航空遥感惯性稳定平台振动特性分析与隔振系统设计

针对航空遥感三轴惯性稳定平台隔离高频线振动的要求,在振动环境分析的基础上,以振动传递率为评价指标,对周期性干扰下惯性稳定平台的一次和二次隔振系统动力学模型进行了Matlab仿真及振动特性分析,进而对某轻小型惯性稳定平台的隔振系统进行了设计,最后为验证隔振系统效果,对惯性稳定平台进行了振动测试实验。实验结果表明：惯性稳定平台在受到30~500 Hz的外界干扰时能够平稳工作,且指向精度保持在0.2°以内,表明隔振系统设计合理有效。

航空遥感三轴惯性稳定平台双速度环控制

航空遥感三轴惯性稳定平台用于稳定成像载荷,获取高分辨率的遥感数据。针对惯性稳定平台视轴稳定控制中单速度环对干扰力矩抑制的不足,提出采用以编码器进行数字测速构成速度内环、利用速率陀螺构成速度外环的双速度环复合控制方案,将稳定回路抗内部干扰功能和隔离外界干扰功能分开设计实现,以提高系统稳定精度。分别对单速度环和双速度环对扰动的抑制能力进行了理论分析和对比,并在理论分析基础上,对单速度环和双速度环的扰动抑制能力进行了Matlab仿真分析和实验验证。结果表明:与单速度环相比,双速度环可明显减小质量偏心、摩擦等主要内部干扰以及外部基座低频扰动造成的稳态误差,静基座摇摆伺服稳定角速度RMS值减小了52.3%,静基座调平姿态精度RMS值减小了22.1%,动基座调平姿态精度RMS值减小了37.4%。

航空遥感惯性稳定平台摩擦参数辨识

针对影响航空遥感三轴惯性稳定平台控制精度的非线性摩擦,提出了一种基于LuGre模型的摩擦参数辨识方法。在分析系统正弦响应曲线的基础上,建立了适于惯性稳定平台的LuGre摩擦模型,提出了两步辨识及动态参数优化的摩擦参数辨识方法,针对惯性稳定平台三个框架系统的不同特点分别设计了参数辨识方案,最后通过实验进行了验证。结果表明,各框架角速度、角位置响应仿真曲线与实际曲线基本一致,说明提出的辨识方法能够得到各框架较为准确的摩擦模型。摩擦补偿实验结果表明,可显著降低摩擦对控制系统精度的影响,使方位系统角位置误差波动范围、角位置跟踪均方根误差比未补偿前分别减少了78.7%和91.5%。

磁轴承用新型自感位移传感器设计与实验研究

随着磁轴承在航空航天、军事及民用工业领域的广泛应用,提高其位移传感器的可靠性成为发展重点。而传统磁轴承用电感式位移传感器的结构复杂、测量电路元器件过多,降低了磁轴承系统的可靠性。针对高转速和小转子磁轴承,设计了一种新型自感式位移传感器,分析了自感式位移传感器的工作原理,提出了优化的传感器结构,设计了对应的测量电路,并对传感器的性能进行了分析与测试。实验结果表明,在-0.5~0.5 mm测量范围内,传感器的线性度为±1.25%,灵敏度为25.94 mV·μm,迟滞为±0.28%,重复性为±0.22%,传感器的动态响应带宽为4.7 kHz,悬浮精度为2.4μm。该传感器完全适用于磁轴承系统,同时传感器结构简单易实现,测量电路得到大大简化,满足航空航天、军事及民用工业领域高可靠性的要求。

惯性稳定平台扩张状态观测器/PD复合控制

为提高惯性稳定平台控制系统的稳定精度,在常规PID控制的基础上提出了一种扩张状态观测器与PID相结合的复合控制算法。利用扩张状态观测器将惯性稳定平台的各种内部扰动和外部扰动都视为总和扰动并观测出来,然后通过PID控制器进行误差反馈控制,从而提高控制系统的扰动抑制能力与稳定精度。以Lu Gre摩擦模型加入控制模型进行仿真分析,并通过北航自研的惯性稳定平台进行实验验证。结果表明:扩张状态观测器/PD复合控制方法具有高的扰动抑制能力,可显著提高稳定平台稳定精度。相比常规PID方法,扩张状态观测器/PD复合控制使横滚框和俯仰框的稳定精度分别提高了33.23%和55.01%。

