激光雷達中掃描振鏡控制研究

任福漢,余紅英,劉 琛

(1.中北大學，太原 030051； 2.中國電子信息產業集團第六研究所，北京 100083)

0 引 言

激光雷達是探測目標、遠程測距、面陣成像常用系統之一，在軍事、航天、民用等多領域發揮著巨大作用。在激光雷達系統中，掃描振鏡至關重要[1]。掃描振鏡(GS)，也稱電流計掃描儀，是一種性能優良的矢量掃描器件，是高頻驅動下的一種特殊的擺動伺服電機。掃描振鏡將激光雷達發射的激光源，通過電機上兩個反射鏡的擺動，形成激光面陣，達到激光掃描成像效果[2]。

對于掃描振鏡的周期性運動控制，傳統PID參數整定更多依靠經驗，抗干擾能力不足，控制性能無法滿足掃描振鏡需求。模糊控制是先進控制理論之一，在非線性和時變系統中有較好控制性能，但是模糊控制缺少積分環節，無法消除穩態誤差[3]。模糊控制更多是與其他先進控制理論結合，提高控制性能。滑模變結構控制有良好的抗干擾能力、動靜態特性，但是存在抖振現象，限制了滑模變結構控制在實際中的應用[4]。基于此，本文提出模糊滑模變結構控制，利用模糊算法抑制滑模變結構控制的抖振現象，提高掃描振鏡抗干擾能力。

1 振鏡數學模型

掃描振鏡在相對較大的角度范圍內具有高線性、低慣性的特點，這使得它們可以在高達幾千赫茲的掃描頻率下使用。為了通過幀掃描獲得均勻的光場，幀掃描的頻率應該是幾十赫茲。激光雷達掃描振鏡系統框圖如圖1所示。

圖1 激光雷達掃描振鏡系統框圖

掃描振鏡由電氣系統和機械系統組成，掃描振鏡電氣機械系統組合如圖2所示[5]。

圖2 掃描振鏡電氣機械系統組合

電樞回路微分方程如下：

(1)

掃描振鏡動力學方程如下：

(2)

式中：Ω為機械角速度，Ω=2πn/60。

設系統初始狀態為零，對式(1)、式(2)進行拉普拉斯變換，結果如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

由式(5)、式(6)掃描振鏡傳遞函數框圖如圖3所示。

圖3 掃描振鏡傳遞函數框圖

2 掃描振鏡控制算法

2.1 模糊PID控制

完整的模糊控制器包括模糊化接口、推理機(包括數據庫和規則庫)以及解模糊接口[6]。模糊化接口負責將輸入參數模糊化處理，并移交推理機進行規則運算，推理機輸出參數通過解模糊接口，計算出系統整定所需參數。

模糊PID控制原理圖如圖4所示。模糊PID與傳統PID相比，在動態響應、靜態響應以及魯棒性方面都有一定的提高[7]，是現代先進控制理論使用較為廣泛的控制算法之一。在本文中，模糊PID通過對掃描振鏡位置反饋誤差e以及誤差變化率ec進行模糊化，根據模糊規則實時整定系統控制所需參數KP，KI，KD，以達到期望的控制性能。

圖4 模糊PID控制原理圖

輸入參數e，ec和輸出參數ΔKP，ΔKI，ΔKD模糊子集{NB,NM,NS,NZ,Z,PS,PM,PB}。

設定e，ec是高斯型隸屬函數，ΔKP，ΔKI，ΔKD的隸屬函數為三角，論域為[-3,3]，得到如表1、表2、表3中對應的ΔKP，ΔKI，ΔKD模糊控制規則表。

表1 ΔKP模糊規則表

表2 ΔKI模糊規則表

表3 ΔKD模糊規則表

2.2 滑模變結構控制

滑模變結構控制也是先進控制技術之一，是一種變結構控制策略。滑模變結構控制與其他先進控制技術的本質區別在于其非連續控制。滑模變結構控制具有優良的抗干擾能力，但由于存在抖振現象，滑模變結構控制并不能單獨應用于實際工程[8]。現對滑模變結構控制進行簡要說明。

在欠驅動的滑模變控制系統中，狀態表達式：

(7)

存在翻轉方程s(x)=s(x1,x2,…,xn)=0，狀態空間被s(x)劃分為s>0及s<0兩部分。圖5為系統狀態空間示意圖，圖中點A，B，C為狀態空間中三種類型，即：通常點A、起始點B以及結束點C。

圖5 系統狀態空間示意圖

狀態空間中運動點在s(x)=0處是結束點條件：

(8)

式(8)也可以表示：

(9)

式(9)對系統提出了一個形如：

v(x1,x2,…,xn)=[s(x1,x2,…,xn)]2

(10)

的Lyapunov約束函數的條件方程。由于在翻轉面數值域內，式(10)是正定的，并根據式(9)，s2導數為半負定，在s=0附近v是一個非增函數。所以在式(9)成立的基礎上，式(10)為系統條件Lyapunov函數，即系統穩定于s=0。

設控制系統：

(11)

需要確定其切換函數s(x)，且s∈R″。

求解控制函數：

(12)

在本文中，設激光雷達掃描振鏡PSD(光位置傳感器)位置狀態方程：

(13)

(14)

則切換函數：

(15)

所以，控制律：

(16)

