基于齿隙估计与补偿的吊舱稳定平台控制方法
【专利摘要】一种基于齿隙估计与补偿的吊舱稳定平台控制方法，包括步骤：测量吊舱稳定平台电机轴端主动齿轮与框架轴端从动齿轮啮合时的齿隙值；根据所述齿隙值建立吊舱平台方位传动齿轮的齿隙非线性模型；根据所述齿隙非线性模型建立框架伺服系统动力学模型；根据框架伺服系统动力学模型，利用反步积分方法并通过递推逐步选择Lyapunov函数，构建基于状态反馈的控制器，计算力矩电机的控制输入量的电流值；将所述电流值输入力矩电机驱动框架转动到达相应的位置。本发明技术，通过对电机轴端主动齿轮和框架轴端从动齿轮啮合时的齿隙实时估计和补偿，使得平台稳定精度提高；补偿比较准确，补偿算法简洁，易于在DSP中编程实现。
【专利说明】基于齿隙估计与补偿的吊舱稳定平台控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及吊舱稳定平台控制技术，特别是涉及一种基于齿隙估计与补偿的吊舱稳定平台控制方法。
【背景技术】
[0002]航空遥感吊舱稳定平台系统在机动性、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，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。吊舱稳平台是解决这个问题的有效措施。吊舱稳定平台用于隔离载机的角运动，消除干扰力矩对成像载荷的影响，使成像载荷稳定成像。稳定精度是吊舱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]一般条件下根据成像需求，吊舱任务承载较重，平台动力系统设计时通常采用一级或多级齿轮传动实现紧凑化和大力矩驱动。齿轮啮合必须满足一定齿隙方可有效传动，然而齿隙具有强非线性、非解析描述和不可微特性，会降低系统传动精度、造成平台低速不稳定、滞后、甚至引起换向跳变和冲击振荡。因此，由于齿隙非线性环节的存在，影响了吊舱稳定平台系统动态性能和稳定精度，导致当前吊舱稳定平台系统的控制误差大，控制精度较低和动态性能偏差。
【发明内容】
[0004]基于此，有必要针对吊舱稳定平台系统的控制精度较低和动态性能偏差的问题，提供一种基于齿隙估计与补偿的吊舱稳定平台控制方法。
[0005]一种基于齿隙估计与补偿的吊舱稳定平台控制方法，包括如下步骤:
[0006]根据电机轴端编码器、框架轴端码盘的输出值测量吊舱稳定平台电机轴端主动齿轮与框架轴端从动齿轮啮合时的齿隙值；
[0007]根据所述齿隙值建立吊舱平台方位传动齿轮的齿隙非线性模型；
[0008]根据所述齿隙非线性模型建立框架伺服系统动力学模型；
[0009]根据所述框架伺服系统动力学模型，利用反步积分方法并通过递推逐步选择Lyapunov函数,构建基于状态反馈的控制器,计算力矩电机的控制输入量的电流值；
[0010]将所述电流值输入力矩电机，力矩电机输出力矩驱动框架转动到达相应的位置。
[0011]上述基于齿隙估计与补偿的吊舱稳定平台控制方法，针对框架位置伺服系统，基于电机轴端编码器、框架轴端码盘计算出的电机轴端主动齿轮与框架轴端从动齿轮啮合时的齿隙值，建立的齿隙非线性模型，实现对吊舱稳定平台的齿隙估计，逐步递推选择Lyapunov函数,设计基于状态反馈的控制器,进一步计算力矩电机的电流值，利用该电流值使力矩电机输出合理力矩，对齿隙的非线性问题进行了补偿，驱动框架转动到达指定位置。本发明技术，通过对电机轴端主动齿轮和框架轴端从动齿轮啮合时的齿隙实时估计和补偿，克服一般控制方法忽略齿隙非线性影响的不足，利用轴端码盘、编码器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。使得平台稳定精度提高；补偿比较准确，补偿算法简洁，易于在DSP中编程实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明中的吊舱稳定平台工作的原理图；
[0013]图2为基于齿隙估计与补偿的吊舱稳定平台控制方法的流程图；
[0014]图3为本发明基于齿隙估计与补偿的吊舱稳定平台控制方法的原理框图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图对本发明的基于齿隙估计与补偿的吊舱稳定平台控制方法的【具体实施方式】作详细描述。