激光陀螺POS惯性数据滤波及时延补偿

激光陀螺作为位置姿态测量系统(POS)的核心传感器,其精度直接决定激光陀螺POS系统精度,围绕机抖激光陀螺信号去噪的需求,基于FIR滤波器建模的方法,设计了FIR数字低通滤波器;针对滤波器导致的信号延迟问题,根据FIR数字滤波器群延迟特性建模,提出了激光陀螺POS数据时延补偿方法。静态实验结果表明,设计的FIR数字低通滤波器降低了激光陀螺抖动噪声功率达80dB。进一步通过飞行实验表明,提出的方法降低了激光陀螺POS系统姿态角误差,与POS/AV510相比航向角误差由0.017°降低到0.01°,俯仰角误差由0.007°降低到0.005°,横滚角误差由0.016°降低到0.005°,满足了机载InSAR对激光陀螺POS精度要求。

一种惯性稳定平台分体式POS安装方案设计与优化

根据某型光谱成像仪的结构特点,提出一种航空遥感惯性稳定平台分体式POS安装方案,并对支架进行多目标优化设计。安装方案包括整体布局、POS安装方案、配重方案及支架优化4个部分。首先,根据载荷、POS及稳定平台结构特点和功能确定最优布局方案,在稳定平台方位框上对称分体式安装POS/支架系统、配重/支架系统,使得当载荷沿方位轴转动到任意位置情况下,对水平横滚轴及俯仰轴的偏心力矩都能相互抵消;其次,为减小安装空间,将POS通过支架在方位框过渡盘上垂直安装;第三,根据载荷安装位置,确定将配重/支架系统与POS/支架系统沿俯仰轴对称安装,将配重块重心集成设计并进行最大距离安置,使得在配重最小情况下实现对POS的最大偏置校正力矩;第四,以质量、应力及应变最小为目标,对安装支架进行基于ANSYS Workbench仿真环境的拓扑优化和多目标参数优化设计,使得在保证强度和刚度的条件下质量减少了26.7%;最后,以优化设计方案为指导,对POS安装及配重系统进行加工配重和飞行实验。实验结果表明:基于POS位置反馈的惯性稳定平台控制系统性能稳定,实现了光谱仪高精度航空遥感成像。

基于自动/手动混合模式的吊舱稳定平台控制系统设计

吊舱稳定平台在无人直升机电力巡线中发挥着重要作用。为了提高巡线质量和效率,克服自动跟踪单一模式下多源扰动导致的光学载荷视轴对目标的跟踪丢失,提出了一种基于自动/手动混合模式的吊舱稳定平台控制策略。通过组合使用基于POS(Position and Orientation System)的位置和姿态信息的自动跟踪控制模式和基于人工手柄操作的手动跟踪控制模式,当目标跟踪丢失时利用手动模式及时对自动跟踪进行校正,实现吊舱稳定平台载荷视轴对电力线路的长时高精度稳定跟踪。根据控制策略,设计了基于DSP和FPGA的三环复合伺服控制系统,通过仿真分析得到将手动控制设置在速率回路是最佳方案的结论。通过实际线路飞行实验对控制方法进行了验证,结果表明:基于自动/手动混合模式的平台控制对目标跟踪灵活准确,实现了无人机多传感器系统对电力线路的高效高精度数据采集。

自适应卡尔曼滤波在无刷直流电机系统辨识中的应用

为了有效抑制量测噪声特性变化对系统辨识精度的影响以获得准确的无刷直流电机模型,提出了一种采用自适应卡尔曼滤波算法的无刷直流电机系统辨识方法。通过计算新息理论方差的极大似然最优估计,并将其引入卡尔曼滤波算法中修正滤波增益来抑制量测噪声特性变化对辨识结果的影响,使该滤波算法实现对模型参数的准确估计,提高辨识精度。实验结果表明,在量测噪声特性变化的情况下,该算法能够准确跟踪实际量测噪声特性的变化,参数估计平滑,相对于目前系统辨识广泛采用的带有遗忘因子的递推最小二乘算法,输出误差的均方根值减小了73.5%。该算法简单易行,计算量小,辨识结果可以很好地描述系统行为,便于在工程实践中应用。

同步坐标变换的径向混合磁轴承系统谐波干扰抑制方法

针对磁悬浮高速离心式鼓风机三次倍频谐波比较大的问题,提出一种新型基于同步坐标变换的倍频谐波抑制方法。对磁悬浮鼓风机系统的径向平动两自由度和转动两自由度分别用新方法筛选并滤除三次谐波,用变量重构的方法对系统建模,分析了系统的收敛性和稳定性,并提出一种变量重构的新应用方法。仿真结果表明:与传统自适应陷波器相比,基于同步坐标变换的陷波器在中速和高速时具有相似的陷波精度,但其具有更优的动态性能,计算量更小。

