航空相机稳定平台无超调伺服控制方法与流程

本发明属于控制领域，主要涉及一种稳定平台的伺服控制方法，尤其涉及一种适用于阶跃摆扫式航空相机稳定平台的无超调伺服控制方法。

背景技术：
航空相机系统主要用于从高空中获取高分辨率可见光目标图像信息。稳定平台和相机是航空相机系统的重要组成部分，相机一般采用面阵CCD数码相机且固定在稳定平台上，稳定平台用以隔离载机的扰动，为相机提供良好的工作环境，使相机能够稳定而快速的获取高分辨率的目标图像。公开号为CN1825203A的中国专利申请公开了一种机载倾斜相机摄影装置，该装置包括稳定平台和2～5台高分辨率相机且相机的视场角为44°，这些相机按照一定的角度安装在稳定平台上，以获取前视、后视、左视、右视或下视即2～5个不同角度的航空影像，其中下视相机拍摄的影像用于制作建筑空间模型和正射影像，其它角度相机拍摄的影像可作为建筑物墙面的纹理源。摄影装置的工作高度为2000m。由于相机数量较多且视场角较大，稳定平台只需提供一定精度的水平基准，无需进行快速摆动就可获得大视场图像，因而，摄影装置对稳定平台的要求较低即没有快速调转和无超调的要求；此外，载机的飞行高度较低，速度也较慢，对稳定平台的扰动较小，因此，这类稳定平台较容易实现。然而，对于视场角为3.1°、焦距大于1m、工作高度为6000m的高空航空相机系统来说，稳定平台上只能安装一台相机，因而无法通过在稳定平台上安装多台相机来实现大面积拍摄。为了每次飞行拍摄的图像能够覆盖更大的拍摄区域，在拍摄过程中需要稳定平台带动相机指向不同的航道，并将不同航道拍摄的图像进行拼接才能获得大面积高分辨率图像。为此，要求稳定平台能够带动相机在相邻航道之间快速转换并精确到位，到位后即刻通知相机拍照，每当拍完一幅图像后就转向相邻的航道进行拍照，故相机的整个拍照过程是一个“启动－停止－拍照”的循环跳跃式工作过程。为了提高高空拍照效率，要求稳定平台具有航道转换无超调，快速收敛，转换时间短的特性。由于稳定平台的负载即相机质量较大，因此稳定平台在各航道之间的快速转换和无超调是一对很难平衡的矛盾。此外，为了保证成像质量，还要求稳定平台既要保证惯性空间的速率稳定又要保证精确的地理坐标指向，同时还要求相机所拍照片具有一定的重叠率，这样，稳定平台就需要建立自己的地理坐标基准，而传统的航空稳定平台是不具备这一功能的。

技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是，针对需要多航道快速转换拍摄的航空相机系统的稳定平台，提供一种无超调伺服控制方法，采用该伺服控制方法的稳定平台不仅能够在惯性空间保持稳定，同时也能够在地理坐标系下进行阶跃式位置转动，从而带动相机对不同的地理位置进行拍照。为解决以上技术问题，本发明提供的无超调伺服控制方法由内置有伺服控制模块的DSP实现，伺服控制模块含有横滚通道和俯仰通道，当DSP上电后，伺服控制模块执行以下操作步骤：第一步，判断是否接收到航空相机系统控制器发出的“开始工作”指令，若为否，等待，若为是，转入第二步；第二步，接收航空相机系统控制器给出的横滚通道位置指令θro_cmd；将俯仰通道位置指令置为零，即令θel_cmd＝0；令变量i＝1；第三步，采集垂直陀螺输出的载机初始横滚角θro_v0和初始俯仰角θel_v0，采集横滚旋转变压器输出的横滚外框架初始角位置信号θro_r0和俯仰旋转变压器输出的俯仰内框架初始角位置信号θel_r0，并根据下式计算：a11＝cosθro_v0a12＝0a13＝sinθro_v0a31＝-sinθro_v0cosθel_v0a32＝sinθel_v0a33＝cosθro_v0cosθel_v0式中，θro_los0为相机瞄准线的初始横滚姿态角；第四步，生成横滚通道的规划位置控制曲线：式中，θro_cmd_i表示与变量i对应的规划位置指令；T为采样周期；Ts为横滚通道位置调节时间；第五步，采集垂直陀螺当前输出的载机横滚角θro_v和载机俯仰角θel_v，采集横滚旋转变压器当前输出的横滚外框架的角位置信号θro_r和俯仰旋转变压器当前输出的俯仰内框架的角位置信号θel_r，并根据以下一组公式计算：θel_los＝arcsin(a31cosθel_rsinθro_r+a32sinθel_r+a33