[發明專利]一種航空遙感慣性穩定平臺摩擦參數辨識方法

有效

• 申請號: 201310275237.6
• 申請日: 2013-07-02
• 公開（公告）號: CN103344243A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發明（設計）人: 周向陽;宮國浩;劉煒;房建成;趙強;李永
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01C21/18
• 分類號: G01C21/18;G05B13/04
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉;賈玉忠

技術領域

本發明涉及一種航空遙感慣性穩定平臺摩擦參數辨識方法。

背景技術

航空遙感系統在機動性、實時性、可重復觀測性、遙感設備可更換性、獲取高分辨率遙感數據能力、經濟成本以及立體觀測等很多方面，都具獨特的優勢。因此，在西方發達國家，用于城市規劃和基本地圖測繪大約65%以上的高分辨率空間數據是依靠航空遙感系統來保證的。高分辨率對地觀測是航空遙感系統發展的重要方向，但是由于大氣紊流和載機自身因素的影響，載機機體無法保持平穩，造成安裝在載機上的成像載荷視軸搖晃，成像質量下降。慣性穩定平臺組成的高分辨率航空遙感平臺是解決這個問題的有效措施。慣性穩定平臺用于隔離載機的角運動，跟蹤當地地理水平，消除干擾力矩對成像載荷的影響，使成像載荷穩定成像。航空遙感用慣性穩定平臺是螺穩定跟蹤裝置的一個分支，其結構和功能與傳統的機載光電吊倉有相似之處，但又不同于傳統的機載光電吊倉。光電吊倉只需要要承載天線、導引頭等小負載，因此光電吊倉一般較輕，承載能力小；而航空遙感用慣性穩定平臺需要承載質量較大的成像載荷，特別對于多鏡頭的成像載荷，其質量可達100kg，同時平臺自身的重量要求一般不超過40kg。低速、大承載比、有限運動范圍內往復角運動條件下的高精度實時控制是慣性穩定平臺的基本特性。

穩定精度是慣性穩定平臺的主要技術指標之一，反映了穩定平臺對干擾力矩的抑制能力。平臺的干擾力矩主要包括不平衡力矩、摩擦力矩，控制系統一般通過反饋控制實現對各種干擾力矩的有效抑制。成像載荷通常要求慣性穩定平臺在較低跟蹤角速度下實現高控制精度，摩擦力矩是影響低速性能因素中的主要因素，直接影響系統傳動精度和運動平穩性。摩擦力矩呈現出高度的非線性，其大小主要與軸系的結構及其潤滑情況、負載大小和角速度等因素有關，且摩擦力矩可能隨角位置、時間和溫度的變化發生隨機變化。慣性穩定平臺三個框架一般通過滾動軸承支承、力矩電機和齒輪減速裝置驅動，由于工作轉速低承載大，滾動軸承滾道接觸表面潤滑情況較差，容易發生低速爬行現象，導致運動不平穩和控制精度降低；此外，較大的靜摩擦力使傳動齒輪發生彈性變形，從而導致位置誤差，降低系統分辨率及重復率。之前，在航空遙感慣性穩定平臺控制系統的設計中，僅把摩擦力矩作為一個擾動力矩加以抑制，并沒有考慮摩擦力矩的非線性特性對整個系統穩定性的影響。隨著對系統性能的要求不斷提高，摩擦力矩的非線性及動態特性給控制系統帶來的不良影響越來越不容忽視，這就需要對控制系統中的摩擦力矩進行更有效地消除或抑制。消除或抑制摩擦力矩對控制系統造成的不良影響可以從兩個方面來考慮：一方面是機械結構設計中采用一些降低摩擦力矩的方法。然而，純機械的設計方法往往會受到加工工藝水平、材料水平及研究經費等條件的制約，而且不便于維護，以至于很難得到使用；另一方面則是從系統的控制角度上設計能夠消除或抑制摩擦力矩影響的控制律，即控制領域的摩擦補償方法。因此，研究低速條件下框架系統的摩擦模型并進行摩擦補償，合理解決系統中存在的摩擦環節尤其是非線性摩擦環節的模型參數問題，是提高航空遙感慣性穩定平臺系統性能，實現對航空遙感慣性穩定平臺高精度控制要求的關鍵。

發明內容

本發明的技術解決問題是：針對航空遙感三軸慣性穩定平臺系統高精度控制的LuGre摩擦模型參數難以準確辨識的難題，設計了兩步辨識與動態參數優化相結合的參數辨識方法，根據三軸慣性穩定平臺各框架系統的結構特性及擾動因素，分別設計不同的參數辨識方案，通過兩步辨識方法得到靜態參數及動態參數初始值，再選擇適當的目標函數對動態參數初始值進行優化，得到動態參數優化值，得到各框架系統較精確的LuGre模型參數。該發明辨識方案有效，能夠得到各框架較為準確的摩擦模型，為高精度、高可靠性、低成本三軸慣性穩定平臺的研制提供了技術支撐。

本發明的技術解決方案是：一種航空遙感慣性穩定平臺摩擦參數辨識方法，首先進行摩擦模型靜態參數辨識，構造航空遙感慣性穩定平臺三框架伺服系統PI閉環，使三框架伺服電機以不同轉速正反轉相同角度低速運行，獲得Stribeck負斜率段曲線，測得對應轉速下的電流環電流，然后擬合Stribeck曲線進行靜態參數辨識，同時，對穩定平臺三框架伺服系統輸入適當電流，獲得穩態角位移；其次，進行動態參數辨識，根據動力學模型計算動態參數初始值，利用動態參數初始值以穩態條件下實測摩擦力矩隨速率變化曲線和摩擦模型仿真曲線的相似程度為目標函數進行動態參數優化。具體步驟如下：