基于单目视觉的位置姿态测量系统精度检校方法

针对高精度位置姿态测量系统的姿态检校问题,提出一种单目视觉检校方法。首先分析了合作靶标精度对单目视觉姿态测量精度的影响,利用合作靶标实现视觉高精度姿态测量;然后提出基于正交矢量和动态滤波的联合标定法,标定出靶标坐标系和惯性测量单元之间的转换矩阵关系;最终实现了具备高精度姿态精度的单目视觉检校系统。实验结果表明,单目视觉检校系统静态姿态误差均方根为2.1'',动态姿态误差为4.4'',可以为高精度位姿系统提供姿态精度检校。

航空遥感运动补偿用POS高阶误差模型的建立与分析

位置姿态系统(position and orientation system,POS)作为航空遥感中运动补偿的通用载荷,其精度直接影响成像质量。为提高POS的定位定姿精度,在15维传统误差模型的基础上考虑了陀螺和加速度计的刻度因子误差和安装误差的标定残差对POS精度的影响,并使用随机常值、一阶马尔科夫过程表示陀螺随机漂移和加速度计随机偏置,建立了一个39维的高阶误差模型。为了评价该模型的准确性和实用性,将其与其他的误差模型比较,进行了POS与相机的联合飞行实验。实验结果表明,基于39维高阶误差模型的POS精度较其他的误差模型有明显提高。

基于SVM的激光陀螺温度误差建模与补偿方法

激光陀螺误差决定了机载全成孔径雷达(SAR)运动补偿用位置姿态测量系统(POS)的测量精度。针对激光陀螺测量精度受环境温度影响严重的问题进行了研究,分析了激光陀螺的温度误差模型,结合支持向量机SVM的函数拟合功能,提出一种新的陀螺温度误差建模与补偿方法。与基于线性回归以及神经网络的补偿方法相比,该方法具有精度高、泛化能力强等优点。实验结果表明,激光陀螺的温度误差减小约75%,提高了激光陀螺对环境温度的适应能力。

磁悬浮高速离心式鼓风机的喘振检测

针对磁悬浮高速离心式鼓风机的喘振问题,提出了一种基于磁悬浮轴承的喘振检测方法。该方法采用通用同频陷波器滤除转子位移中的同频分量,消除了同频扰动对喘振检测的影响;通过分析不同收敛因子对喘振频率估计的作用,基于自适应估计提出了变收敛因子的喘振频率和幅值估计方法,减小了低频信号的干扰,提高了喘振信号检测的快速响应能力。最后,分析了改进检测算法的收敛性,并在100kW磁悬浮离心式鼓风机测试系统上进行了实验验证。实验结果表明,改进后的喘振检测算法可在喘振发生前检测出喘振先兆旋转失速信号,在喘振发生0.23s内检测出喘振信号,较改进前的检测结果提高了2.6s。该检测方法无需外加其它检测单元,算法简单、快速,计算量小、并可有效地反映喘振发生过程中频率与振幅的变化。

机载分布式POS传递对准建模与仿真

为了提高机载分布式POS中子POS的测量精度,补偿机翼的挠曲变形,提出了一种机载环境下传递对准方法。为验证该方法的有效性,搭建了机载分布式POS地面演示系统。针对该地面演示系统,提出了运用ANSYS辅助力学建模的方法建立了模拟机翼杆挠曲运动模型,并将由机翼挠曲运动产生的挠曲变形角和挠曲变形角速度增广为卡尔曼滤波的状态变量。在此基础上,详细推导了考虑挠曲变形时姿态误差量测方程,设计了基于"速度+姿态"匹配方式的卡尔曼滤波器。仿真结果表明,采用该挠曲变形补偿方法进行传递对准,水平失准角精度优于3?,方位失准角精度优于5?。仿真结果验证了该方案的可行性,为机载分布式POS提供了工程应用参考。

