基于擾動(dòng)觀測器的機(jī)載云臺(tái)擾動(dòng)復(fù)合補(bǔ)償方法

成都信息工程大學(xué) 王 云 李則辰

0.前言

現(xiàn)階段，多旋翼無人機(jī)已經(jīng)憑借其良好的目標(biāo)識(shí)別能力和跟蹤能力，在軍事偵察領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在多旋翼無人機(jī)偵查的過程中，著力提升機(jī)載平臺(tái)所獲取圖像的清晰度成為提升偵查信息準(zhǔn)確性的重要保障。由于無人機(jī)的體積較小，對(duì)氣流擾動(dòng)具有較高的敏感性，容易在干擾下失去目標(biāo)跟蹤的精度，無法完成對(duì)目標(biāo)的精準(zhǔn)識(shí)別。因此，探討基于擾動(dòng)觀測器的機(jī)載云臺(tái)擾動(dòng)復(fù)合補(bǔ)償方法，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.基于擾動(dòng)觀測器的機(jī)載云臺(tái)擾動(dòng)復(fù)合補(bǔ)償系統(tǒng)概述

多旋翼無人機(jī)機(jī)載云臺(tái)所采用的擾動(dòng)復(fù)合補(bǔ)償系統(tǒng)主要由控制器和減震裝置構(gòu)成，通過對(duì)擾動(dòng)觀測器價(jià)值的充分發(fā)揮，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的有效補(bǔ)償，且有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器時(shí)延現(xiàn)象的改善。本研究設(shè)計(jì)的復(fù)合補(bǔ)償系統(tǒng)建立在擾動(dòng)觀測器的基礎(chǔ)上，具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的難度較低?，F(xiàn)階段，我國復(fù)合擾動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)在選擇減震裝置的過程中，通過將振動(dòng)源的頻率作為主要參考依據(jù)，以此來提升振動(dòng)的平滑程度，實(shí)現(xiàn)隔振的功效，在提升視頻和圖片清晰度的同時(shí)，降低振動(dòng)對(duì)拍攝的負(fù)面影響。Umeno在其研究中指出，通過將擾動(dòng)觀測器引入到復(fù)合補(bǔ)償系統(tǒng)中，能夠有效提升機(jī)載平臺(tái)運(yùn)行的穩(wěn)定性，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

近幾年，隨著多旋翼無人機(jī)在高空攝影、遙感以及地形勘測領(lǐng)域的有效應(yīng)用，探析增強(qiáng)機(jī)載云臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定性的有效方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界擾動(dòng)的良好應(yīng)對(duì)也成為學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)話題。在多旋翼無人機(jī)的飛行過程中，受機(jī)體姿勢變化以及氣流干擾的影響，容易對(duì)機(jī)載云臺(tái)運(yùn)行的穩(wěn)定性形成不良影響，使得拍攝出的圖像較為模糊。針對(duì)這一現(xiàn)象，設(shè)計(jì)人員應(yīng)重視完善控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，盡量采用三周穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，根據(jù)姿態(tài)檢測數(shù)據(jù)對(duì)互補(bǔ)濾波進(jìn)行計(jì)算，確保機(jī)載云臺(tái)能夠根據(jù)機(jī)體姿勢變化而不斷調(diào)控自身姿勢，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載云臺(tái)的有效控制，從而獲取更加清晰的圖像。

擾動(dòng)觀測器在對(duì)外界干擾進(jìn)行評(píng)估的過程中，不需要建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，由于擾動(dòng)觀測器的結(jié)構(gòu)較為簡單，因此，在預(yù)測干擾信號(hào)時(shí)避免了大量的數(shù)學(xué)計(jì)算，這有利于滿足實(shí)時(shí)性的要求。在擾動(dòng)復(fù)合補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到系統(tǒng)的干擾可以歸結(jié)為外部擾動(dòng)以及由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)和其理想數(shù)學(xué)模型之間的參數(shù)變化而產(chǎn)生的誤差。因此，如果能夠利用干擾觀測器對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行有效的預(yù)測并加以補(bǔ)償，那么在一定的誤差范圍內(nèi)就可以將實(shí)際執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模型用其參考模型來等價(jià)。

2.基于擾動(dòng)觀測器的機(jī)載云臺(tái)擾動(dòng)復(fù)合補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 建模

本次研究將機(jī)載云臺(tái)定義為剛體，確保云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心與質(zhì)心高度契合，在忽略離心力的基礎(chǔ)上，參考Lagrange-Euler方程，構(gòu)建非線性方程模型如下：

T=Meθ+Fvθ+Fesin

其中，有效慣量用Me表示，粘滯摩擦力用Fv表示，靜摩擦力為Fe。

若將Fesin作為云臺(tái)的擾動(dòng)項(xiàng)，則可獲得線性模型如下：

T=Meθ+Fvθ+Td

其中，Td是指擾動(dòng)項(xiàng)。

2.2 控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)控制結(jié)構(gòu)的過程中，外界干擾和造成通常具有不同的頻率，據(jù)此，設(shè)計(jì)人員可作出以下假設(shè)：