cosθel_rcosθro_r)a11＝cosθro_va12＝0a13＝sinθro_va31＝-sinθro_vcosθel_va32＝sinθel_va33＝cosθro_vcosθel_v式中，θel_los为相机瞄准线的当前俯仰姿态角，θro_los为相机瞄准线的当前横滚姿态角；第六步，判断是否i＜Ts/T，若为是，转入第七步，若为否，转入第八步；第七步，将i代入横滚通道的规划位置控制曲线，求出规划位置指令θro_cmd_i，然后转入第九步；第八步，将航空相机系统控制器给出的横滚通道位置指令θro_cmd作为当前横滚通道的规划位置指令θro_cmd_i，即令θro_cmd_i＝θro_cmd并转入第九步；第九步，进行横滚通道和俯仰通道位置回路运算：9.1根据以下公式计算位置误差：pro_err＝θro_cmd_i－θro_lospel_err＝θel_cmd－θel_los式中，pro_err为横滚位置误差量，pel_err为俯仰位置误差量；9.2采用PI调节器1进行位置回路解算：式中，ωro_cmd为横滚通道速率回路控制量，ωel_cmd为俯仰通道速率回路控制量，kpr为PI调节器1横滚通道的增益系数，kpe为PI调节器1俯仰通道的增益系数，ωpr为PI调节器1横滚通道的积分器控制参数，ωpe为PI调节器1俯仰通道的积分器控制参数；第十步，进行横滚通道和俯仰通道速率回路运算：10.1采集双轴速率陀螺当前输出的横滚外框架的角速率信号ωro和俯仰内框架的角速率信号ωel，并采用一阶低通滤波器对双轴速率陀螺的输出信号进行滤波：式中，ωro1为横滚通道滤波信号，ωel1为俯仰通道滤波信号，ωlp_ro为一阶低通滤波器横滚通道的转折频率，ωlp_e1为一阶低通滤波器俯仰通道的转折频率；10.2根据以下公式计算速率误差量：ωro_err＝ωro_cmd－ωro1ωel_err＝ωel_cmd－ωel1式中，ωro_err为横滚通道的速率误差量，ωel_err为俯仰通道的速率误差量；10.3采用PI调节器2进行速率回路解算：式中，Iro_cmd为横滚通道PWM功率放大器的控制量，Iel_cmd为俯仰通道PWM功率放大器的控制量，kgr为PI调节器2横滚通道的增益系数，kge为PI调节器2俯仰通道的增益系数，ωgr为PI调节器2横滚通道积分器控制参数，ωge为PI调节器2俯仰通道的积分器控制参数；第十一步，将横滚通道PWM功率放大器的控制量Iro_cmd施加给横滚通道功率放大器，将俯仰通道PWM功率放大器的控制量Iel_cmd施加给俯仰通道功率放大器；第十二步，令变量i加1，即i＝i+1；第十三步，判断是否i＞Tc/T，若为是，转入第十四步，若为否，转入第十五步，Tc为稳定平台阶跃响应指标；第十四步，通知相机启动拍照；第十五步，判断是否i＞Tp/T，若为是，转入第十六步，若为否，返回第五步，Tp为横滚通道位置指令的时间间隔；第十六步，是否接到工作结束指令，如果为否，则返回第二步，如果为是，则伺服控制模块停止运行。本发明的有益效果体现在以下几个方面。(一)本发明中的曲线规划算法，将正旋曲线的前1/4周期作为标准曲线，这样规划出的位置指令是逐渐逼近的过程，因此，本发明解决了稳定平台位置阶跃过程中所出现的超调问题，使得稳定平台在位置快速转动过程中无超调，大大提高了高空拍照的效率。(二)本发明通过安装在稳定平台基座上的垂直陀螺建立稳定平台的地理坐标基准，通过姿态解算算法获得视线在地理坐标系下的角位置，反馈给伺服控制系统，控制稳定平台的视线在地理坐标系下精确指向目标航道，由此本发明可以保证相机系统在载机姿态扰动下所拍摄的图片能够相互拼接，进而获得大视场清晰图像。(三)在本发明中，所采用的姿态解算算法和曲线规划算法具有算法简单，实现方便，移植性好，从而使本发明具有更广阔的应用前景。附图说明图1是本发明无超调伺服控制方法的总流程图。图2是姿态解算子程序的流程图。图3是本发明中规划位置指令曲线图。图4a是已有技术中位置回路的阶跃指令响应图。图4b是本发明中位置回路的阶跃指令响应图。具体实施方式下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。本发明优选实施例给出的无超调伺服控制方法是在航空相机稳定平台(以下简称稳定平台)的伺服控制计算机(DSP)上实现的。