[0016]参考图1所示，图1为本发明中的吊舱稳定平台工作的原理图。吊舱稳定平台主要包括:连接基座I的方位框2及俯仰框3，方位框2连接方位框光电码盘21，方位框力矩电机22，方位框齿轮副23，方位框速率陀螺24，连接俯仰框3的俯仰框光电码盘31，俯仰框力矩电机32，俯仰框齿轮副33，俯仰框速率陀螺34，俯仰框3上承载载荷4。
[0017]参考图2所示，图2为基于齿隙估计与补偿的吊舱稳定平台控制方法的流程图，包括如下步骤:
[0018]步骤S1:根据电机轴端编码器、框架轴端码盘的输出值测量吊舱稳定平台电机轴端主动齿轮与框架轴端从动齿轮啮合时的齿隙值。
[0019]在一个实施例中，步骤SI的测量吊舱稳定平台电机轴端主动齿轮与框架轴端从动齿轮啮合时的齿隙值的步骤，具体包括如下:
[0020]步骤SlOl:将框架固定于一设定的转角位置，并保持框架平稳。
[0021]步骤S102:输入力矩电机正向转动电压值，控制力矩电机轴端主动齿轮单齿旋转到框架轴端从动齿轮的一对齿隙X正向极限位置，读取电机轴端编码器的输出值A。
[0022]步骤S103:输入力矩电机反向转动电压值，控制力矩电机轴端主动齿轮单齿旋转到框架轴端从动齿轮对齿隙X反向极限位置，读取电机轴端编码器的输出值B。
[0023]步骤S104:根据公式
【权利要求】
1.一种基于齿隙估计与补偿的吊舱稳定平台控制方法，其特征在于，包括如下步骤: 根据电机轴端编码器、框架轴端码盘的输出值测量吊舱稳定平台电机轴端主动齿轮与框架轴端从动齿轮啮合时的齿隙值； 根据所述齿隙值建立吊舱平台方位传动齿轮的齿隙非线性模型； 根据所述齿隙非线性模型建立框架伺服系统动力学模型； 根据所述框架伺服系统动力学模型，利用反步积分方法并通过递推逐步选择Lyapunov函数，构建基于状态反馈的控制器，计算力矩电机的控制输入量的电流值； 将所述电流值输入力矩电机，力矩电机输出力矩驱动框架转动到达相应的位置。
2.根据权利要求1所述的基于齿隙估计与补偿的吊舱稳定平台控制方法，其特征在于，所述测量吊舱稳定平台电机轴端主动齿轮与框架轴端从动齿轮啮合时的齿隙值的步骤包括: 将框架固定于一设定的转角位置，并保持框架平稳； 输入力矩电机正向转动电压值，控制力矩电机轴端主动齿轮单齿旋转到框架轴端从动齿轮的一对齿隙X正向极限位置，读取电机轴端编码器的输出值A ; 输入力矩电机反向转动电压值，控制力矩电机轴端主动齿轮单齿旋转到框架轴端从动齿轮对齿隙X反向极限位置，读取电机轴端编码器的输出值B ; 根据公式
3.根据权利要求1所述的基于齿隙估计与补偿的吊舱稳定平台控制方法，其特征在于，所述齿隙非线性模型，具体如下:
4.根据权利要求1所述的基于齿隙估计与补偿的吊舱稳定平台控制方法，其特征在于，所述框架伺服系统动力学模型，具体如下: JJL + bm0m =Mm-T < +hd0d =?χτ Mm-KdXlm 式中，θ" m、V m、Jm、bm为吊舱平台方位框架的力矩电机的加速度、角速度、转动惯量和粘性摩擦系数；Θ" d、θ' d、Jd、bd为吊舱平台方位框架的角加速度、角速度、转动惯量和粘性摩擦系数，Mffl为输出力矩，Kd指力矩电机的单位输出力矩。
5.根据权利要求1所述的基于齿隙估计与补偿的吊舱稳定平台控制方法，其特征在于，所述根据所述框架伺服系统动力学模型，利用反步积分方法并通过递推逐步选择Lyapunov函数，构建基于状态反馈的控制器，计算力矩电机的控制输入量的电流值的步骤包括: 建立描述方位框架位置伺服系统动力学特性的状态方程； 基于方位框架位置输出的误差值构造第一个Lyapunov函数V1，且以方位框架转动角速度及其误差为基础构造虚拟控制量V2使得V1的微分小于0，确定系统位置输出； 在第一个Lyapunov函数的基础上，添加方位框架转动速度误差函数，构造第二个Lyapunov函数V2,且以电机输出力矩及其误差为基础构造虚拟控制量V3使得V2的微分小于O,确定力矩电机的输出力矩信号； 在第二个Lyapunov函数的基础上,添加方位电机输出力矩误差函数,构造构造第三个Lyapunov函数V3，且选取电机电流为系统终极控制量，使得V3的微分小于0，确定力矩电机的电流信号； 应用反步积分方法，通过递推逐步选择Lyapunov函数，根据状态方程、力矩电机的输出力矩信号以及力矩电机的电流信号构建基于状态反馈的控制器，求出力矩电机控制输入量的电流值Im。
【文档编号】B64D47/00GK103693205SQ201310746377
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】徐晓刚, 张宏燕, 饶章权, 周向阳, 彭向阳, 赵强, 麦晓明, 王柯, 王锐 申请人:广东电网公司电力科学研究院, 北京航空航天大学