假設(shè)1：機(jī)載云臺(tái)中存在兩個(gè)不同的截止頻率，分別為w1和w2，且w1＜w2，若噪音處于高頻范圍，外界擾動(dòng)處于低頻范圍，復(fù)合擾動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的傳遞函數(shù)關(guān)系式。

假設(shè)2：若在高頻范圍內(nèi)，Q（s）的值約等于1，低頻范圍內(nèi)，Q（s）的值約等于0，則系統(tǒng)輸出函數(shù)與傳遞函數(shù)具有相似性。據(jù)此可認(rèn)為，通過基于擾動(dòng)觀測器設(shè)計(jì)復(fù)合促成系統(tǒng)，能夠有效減少擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)輸出函數(shù)的不良影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻干擾的有效抑制。因此，可在設(shè)計(jì)復(fù)合補(bǔ)償系統(tǒng)的過程中，增加補(bǔ)償控制系統(tǒng)，以充分降低外界擾動(dòng)對(duì)云臺(tái)運(yùn)行產(chǎn)生的不良影響[1]。

2.3 控制器設(shè)計(jì)

機(jī)載云臺(tái)控制器主要通過對(duì)主控制器抑制隔振作用的充分發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的復(fù)合補(bǔ)償，從而獲取清晰的圖像。本次研究對(duì)控制器的設(shè)計(jì)主要包括主控部分、慣性測量部分、圖像傳輸部分和驅(qū)動(dòng)部分。在機(jī)載云臺(tái)控制器的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮到系統(tǒng)的跟蹤性能，完善期望角度位置和速度的合理選擇工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部噪聲干擾的準(zhǔn)確測量，以財(cái)務(wù)行之有效的抗干擾對(duì)策。具體設(shè)計(jì)方案如下：采用串級(jí)PID控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的有效測定，采用變積分PID控制算法明確角度內(nèi)環(huán)的合理選擇，采用微分PID控制算法對(duì)速度內(nèi)環(huán)進(jìn)行合理控制，盡可能降低復(fù)合補(bǔ)償?shù)恼`差，防止因系統(tǒng)啟動(dòng)初期引起的振動(dòng)對(duì)復(fù)合補(bǔ)償效果造成的不利影響。本次設(shè)計(jì)的復(fù)合補(bǔ)償系統(tǒng)建立在偏差與積分的負(fù)相關(guān)關(guān)系基礎(chǔ)之上。為了充分提升復(fù)合補(bǔ)償系統(tǒng)的整體性能，防止因定值突變對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性形成的不良影響，本研究將微分PID控制算法作為主要方法，對(duì)輸出量進(jìn)行微分處理，不予以定值微分處理，所獲得的函數(shù)如下所示：

對(duì)上述函數(shù)關(guān)系式進(jìn)行差分處理后，可得如下關(guān)系式：

Uw（k）=Uwpi（k）+Uwd（k）

2.4 控制器實(shí)現(xiàn)

在機(jī)載云臺(tái)啟動(dòng)后，傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)體初始姿態(tài)的校正，并對(duì)初始姿態(tài)信息進(jìn)行結(jié)算，將機(jī)載云臺(tái)初始化。在飛行過程中，機(jī)載云臺(tái)能夠根據(jù)機(jī)體姿態(tài)變化的實(shí)時(shí)信息實(shí)現(xiàn)對(duì)姿態(tài)的糾正，在主控單元獲取姿態(tài)信息后，實(shí)現(xiàn)對(duì)云臺(tái)的慣性測量與控制，以確保視軸的穩(wěn)定性。光學(xué)載荷通過對(duì)視頻采集卡的充分利用，能夠?qū)@取的圖像信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛婵刂浦行模⒃贚ED屏幕中顯示出來，管理員采用RC遙控器發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載云臺(tái)運(yùn)行的有效控制。

本研究設(shè)計(jì)的復(fù)合補(bǔ)償系統(tǒng)將6-DOF傳感器置于機(jī)載云臺(tái)頂端，通過將陀螺儀直徑和加速度值進(jìn)行濾波處理后，獲取滾轉(zhuǎn)角和俯仰角的值，形成位置環(huán)。在明確角速率信息的基礎(chǔ)上，能夠奠定速度環(huán)形成的前提條件，位置環(huán)和速度換協(xié)同作用，共同構(gòu)成了機(jī)載云臺(tái)的控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)云臺(tái)電路運(yùn)行的有效控制[2]。

