一種采用自抗擾控制技術的船載攝像穩定平臺控制方法
【專利摘要】一種基于自抗擾控制技術的船載攝像穩定平臺控制方法。包括以下步驟：1)建立船載攝像穩定平臺控制系統的離散時間狀態空間模型；2)設計跟蹤微分器，使攝像穩定平臺的轉動角度盡可能快而無超調地跟蹤上參考角度；3)設計擴張狀態觀測器，估計出攝像穩定平臺的轉動角度、轉動角速度、轉動角加速度以及總和擾動；4)根據跟蹤微分器和擴張狀態觀測器的輸出獲得角度、角速度、角加速度的跟蹤誤差，進而根據這些誤差信息設計非線性控制律和擾動補償策略。本發明不僅能保證攝像穩定平臺的跟蹤精度和跟蹤的快速性，又具有強抗干擾能力。
【專利說明】一種采用自抗擾控制技術的船載攝像穩定平臺控制方法

【技術領域】
[0001] 本發明應用于攝像穩定平臺控制領域，涉及一種適用于船載攝像的基于自抗擾控 制技術的穩定平臺實時控制方法。

【背景技術】
[0002] 攝像穩定平臺集電機運動控制、數據采集、信號處理、慣性導航和圖像處理等多項 技術于一身，是以機電一體化、目標識別自動控制技術為主體、多個學科相結合的產物，它 廣泛應用于某些艦船、飛行器、車輛等運動載體上。
[0003] 船舶在水上航行時，受風浪的影響會出現晃動現象。船舶上的攝像機受到船舶晃 動的影響而不穩定，導致被攝像目標丟失。為了克服船舶搖擺對船載攝像機的影響，攝像機 必須架設在穩定平臺上。通過控制穩定平臺的方位、俯仰和滾轉等驅動系統對船舶的晃動 進行補償，達到隔離船體擾動的目的，保證穩定平臺一直處于預期的位置狀態，從而使攝像 機準確地保持對海、空目標的跟蹤與定位。
[0004] 攝像穩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動但是響應速度慢。有源平臺利用慣性器件檢測船舶的晃動，通過 伺服控制系統隔離船舶的晃動影響。評價攝像穩定平臺控制性能的指標有平臺轉動角度、 平臺轉動角速度、目標跟蹤精度、目標跟蹤時間和平臺抗干擾能力等。平臺轉動角度和角速 度主要依靠平臺的結構設計和優化達到要求，而提高系統的動靜態響應性能，增強系統抗 干擾的能力主要依靠伺服系統的控制算法設計。現有的穩定平臺控制方法包括經典的PID 控制、變結構控制以及模糊控制。其中，傳統PID控制使用方便且有較好的抗干擾能力，但 是無法同時達到滿意的目標跟蹤時間和目標跟蹤精度；變結構控制對平臺的干擾有自適應 性，但它的缺點是滑動運動的同時伴隨著高頻抖振，這將對系統的性能造成很大影響；模糊 控制設計尚缺乏系統性，對復雜系統控制難以奏效，而且其平臺跟蹤精度和模糊決策的速 度存在矛盾。


【發明內容】

[0005] 為了克服現有的船載攝像技術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，本發明提供了一種基于自抗擾控制技術的船載攝像穩定平臺控制方法，在保證 穩定平臺的跟蹤精度和跟蹤快速性的同時，又具有很強的抗干擾能力。
[0006] 本發明解決上述技術問題是通過以下技術方案實現的：
[0007] -種采用自抗擾控制技術的船載攝像穩定平臺控制方法，所述方法包括如下步 驟：
[0008] 步驟1)、通過分析方位、俯仰和橫滾三個方向子系統的組成，建立船載攝像穩定平 臺控制系統模型，串聯后所得的攝像穩定平臺各方向子系統的三階傳遞函數模型是：
[0009]

【權利要求】
1. 一種采用自抗擾控制技術的船載攝像穩定平臺控制方法，其特征在于：所述方法包 括如下步驟： 步驟1)、通過分析方位、俯仰和橫滾三個方向子系統的組成，建立船載攝像穩定平臺控 制系統模型，串聯后所得的攝像穩定平臺各方向子系統的三階傳遞函數模型是：
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，Cm為電機額定勵磁下的轉矩系數，J為電機的轉動慣量，Ka為功放的傳遞函 數，i是傳動機構的減速比，9 (S)為電機轉角的拉氏變換，U(S)為導通電壓的拉氏變換； 將傳遞函數樽型（1)轉換為如下狀杰空間樽型：
其中，Xl(t)為攝像穩定平臺的轉角，x2(t)為攝像穩定平臺的轉動角速度，x3(t)為攝 像穩定平臺的轉動角加速度，u(t)為控制量，即導通電壓； 將狀態空間模型（2)以采樣周期T離散化得到如下離散化的狀態空間模型：
步驟2)、為參考角度安排過渡過程并設計跟蹤微分器，使攝像穩定平臺轉動角度盡可 能快而無超調地跟蹤上參考角度；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是對攝像穩定平臺的轉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；r為 快速跟蹤因子，與過渡過程達到穩態值想要的時間成反比，且受系統承受能力制約；h為積 分步長； 步驟3)、設計擴張狀態觀測器，獲得攝像穩定平臺的轉角、角速度、角加速度以及總和 擾動量的估計值； 對于如式（3)所示的攝像穩定平臺離散時間系統模型，令x4(k) =I1X2(k)-a2x3(k)作 為擴張出的新的狀態變量，并記
那么狀態擴張后的攝像穩定 平臺離散時間系統模型是：
系統模型（5)的擴張狀態觀測器是：
其中，e(k)是攝像穩定平臺轉動角度估計值與實際轉動角度的差，Z1GO是攝像穩定平 臺實際轉動角度X1GO的估計值，z2(k)是攝像穩定平臺轉動角速度x2(k)的估計值，z3(k) 是攝像穩定平臺轉動角加速度x3(k)的估計值，z4(k)是擴張狀態變量x4(k)即系統總和擾 動的估計值，k是對狀態空間模型（2)中b的估計值。h是積分步長，fal(e(k)，CIi,S)是 一非線性函數，具體表達式如下：
其中，CiiS冪指數，在擴張狀態觀測器中一般取
S為線性段的區間長度， sign()為符號函數，并具有如下形式：
30i(i= 1，K，4)、5為一組待整定參數； 步驟4)、根據擴張狀態觀測器和跟蹤微分器的輸出獲得攝像穩定平臺的轉角、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； 根據步驟3)中的擴張狀態觀測器和步驟2)中的跟蹤微分器的輸出得到如下誤差信 號：
其中，ejk)是攝像穩定平臺的轉角跟蹤誤差，e2(k)是攝像穩定平臺的角速度 跟蹤誤差，e3(k)是攝像穩定平臺的角加速度跟蹤誤差，這些誤差量經過非線性組合
得到誤差反饋控制律Utl，其中1和Cii是待整定的參數， 為各誤差的反饋增益，參考ro控制增益進行調節；將由步驟3)獲得的總和擾動的估計值 Z4GO通過形如
的補償過程得到最終的控制量u(k)，那么如式（5) 所示的攝像穩定平臺離散狀態空間模型轉化為：
攝像穩定平臺控制系統的總和擾動被補償消除，成為不含擾動項的積分串聯型系統。
【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 優先權日:2014年7月22日
【發明者】張文安, 馬劍, 董輝, 賴宏煥, 劉凱 申請人:浙江工業大學