一種雙軸導(dǎo)引頭穩(wěn)像平臺系統(tǒng)及控制策略

薛慶全，彭 惠，郄曉斌，余勝義

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

導(dǎo)引頭是現(xiàn)代精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其主要功能是利用一定外界信息完成對目標(biāo)的搜索、識別和跟蹤［1］，并為導(dǎo)彈飛控系統(tǒng)提供相應(yīng)的控制信息（視線角、角速度等），實現(xiàn)自主導(dǎo)引，直至命中目標(biāo)。在實施過程中，導(dǎo)引頭穩(wěn)定平臺部分主要起搜索、穩(wěn)像以及跟蹤作用，它實時接收目標(biāo)角偏移量參數(shù)，并利用陀螺儀測量平臺的角速度，對多源傳感器信息進行數(shù)據(jù)融合后解算出平臺伺服控制參數(shù)，并對其進行實時控制。使視軸保持空間穩(wěn)定或相對目標(biāo)穩(wěn)定，從而抑制因彈體抖動而造成的圖像虛影、跟蹤失穩(wěn)等不利影響［2］。隔離度是評價導(dǎo)引頭隔離彈體擾動的一項重要指標(biāo)，其值越小表明對彈體擾動隔離能力越強，系統(tǒng)性能越好［3-5］。

1 穩(wěn)像平臺系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)組成

導(dǎo)引頭穩(wěn)像平臺分為平臺體與電氣單元兩部分，如圖1所示。

圖1 穩(wěn)像平臺系統(tǒng)總體方案Fig.1 Overall scheme of image stabilization platform system

平臺體主要由框架結(jié)構(gòu)體、力矩電機、角度傳感器、三軸陀螺儀及攝像頭構(gòu)成，電氣單元主要由控制電路板、角度信號采集板以及二次電源板等組成。導(dǎo)引穩(wěn)定平臺通過串口與中央處理單元通信，接收中央處理單元指令，并通過串口向圖像處理單元轉(zhuǎn)發(fā)中央處理單元指令。

平臺體結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，采用雙環(huán)框架結(jié)構(gòu)形式，攝像頭與內(nèi)環(huán)軸固聯(lián)，后端固定三軸陀螺測量攝像頭相對慣性空間的角運動，內(nèi)環(huán)為方位軸，外環(huán)為俯仰軸，構(gòu)建雙軸視線穩(wěn)定平臺，隔離彈體的角運動對攝像頭的視線指向的擾動。

圖2 平臺體結(jié)構(gòu)Fig.2 Platform structure

1.2 控制策略

穩(wěn)像平臺系統(tǒng)正常工作模式為搜索和跟蹤。穩(wěn)像平臺處于搜索模式時，系統(tǒng)接收中央處理單元發(fā)送的搜索指令及搜索角信息，以搜索角為控制量，以角度傳感器測量的電機角度為反饋量，通過控制算法控制電機快速轉(zhuǎn)動到目標(biāo)點。當(dāng)穩(wěn)像平臺處于跟蹤模式時，系統(tǒng)接收中央處理單元發(fā)送的跟蹤指令，并以圖像處理單元實時發(fā)送的脫靶量信息為控制量，以三軸陀螺儀測量的角速度信息為反饋量，控制電機轉(zhuǎn)動，達到攝像頭視軸快速跟蹤目標(biāo)的目的。搜索角是相對于框架坐標(biāo)系的絕對角度，脫靶量是在攝像頭坐標(biāo)系下跟蹤目標(biāo)與圖像中心的偏差，以像素為單位，須通過一定的坐標(biāo)變換后才能引入到控制系統(tǒng)中。系統(tǒng)角度傳感器采用旋轉(zhuǎn)變壓器，三軸陀螺儀采用MEMS陀螺。控制系統(tǒng)分為位置控制環(huán)和速度穩(wěn)定控制環(huán)，實現(xiàn)對電機運行位移、速度的控制。總體控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 總體控制系統(tǒng)原理Fig.3 Overall control system principle

以MEMS陀螺儀為傳感器構(gòu)成的速度環(huán)的主要作用是抑制彈體抖動引起的擾動，使穩(wěn)定平臺內(nèi)框架視軸相對目標(biāo)保持穩(wěn)定，同時在跟蹤工作模式下補償干擾引起的非線性誤差，增強系統(tǒng)剛度，抑制負載等狀態(tài)變化造成的影響。位置環(huán)主要實現(xiàn)對目標(biāo)脫靶量信息的快速響應(yīng)。由旋轉(zhuǎn)變壓器測量的框架角度為反饋量，根據(jù)系統(tǒng)特性設(shè)計位置控制器，改善頻率響應(yīng)特性，達到系統(tǒng)要求的跟蹤速度性能。

為抑制穩(wěn)像平臺因?qū)Ь€等因素引起的干擾力矩影響，控制系統(tǒng)中增加狀態(tài)觀測器ESO環(huán)節(jié)，實時對干擾進行估計，通過選擇合適的參數(shù)，降低干擾力矩的影響，提高穩(wěn)像平臺的精度。

