基于擾動源分類控制的二維陀螺平臺過頂穩定方法

王新偉，王惠林，韓 瑞，杜言魯，鞏全成，任元斌，李 濤

（西安應用光學研究所，陜西 西安 710065）

引言

二維陀螺平臺主要用于光學傳感器承載，實現載體運動條件下對目標的觀察和跟蹤，由于具有質量輕、載荷比高的優勢，近年來在無人平臺得到了廣泛的應用[1-5]。二維陀螺平臺通常包含方位軸和俯仰軸[3-7]，俯仰軸上安裝有方位陀螺和俯仰陀螺，直接敏感瞄準線方位、俯仰擾動，通過閉環作用驅動電機補償擾動，使得瞄準線慣性穩定[7-8]。由于方位瞄準線敏感軸與驅動軸之間存在非線性約束，方位電機的運動在瞄準線軸向的投影分量隨俯仰角增大逐漸下降，從而導致控制回路總增益下降。陳嘉鴻等人研究了通過增加正割補償環節彌補系統增益損失的方法[5-8]，取得了較好的效果。但隨著俯仰角增大至-90°附近，即進入過頂區域時，理論上增益修正系數趨近于無窮大[5]，會放大電機力矩擾動，從而引起方位驅動軸震蕩[6]。工程上常采用欠增益[6]或切換過頂陀螺的方法[3]保持系統正常工作，但欠增益會犧牲整體性能，而過頂陀螺敏感的是瞄準線橫滾速度，并不能實現對瞄準線方位的準確控制，因此上述方法均存在不同程度的缺陷。

本文從數學原理上分析了二維陀螺平臺瞄準線方位的穩定機理和固有問題，并對過頂位置引起方位電機軸震蕩的原因進行了分析，提出基于擾動源分類控制的穩定方法。該方法通過改進控制結構消除了閉環回路中的非線性環節和增益補償環節，克服了過頂位置陀螺測量噪聲和橫滾擾動高頻分量引起的方位瞄準線驅動軸震蕩的問題，并對方位擾動和橫滾擾動的低頻分量保持了較好的補償能力，最后通過仿真和實驗驗證了該方法的效果。……