稳定平台包括横滚外框架和俯仰内框架结构，横滚外框架安装在载机上，横滚外框架上装有横滚轴和用来驱动横滚轴转动的横滚电机；俯仰内框架安装在横滚轴上，俯仰内框架带有相互平行的俯仰主动轴和俯仰被动轴以及安装在两者之间的2:1角传动机构，俯仰电机驱动俯仰主动轴转动，反射镜安装在俯仰被动轴上。横滚旋转变压器固连在横滚轴上，俯仰旋转变压器固连在俯仰主动轴上；双轴速率陀螺固连在稳瞄反射镜的背面且其两个敏感轴分别与稳定平台的横滚轴和俯仰轴平行；垂直陀螺安装在基座上且其两个敏感轴分别与稳定平台的横滚轴和俯仰轴平行；相机的镜头安装在横滚轴上。由镜头所成的目标光学图像经反射镜反射后聚焦在CCD相机的靶面上。DSP中置有由俯仰通道和横滚通道构成的伺服控制模块，当DSP上电后，伺服控制模块将按照图1所示的工作流程执行以下操作步骤。第一步，判断是否接收到航空相机系统控制器发出的“开始工作”指令，若为否，等待，若为是，转入第二步。第二步，接收航空相机系统控制器给出的横滚通道位置指令θro_cmd；将俯仰通道位置指令置为零，即令θel_cmd＝0；令变量i＝1。由于俯仰通道仅需稳定在地理零位而不需要进行位置调转，因此俯仰通道的位置指令始终为零即θel_cmd＝0。第三步，调用姿态解算子程序并根据图2执行以下操作步骤：3.1采集垂直陀螺输出的载机初始横滚角θro_v0和初始俯仰角θel_v0，采集横滚旋转变压器输出的横滚外框架初始角位置信号θro_r0和俯仰旋转变压器输出的俯仰内框架初始角位置信号θel_r0。3.2根据以下一组公式计算：a11＝cosθro_v0a12＝0a13＝sinθro_v0a31＝-sinθro_v0cosθel_v0a32＝sinθel_v0a33＝cosθro_v0cosθel_v0式中，θro_los0为相机瞄准线的初始横滚姿态角。第四步，生成横滚通道的规划位置控制曲线：式中，θro_cmd_i表示与变量i对应的规划位置指令；T为采样周期；Ts是横滚通道位置调节时间，该参量与稳定平台阶跃响应指标有关且取值应小于稳定平台阶跃响应指标。在本优选实施例中，取T＝5ms；Ts＝300ms。由于拍照航道之间的位置指令是一个阶跃指令，直接加入位置回路会引起航空相机转动过程较大的超调。为此，本发明根据稳定平台所处的位置、将要转到的位置、调节时间、控制周期等因素按照理想的运动轨迹对位置指令进行规划，生成位置回路的规划位置指令曲线(参见图3)。该曲线将正旋曲线的前1/4周期作为标准曲线，这样，规划出的位置指令曲线就是一个逐渐逼近的过程。该位置指令曲线的前段变化量很大，可使稳定平台具有大加速度；但到了调节时间的后段，该位置指令曲线的变化量变小并逐渐变为零；当相机镜头的视轴接近目标位置时，稳定平台的加速度正好为零，这样，相机镜头就可以在整个转动过程避免大幅度的阶跃运动。第五步，调用姿态解算子程序并根据图2执行以下操作步骤：5.1采集垂直陀螺当前输出的载机横滚角θro_v和载机俯仰角θel_v；采集横滚旋转变压器当前输出的横滚外框架的角位置信号θro_r和俯仰旋转变压器当前输出的俯仰内框架的角位置信号θel_r。5.2根据以下一组公式计算：θel_los＝arcsin(a31cosθel_rsinθro_r+a32sinθel_r+a33cosθel_rcosθro_r)a11＝cosθro_va12＝0a13＝sinθro_va31＝-sinθro_vcosθel_va32＝sinθel_va33＝cosθro_vcosθel_v式中，θel_los为相机瞄准线的当前俯仰姿态角，θro_los为相机瞄准线的当前横滚姿态角。第六步，判断是否i＜Ts/T，若为是，转入第七步，若为否，转入第八步。第七步，将i代入横滚通道的规划位置控制曲线，求出规划位置指令θro_cmd_i，然后转入第九步。第八步，将航空相机系统控制器给出的横滚通道位置指令θro_cmd作为当前横滚通道的规划位置指令θro_cmd_i，即令θro_cmd_i＝θro_cmd并转入第九步。第九步，进行横滚通道和俯仰通道位置回路运算。