 z 轴 上的投影分别记为为横滚框架相对惯性空间的角速度在 Oxryrzr系 的表示， 其在 x、 y、 z 轴上的投影分别记为为俯仰框架相对惯性空间 的角速度在 Oxfyfzf系的表示， 其在 x、 y、 z 轴上的投影分别记为为 方位框架相对惯性空间的角速度在 Oxayaza系的表示， 其在 x、 y、 z 轴上的投影分别记为 为俯仰框架相对横滚框架转角角速度、 为横滚框架相对基座转角角 速度、 为方位框架相对俯。
21、仰框架转角角速度。建立三轴角速度关系方程， 如下 ： 0041 横滚框架相对惯性空间的角速度在横滚框坐标系的投影为 ： 0042 0043 俯仰框架相对惯性空间的角速度在俯仰框坐标系的投影为 ： 0044 0045 方位框相对惯性空间的角速度在方位框坐标系的投影为 ： 0046 0047 0048 （13） 定义 Jax、 Jay、 Jaz分别为方位框架在 x、 y、 z 轴的转动惯量 ； Jfx、 Jfy、 Jfz分别为 俯仰框架在 x、 y、 z 轴的转动惯量 ； Jrx、 Jry、 Jrz分别为横滚框架在 x、 y、 z 轴的转动惯量 ； 利 用 Newton-Euler 动力学方程及矢。
22、量叠加原理， 推导平台动力学方程， 如下 ： 0049 方位框绕方位轴的动力学方程 ： 0050 0051 俯仰框组件绕俯仰轴的动力学方程为 ： 说 明 书 CN 103175530 A 7 5/5 页 8 0052 0053 横滚框组件绕横滚轴的动力学方程为 : 0054 0055 0056 0057 （14） 实际惯性稳定平台横滚转角 8、 俯仰转角 8， 因此对系统动力学 方程进行小角度线性化处理， 获得简化动力学方程， 如下 ： 0058 俯仰框组件绕俯仰轴的动力学方程简化为 ： 0059 0060 横滚框组件绕横滚轴方向动力学方程可简化为 ： 0061 0062 0063 （2） P。
23、OS、 横滚 / 俯仰陀螺、 方位码盘等传感器信息获取步骤如下 ： 0064 （21） 安装于基座的 POS 测量 0065 （22） 安装于俯仰框架的横滚、 俯仰陀螺测量 0066 （23） 安装于方位框架的码盘测量 a， 间接计算 0067 （3） 根据以上直接测量值或间接计算值计算俯仰框耦合力矩值 Mcouple_x、 横滚框耦 合力矩值 Mcouple_y如下 ： 0068 0069 0070 （4） 抵消 （3） 中耦合力矩所需的力矩电机电流值步骤如下 ： 0071 （41） 根据估算的耦合力矩值计算出抵消此耦合力矩所需的力矩电机电流值， 如 下 ： 0072 抵消俯仰框耦合力矩 M。
24、couple_x所需的力矩电机电流值其中 Kt_x 为俯仰电机力矩系数， 可从电机说明书中得到 ； 0073 抵消横滚框耦合力矩 Mcouple_y所需的力矩电机电流值其中 Kt_y 为横滚电机力矩系数， 可从电机说明书中得到 ； 0074 （42） 并将 （41） 中电流值 Icom_x、 Icom_y分别前馈补偿到俯仰、 横滚控制系统电流环的 电流给定输入值中， 电机输出与耦合力矩大小相等、 方向相反的力矩， 补偿平台耦合干扰力 矩。 0075 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。 说 明 书 CN 103175530 A 8 1/3 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 103175530 A 9 2/3 页 10 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103175530 A 10 3/3 页 11 图 4 说 明 书 附 图 CN 103175530 A 11 。