基于扩张状态观测器的稳定平台非奇异终端滑模控制

针对多源扰动对航空遥感惯性稳定平台稳定精度影响,提出一种基于扩张状态观测器的稳定平台非奇异终端滑模控制复合控制策略,对多源扰动进行抑制,提高稳定平台指向精度,实现高精度成像。首先采用非奇异终端滑模控制,将多源扰动视为总和干扰,设计非奇异终端滑模控制面和控制律,实现对多源扰动的有效抑制;针对滑模控制存在的抖振问题,采用扩张状态观测器对扰动进行观测,将观测到的状态量及总和干扰作为校正依据,对非奇异终端滑模控制律进行校正,实现控制律的优化,从而实时抑制抖振扰动;最后,对方法的有效性进行仿真分析及实验验证。结果表明,提出的复合控制方法扰动抑制能力明显,可有效提高惯性稳定平台稳定性和指向精度。

基于线性相位无限长单位冲击响应滤波器的机抖激光陀螺POS低时延降噪方法

针对传统线性相位有限长单位冲击响应滤波器在机抖激光陀螺位置姿态测量系统(Position andOrientation System,POS)降噪解调中存在着运算量大和时延大的问题,提出一种基于线性相位无限长单位冲击响应滤波器的降噪解调方法。在时域内通过卡尔曼滤波参数估计使无限长单位冲击响应低通滤波器逼近线性相位有限长单位冲击响应低通滤波器,获得线性相位;在频域内建立无限长单位冲击响应低通滤波器目标函数,采用拟牛顿法对其进行优化求解,以降低其时延;再设计低阶线性相位无限长单位冲击响应带阻滤波器,降低滤波器运算量。实验结果表明,与传统的有限长单位冲击响应低通滤波方法相比,采用该方法设计的线性相位无限长单位冲击响应滤波器进行机抖激光陀螺POS降噪解调,在保证降噪解调效果的情况下,运算量减少超过40%,时延平均从10.125 ms减小到4.83 ms。

分布式POS传递对准对InSAR干涉测量影响的分析

为了得到分布式POS在进行传递对准过程中由于大气扰动产生的挠曲变形姿态误差,以及这些误差与干涉式合成孔径雷达(InSAR)高程测量误差间的对应关系,提出了一种利用"速度+姿态"的传递对准方法,并利用它的误差来作为高程测量模型的输入,最后得出载机在传递对准过程中导致的高程测量误差。为了验证实验,搭建了分布式测量平台,针对该平台,首先根据机翼杆的挠曲变形运动模型增加载机y方向的变形角为Kalman滤波的状态变量,从而进行更精确的估计和补偿。然后推导了InSAR干涉测量的绝对误差表达式以及参数的选取。最后根据滤波结果和高度误差机理分析了横滚角误差对InSAR的高程信息产生的影响。通过仿真分析,传递对准得到的水平失准角误差小于0.009°,方位失准角误差小于0.015°,并且在横滚角误差为±0.089°时,高程误差小于4.2 m。

轻小型惯性稳定平台位置环协同通信控制方法

针对轻小型航空遥感系统对姿态大机动的快响应需求,设计了一种轻量型惯性稳定平台位置环协同通信与姿态超限快响应控制策略,将位置环反馈回路设计为两种可切换工作模式。伺服模式下,参考位置姿态系统的输出,通过设计二者协同通信,保证稳定平台对飞行姿态及扰动的实时隔离;编码器实时监测框架间相对角位置,超限位且载荷视轴与垂直方向误差较大时切换模式。超限快速回复模式下,以编码器值为位置环反馈量,使用大增益将平台由超限位置迅速调整到最大限定位置,并实时监测POS值,在载荷视轴位置误差较小时返回伺服模式。实验表明,该方法可靠、有效实现了稳定平台与位置传感器的高精度实时通信与控制。

基于反馈线性化和保性能控制的轴向磁轴承单侧线圈故障容错控制

针对轴向永磁偏置磁轴承一侧线圈无电流时磁轴承承载能力下降且非线性增强的情况,提出一种反馈线性化与保性能控制相结合的组合容错控制策略来提高轴向磁轴承在故障情况下的承载能力并使其能在承重时稳定悬浮转子。首先,建立了故障情况下后轴向磁轴承-转子系统的非线性动力学模型,通过反馈线性化方法使系统大范围线性化。然后,在考虑参数摄动的基础上设计最优保性能控制器使转子稳定悬浮。最后,在轴向一侧线圈无电流的永磁偏置磁悬浮转子上进行了多项实验。实验结果表明,所设计的组合容错控制器实现了承重情况下转子的稳定悬浮,摄动最大的参数变化约35%时位移跳动量峰值为2.6μm,超调量小于3%,调节时间为82ms。结果验证了该方法不仅能实现容错控制,而且具有良好的动静态性能及鲁棒性。