首先，根据横滚通道的规划位置指令θro_cmd_i和相机瞄准线的当前横滚姿态角度θro_los进行横滚通道位置回路求和运算，获得横滚位置误差量pro_err；根据俯仰通道位置指令θel_cmd＝0和相机瞄准线的当前俯仰姿态角度θel_los进行俯仰通道位置回路求和运算，获得俯仰位置误差量pel_err；pro_err＝θro_cmd_i－θro_lospel_err＝θel_cmd－θel_los接着，采用PI调节器1进行位置回路解算。将横滚位置误差量pro_err和俯仰位置误差量pel_err分别送入PI调节器1进行横滚通道和俯仰通道的位置回路解算，分别获得横滚通道速率回路控制量ωro_cmd和俯仰通道速率回路控制量ωel_cmd；PI调节器1的算法模型为：式中，kpr,kpe分别为PI调节器1横滚通道和俯仰通道的增益系数，ωpr,ωpe分别为PI调节器1横滚通道和俯仰通道的积分器控制参数，上述四个参量均根据试验调试获得。在本优选实施例中，取kpr＝0.8，kpe＝0.6，ωpr＝1.88，ωpe＝1.88。第十步，进行横滚通道和俯仰通道速率回路运算。首先采集双轴速率陀螺当前输出的横滚外框架的角速率信号ωro和俯仰内框架的角速率信号ωel，并采用一阶低通滤波器对双轴速率陀螺输出的两个角速率信号ωro，ωel进行滤波，分别获得横滚通道滤波信号ωro1和俯仰通道滤波信号ωel1，所用一阶低通滤波器的模型为：式中，ωlp_ro为一阶低通滤波器横滚通道的转折频率，ωlp_e1为一阶低通滤波器俯仰通道的转折频率，上述两个参量均根据试验调试获得。在本优选实施例中，取ωlp_ro＝503，ωlp_e1＝503。接下来进行速率回路求和运算。根据横滚通道速率回路控制量ωro_cmd和俯仰通道速率回路控制量ωel_cmd以及横滚通道滤波信号ωro1和俯仰通道滤波信号ωel1进行速率回路求和运算，获得横滚通道的速率误差量ωro_err和俯仰通道的速率误差量ωel_err：ωro_err＝ωro_cmd－ωro1ωel_err＝ωel_cmd－ωel1再接着采用PI调节器2进行速率回路解算，将横滚通道的速率误差量ωro_err和俯仰通道的速率误差量ωel_err送入PI调节器2进行速率回路解算，分别获得横滚通道PWM功率放大器的控制量Iro_cmd和俯仰通道PWM功率放大器的控制量Iel_cmd。所用PI调节器2的算法模型为：式中，kgr,kge分别为PI调节器2横滚通道和俯仰通道的增益系数，ωgr,ωge分别为PI调节器2横滚通道和俯仰通道的积分器控制参数，上述四个参量均根据试验调试获得。在本优选实施例中，取kgr＝8.6，kge＝6.3，ωgr＝62.8，ωge＝50.2。第十一步，将横滚通道PWM功率放大器的控制量Iro_cmd和俯仰通道PWM功率放大器的控制量Iel_cmd分别施加给横滚通道功率放大器和俯仰通道功率放大器，两通道放大器产生驱动力矩，分别控制横滚电机和俯仰电机转动。第十二步，令变量i加1，即i＝i+1。第十三步，判断是否i＞Tc/T，若为是，转入第十四步，若为否，转入第十五步。Tc为稳定平台阶跃响应指标，亦即相机在每个工作周期内的拍照时刻。在本优选实施例中，稳定平台阶跃响应指标Tc＝400ms，即要求稳定平台在400ms内运动到横滚通道位置指令所要求的位置点，在稳定平台到达该位置点时相机才能开始拍照。第十四步，通知相机启动拍照。第十五步，判断是否i＞Tp/T，若为是，转入第十六步，若为否，返回第五步。Tp为横滚通道位置指令的时间间隔，该参量是航空相机系统分配给稳定平台和相机的工作周期。亦即一个工作周期将对应稳定平台的一次阶跃且相机进行一次拍照。在本优选实施例中，航空相机系统要求稳定平台和相机的工作周期为600ms，因此，取Tp＝600ms。第十六步，是否接到工作结束指令，如果为否，则返回第二步，如果为是，则伺服控制模块停止运行。图4a是未进行横滚通道位置指令规划的稳定平台伺服控制系统对阶跃位置指令的响应曲线，图中曲线1为位置命令，曲线2为控制系统响应，可以看出该稳定平台伺服控制系统出现了近30％的超调，调节时间大于400ms，因此不能满足相机系统在航道之间转动的要求。图4b为采用本发明的稳定平台伺服控制系统对阶跃位置指令的响应曲线，图中曲线1为规划后的位置命令，曲线2为控制系统响应，可以看出稳定平台伺服控制系统在300ms后达到稳态，完全消除了超调，调节时间小于400ms。