2.3 模糊滑模變結構控制

建立掃描振鏡數學模型時，實際應用環境中諸多影響因素是不可估計的，在應用中會受到較大干擾，但滑模變結構控制需要較大的切換增益，不可避免地產生抖振現象，限制了其在掃描振鏡中的應用。根據常規趨近律調節系統參數的方法，能夠抑制抖振現象。被調參數需要根據系統條件而定，常規調節方法將被調參數設為恒定值，導致其不能在線調整。為了改進此缺點，更好抑制抖振現象，本文將模糊控制與滑模變結構控制相結合，在滑模變結構控制基礎上，引入對切換函數幅值的模糊控制。在模糊控制中，輸入為切換函數目前幅值，并根據切換函數幅值計算出模糊控制器輸出量，保證系統良好的魯棒性、抗干擾性，并且最大限度抑制抖振現象。模糊滑模變結構控制原理圖如圖6所示[9]。

圖6 滑模變結構控制原理圖

(17)

表與ΔK(t)之間模糊規則表

(18)

式中：G是由經驗確定的比例系數。則控制率：

(19)

3 掃描振鏡仿真

3.1 模糊PID仿真

在MATLAB中運行Fuzzy Logic Designer，將表1、表2、表3模糊控制規則輸入到Ruler Editor，得到ΔKP，ΔKI，ΔKD模糊規則曲面圖，如圖7所示。

(a) ΔKP

(b) ΔKI

(c) ΔKD圖7 ΔKP，ΔKI，ΔKD模糊規則曲面

在Simulink中對PSD數據進行模糊PID控制仿真，其單位階躍響應曲線、位置誤差e、速度ec曲線如圖8所示，系統調節時間為3 s，超調量為1%。

圖8 模糊PID仿真曲線

圖9是傳統PID控制與模糊PID控制脈沖擾動響應曲線。相同情況下加入擾動，模糊PID擾動超調量為18%，傳統PID為21%。

圖9 脈沖擾動響應曲線

3.2 滑模變結構仿真

在Simulink中對采用滑模變結構控制的掃描振鏡PSD位置環進行仿真，得到PSD數據階躍響應y、位置誤差e、速度誤差ec曲線，如圖10所示。系統調節時間為3 s，超調量為0.06%。但在y平穩后，存在抖振現象，位置誤差e、速度誤差ec有明顯波動。

圖10 滑模變結構仿真曲線

圖11為滑模變結構擾動響應仿真曲線。增加擾動后，系統能夠快速恢復，擾動超調量為5.8%，其動態響應和抗干擾能力相比傳統PID控制和模糊PID控制有明顯提升。但是抖振現象始終存在，不利于系統穩定，違背了激光雷達掃描成像的準確性原則。

圖11 滑模變結構擾動響應曲線

3.3 模糊滑模變結構仿真

圖12 模糊規則曲線

在Simulink中對掃描振鏡位置環進行仿真，響應曲線y、位置誤差e、速度誤差ec如圖13所示。與圖10相比，模糊滑模變結構控制算法有效抑制了滑模控制系統帶來的抖振現象，且控制效果優異，證明本文的模糊滑模變結構控制適用于激光雷達掃描振鏡系統。

圖13 模糊滑模變結構算法仿真曲線

系統運行第5 s時加入擾動，得到模糊滑模變結構擾動響應曲線,如圖14所示。由圖14曲線可知，當存在脈沖干擾時，系統有超調現象，超調量為7.2%，表明系統抗干擾性能優越，且無抖振現象。

圖14 模糊滑模變擾動響應曲線

3.4 原理樣機結果

本文利用STM32F407、QT0707力矩電機、PSD傳感器，搭建激光雷達掃描振鏡硬件原理樣機測試平臺，如圖15所示。采用模糊滑模變結構控制算法得到的PSD數據曲線如圖16所示。

在實際系統中要求掃描振鏡掃描頻率50 Hz，掃描時間為16 ms，復位時間為4 ms。在實際測試中，掃描時間16.1 ms，復位時間3.9 ms，基本達到了期望性能。

圖15 掃描振鏡原理樣機

圖16 PSD信號波形

分析圖16可知，由于實驗條件限制，PSD傳感器會受到激光光斑大小以及實驗室燈光影響，導致正程仍存在一定的抖振現象，反程存在一定超調。

4 結 語

本文建立了激光雷達掃描振鏡數學模型，基于PSD位置環進行了模糊PID算法、滑模變結構算法研究并進行了對應的仿真實驗，根據模糊PID控制、滑模變結構控制的弊端，提出了新的模糊滑模變結構控制算法，并在Simulink中進行了仿真實驗。仿真結果表明，針對激光雷達中掃描振鏡控制系統，傳統PID可以實現對其控制，但傳統PID抗干擾能力不足，無法滿足掃描振鏡精確控制的需求。模糊PID相比于傳統PID算法，抗干擾性能提高，擁有良好的動態控制特性。滑模變結構控制算法在抗干擾性能方面相比于傳統PID和模糊PID算法，有較大提升，但固有高頻抖振現象限制了其在掃描振鏡中的應用。為了解決滑模變結構控制算法這一缺陷，提出了模糊滑模變結構控制算法，將模糊規則融合到滑模變結構控制中，既保留了良好的抗干擾性能，又消除了抖振現象，適合應用于掃描振鏡控制。原理樣機實驗結果與期望結果相符。