多源干扰环境下多任务三轴惯性稳定平台高精度控制方法研究

Since three axis inertially stabilized platform can isolate the non-ideal motion of airplane to improve the image performance, its control performance has become the bottleneck of the improvement of the high resolution aerial remote sensing earth observation system.Focusing on the mechanism of system model error and multi-disturbances, the high performance control method is proposed for the multi-frames nonlinear coupling system. The model error generated by the non-orthogonal mapping among the criterias of load line and the angle speed of the frames are analyzed. Furthermore, the coupling mechanism of multi-disturbances for the system error are also analyzed. And then, a high performance nonlinear dynamic model in geographic coordinate system is constructed by using the anlge and angle speed of the load as the cotorl variables. To deal with the parameter uncertainties and multi-disturbances, a model reference adaptive control and a compound layered observer control method are constructed to estimate and eliminate disturbances effectively. The three axis inertially stabilized platform can realize stable control with random loads under multi-disturbances environment. The research will improve the image performance of the high resolution aerial remote sensing earth observation system effectively. Moreover,it will provide technical support for the improvement of the control performance of the vehicle inertially stabilized platforms and the shipboard inertially stabilized platforms.

三轴惯性稳定平台多扰环境下的控制精度已成为高分对地观测系统遥感成像质量提升的瓶颈问题。本项目拟从系统模型误差机理和干扰特性分析出发，研究多轴多框架非线性耦合系统在多源干扰环境下的高精度控制方法。针对三轴惯性稳定平台动基座条件下多框架耦合导致的传统动力学模型被控量与遥感载荷视轴精度评估量之间的非线性关系，以及多源干扰对稳定平台误差表征量的耦合作用机理，探索建立以遥感载荷视轴角度和角速度为被控量的三轴惯性稳定平台地理坐标系的高阶非线性控制模型；针对三轴惯性稳定平台干扰的多源、多结构和控制模型参数不确定性，探索基于模型参考自适应控制器和复合分层干扰观测器的复合高精度控制方法，对多源干扰进行有效估计、抵消和抑制，实现多任务不同重量遥感载荷复杂环境下的高精度控制。项目的研究工作将有效提高航空遥感高分辨率对地观测系统的成像质量，并为舰载、车载等动基座稳定平台精度提升提供技术支撑。

从系统模型误差机理和干扰特性分析出发，研究多轴多框架非线性耦合系统在多源干扰环境下的高精度控制方法。针对三轴惯性稳定平台动基座条件下多框架耦合导致的传统动力学模型被控量与遥感载荷视轴精度评估量之间的非线性关系，以及多源干扰对稳定平台误差表征量的耦合作用机理，基于牛顿欧拉方法建立了基于感载荷视轴角度和角速度为被控量的三轴惯性稳定平台地理坐标系的高阶非线性控制模型，提高模型精度，为进一步高精度控制奠定基础。.针对三轴惯性稳定平台干扰的多源、多结构和控制模型参数不确定性，设计了基于自适应扩张状态观测器（AESO）和全局快速终端滑模控制（GFTSMC）的高精度复合控制算法。基于带宽自调整策略，AESO避免了高观测带宽所带来的峰值现象以及引入高频噪声的问题，提高了AESO对扰动的估计能力。算法的反馈控制律选择GFTSMC来处理系统的非线性、框架耦合、参数摄动以及内外干扰，结合AESO的扰动估计，提升ISP的抗干扰能力和控制精度，并通过李亚普诺夫函数证明该算法的稳定性。.针对机载惯性稳定平台载荷多样性导致的模型参数不确定性，设计了基于模型参考自适应控制和自适应神经网络的高精度控制方法，有效抑制模型参数不确定性，实现多任务不同重量遥感载荷复杂环境下的高精度控制。.针对惯性稳定平台作业过程中发现的GPS缺失导致位置发散问题，研制了新一代的基于模糊自适应位置估计算法，通过姿态信息估计速度，然后估计位置的设计理念，保障5分钟内的测量精度。.针对高精度巡检需求， 研制两代机载惯性稳定平台，并在天津宝坻、河北廊坊和河南新郑等地开展上百次飞行测试，系统可以实现高精度地面信息获取。