3.減震裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在減震裝置設(shè)計(jì)過程中，可將基座振動(dòng)S（a）假設(shè)為：Asin-wit，A表示實(shí)際的振動(dòng)幅度，w代表基座振動(dòng)角頻率。通過將力學(xué)定律作為參考依據(jù)，可獲取力學(xué)模型。力學(xué)振動(dòng)模型通常由自由振動(dòng)S1和強(qiáng)迫振動(dòng)S2構(gòu)成，S1是指隨著時(shí)間的增加，振幅呈現(xiàn)逐漸縮小的變化趨勢，這一過程稱為自由振動(dòng)，S2是指隨著時(shí)間的增加，振幅并未出現(xiàn)明顯衰減，這一過程稱為強(qiáng)迫振動(dòng)。在機(jī)載云臺(tái)的實(shí)際運(yùn)行過程中，自由振動(dòng)對(duì)其運(yùn)行造成的影響可忽略不計(jì)，而強(qiáng)迫振動(dòng)對(duì)其造成的影響則相對(duì)較大。截止頻率、剛度系數(shù)是減震裝置性能的決定性因素，通過探明阻尼比和隔振系數(shù)的相關(guān)性，能夠形成減震裝置設(shè)計(jì)的良好基礎(chǔ)。本研究將w1/w2的值設(shè)定為＞2，β的值設(shè)定為0.5。

通常情況下，多旋翼無人機(jī)搭載的云臺(tái)重量約為1200g，受轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的影響，使得機(jī)載云臺(tái)的圖像質(zhì)量出現(xiàn)明顯下降。因此，設(shè)計(jì)人員需要在機(jī)載蕓苔種設(shè)置四個(gè)減震裝置，每個(gè)減震裝置的應(yīng)力水平約為3N，振動(dòng)主頻約為20Hz，機(jī)體振動(dòng)角頻約為126rad/s，振幅控制在0.2mm--04mm之間，剛度系數(shù)＜1.65N/mm。通對(duì)阻尼比和剛度系數(shù)進(jìn)行測算，能夠形成合力選擇減震材料裝置的科學(xué)依據(jù)。在此過程中，應(yīng)促進(jìn)機(jī)載云臺(tái)內(nèi)部組件的充分耦合[3]。

4.仿真分析

本研究結(jié)合俯仰角，對(duì)基于擾動(dòng)觀測器和VDO的機(jī)載平臺(tái)進(jìn)行對(duì)比分析，探明了其復(fù)合補(bǔ)償?shù)膬r(jià)值，采用頻域辨識(shí)的方法，獲取相關(guān)參數(shù)。本次研究采用Q31型濾波器，補(bǔ)償力矩的擾動(dòng)能力出現(xiàn)了明顯提升。通過分析發(fā)現(xiàn)，基于VDO的復(fù)合補(bǔ)償系統(tǒng)，在速度曲線方面存在較大偏差，而在引入擾動(dòng)觀測器后，速度相應(yīng)均方值出現(xiàn)明顯降低，偏差較小。

5.飛行實(shí)驗(yàn)

本次研究將改進(jìn)后的復(fù)合補(bǔ)償系統(tǒng)應(yīng)用于多旋翼無人機(jī)的機(jī)載云臺(tái)中進(jìn)行飛行試驗(yàn)，將俯仰角設(shè)置為0°，采樣頻率設(shè)置為100Hz，在未補(bǔ)償前，角度誤差值約等于1，而在補(bǔ)償后，角度誤差值約為0.6，表明該復(fù)合補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的科學(xué)性。

通過采用頻域分析的方式，對(duì)機(jī)載云臺(tái)的符合補(bǔ)償效力進(jìn)行探究，將采樣頻率設(shè)定為330Hz，采用傅里葉變換法對(duì)加速度信息進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，在機(jī)載云臺(tái)引入復(fù)合補(bǔ)償系統(tǒng)后，振幅每下降五分之一，隔振提升15dB，且高頻區(qū)域的振幅明顯降低，證明該復(fù)合補(bǔ)償系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外界干擾的有效補(bǔ)償，具有較高的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。本次飛行實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在引入復(fù)合補(bǔ)償方法后，視軸指向誤差減小到了0.03°，振動(dòng)隔離度提高了約15dB，充分驗(yàn)證了復(fù)合補(bǔ)償方法能夠有效補(bǔ)償機(jī)載云臺(tái)的擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多旋翼無人機(jī)機(jī)載云臺(tái)擾動(dòng)補(bǔ)償需求的充分滿足，具有良好應(yīng)用成效。

6.結(jié)論

綜上所述，本研究設(shè)計(jì)的機(jī)載云臺(tái)復(fù)合補(bǔ)償系統(tǒng)建立在擾動(dòng)觀測器的基礎(chǔ)之上，并通過實(shí)現(xiàn)與減震裝置的有機(jī)聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)外界感染的有效抑制和補(bǔ)償，有效提升了機(jī)載云臺(tái)運(yùn)行的穩(wěn)定性。因此，為了形成機(jī)載云臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定性的有力保障，應(yīng)重視在設(shè)計(jì)中引入擾動(dòng)觀測器。