本文采用位置環(huán)和速度穩(wěn)定環(huán)相結(jié)合的雙環(huán)控制思路。位置環(huán)采用PⅠD/Kvff/Kaff復(fù)合控制算法，速度環(huán)采用PⅠ和狀態(tài)觀測器ESO 復(fù)合控制算法，控制器原理如圖4所示。

圖4 數(shù)字控制器原理Fig.4 Principles of digital controllers

根據(jù)系統(tǒng)特性調(diào)節(jié)參數(shù)，速度環(huán)和位置環(huán)控制精度滿足系統(tǒng)跟蹤精度要求。

位置環(huán)數(shù)字伺服控制器輸出為

式中En為第n個采樣時刻給定位置與旋轉(zhuǎn)變壓器測量框架實際位置的偏差；VL，fL分別為目標(biāo)速度、目標(biāo)加速度；KP，Ki，Kd，Kvff，Kaff分別為位置控制器各環(huán)節(jié)增益。速度穩(wěn)定環(huán)采用PⅠ控制，控制輸出為

MEMS陀螺儀測量的角速度信號中混雜了各種干擾噪聲，同時數(shù)據(jù)采集時的高頻干擾超出系統(tǒng)正常動態(tài)特性的頻率范圍，造成采樣數(shù)據(jù)的抖動，使得傳感器精度無法達到最優(yōu)。在前端采用FⅠR數(shù)字低通濾波器對輸入信號進行預(yù)處理，在高頻段對角速度測量噪聲具有很好的抑制作用。

2 仿真驗證

通過前述設(shè)計對穩(wěn)像系統(tǒng)進行數(shù)字仿真軟件建模仿真。在不同頻率和幅值的正弦信號激勵的條件下，對穩(wěn)像平臺控制策略效果進行仿真驗證。俯仰軸框架和方位軸框架控制模型一致，在此以方位軸為例進行仿真驗證。設(shè)定角度采樣噪聲為均值為零、幅值為0.03°的白噪聲，角速率采樣噪聲為均值為零、幅值為20 （°）/h的白噪聲信號，系統(tǒng)采樣計算周期為1 ms，仿真時間5 s。輸入的正弦激勵分別為2.5 Hz/±1.5°；1.5 Hz/±2.5°； 0.5 Hz/±5°。相應(yīng)的位置跟蹤曲線如圖5～7所示。

圖5 0.5 Hz/±5°位置跟蹤曲線Fig.5 0.5 Hz/±5° position tracking curve

圖6 1.5 Hz/±2.5°位置跟蹤曲線Fig.6 1.5 Hz/±2.5° position tracking curve

圖7 2.5 Hz/±1.5°位置跟蹤曲線Fig.7 2.5 Hz/±1.5° position tracking curve

3 隔離度測試試驗

將雙軸穩(wěn)像平臺系統(tǒng)安裝在單軸速率臺上，在跟蹤狀態(tài)下工作，進行隔離度測試，進一步驗證穩(wěn)像平臺控制策略的有效性。以航向軸隔離度測試為例進行說明。首先將方位軸垂直于安裝面，測試方位軸隔離度，使速率臺體在典型工況條件下進行轉(zhuǎn)動。要求轉(zhuǎn)臺分別按照0.5 Hz/±5°、1.5 Hz/±2.5°、2.5 Hz/±1.5°的正弦波轉(zhuǎn)動，穩(wěn)像平臺隔離度不大于2.5%。實測穩(wěn)像平臺航向框架角輸出如圖8～10所示。

圖8 0.5 Hz/±5°框架角輸出Fig.8 0.5 Hz/±5° frame angle output

圖9 2.5 Hz/±1.5°框架角輸出Fig.9 2.5 Hz/±1.5° frame angle output

圖10 1.5 Hz/±2.5°框架角輸出Fig.10 1.5 Hz/±2.5° frame angle output

取轉(zhuǎn)臺輸出穩(wěn)定之后的數(shù)據(jù)利用數(shù)字仿真軟件平臺計算隔離度。隔離度按照公式（3）［6］計算：

式中λ1，λ2為一個周期的波峰值和波谷值；A為轉(zhuǎn)臺驅(qū)動正弦波的幅值。穩(wěn)像平臺在不同頻率和幅值的正弦波干擾下，其對應(yīng)隔離度分布如圖11～13所示。

圖11 2.5 Hz/±1.5°隔離度分布Fig.11 2.5 Hz/±1.5° isolation distribution

圖12 1.5 Hz/±2.5°隔離度分布Fig.12 1.5 Hz/±2.5° isolation distribution

圖13 0.5 Hz/±5°隔離度分布Fig.13 0.5 Hz/±5° isolation distribution

由圖11～13 可知，導(dǎo)引頭穩(wěn)像平臺系統(tǒng)隔離度均優(yōu)于1.8%，滿足實際工作條件需求，驗證了該系統(tǒng)的控制策略是有效的。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于MEMS陀螺和旋轉(zhuǎn)變壓器的雙軸導(dǎo)引頭穩(wěn)像平臺系統(tǒng)，并提出了一種“PⅠD+前饋+ESO”的控制策略，通過數(shù)字仿真軟件驗證以及性能測試，在不同工況條件下隔離度均優(yōu)于1.8%，穩(wěn)像平臺系統(tǒng)主要性能指標(biāo)均滿足總體要求。