轻质非稳固基座航空光电平台整体动力学特性与完全稳定控制研究

Airborne imaging device is a typical imaging system with moving foundation. In order to guarantee the quality of image, an inertial stabilization platform is required to hold the line of sight. However, the dynamics of the platform considering the moving foundation has not been well studied in previous work. Besides, the bandwidth of control is difficult to further improve due to the position of the inertial sensor. In our previous work, we proposed a novel scheme by combining the perfect tracking control (PTC) and installing the inertial sensor on the foundation. Because of the insufficient consideration on the dynamics of the foundation, however, an oscillation occurs in the platform, especially when the system has a light and unfixed foundation. This proposal will consider the constraints of light and unfixed foundation and a PTC based control, and establish a complete multi-rigid-body model of the airborne optoelectronic system. Based on this work, the control algorithm will also be modified to remove the oscillation phenomenon by using the passivity theory. This research will supplement the theoretical structure of the dynamics model of airborne optoelectronic system. On the other hand, this work will also provide essential supporting to develop the next generation airborne optoelectronic system.

在以航空成像为代表的动基座成像系统中，为保证成像清晰需要采用稳定平台实现在曝光过程中视轴的稳定。然而，现有研究对光电平台自身基座的动力学特性考虑不足。并且由于惯性传感器安装位置的原因，导致光电平台稳定的控制带宽难以进一步提升。本课题在前期研究中提出一种惯性传感器与光电平台基座捷联，结合完全跟踪控制方法，在理论上实现宽频带的完全惯性稳定的新方案。但是，在前期研究中同时也发现由于对光电平台基座动力学特性的认识不足，特别是当基座自身惯量较小或处于非稳固的安装状态时，采用完全惯性稳定策略会引起抖振现象。本课题在前期研究的基础上，考虑了非稳固轻质基座动力学特性与完全跟踪控制作用等约束条件，建立一套更加完整的机载光电平台多体动力学模型；在此基础上结合无源性理论对控制算法进行改造消除抖振。一方面将丰富和完善机载光电平台动力学的理论构架，另一方面为研制新一代高精度宽频带机载光电系统提供必要的基础支撑。

航空光电平台是典型的动基座成像系统。通过平台框架的控制能够使得视轴保持惯性稳定，从而保证清晰成像。然而，现有研究对光电平台自身基座的动力学特性考虑不足。当基座自身惯量较小或处于非稳固的安装状态时，在采用复合控制结合捷联稳定结构时平台会出现严重的振荡现象，限制了稳定性能的提升。针对此问题，项目分析了非稳固轻质基座动力学特性与完全跟踪控制作用等约束条件，建立一套更加完整的机载光电平台多体动力学模型。新的动力学建模过程中，将控制作用引入到建模过程中，更准确地揭示了整套系统的动力学特性。基于该模型，结合控制理论的研究和改进对控制量进行了改造，基于三步法重新设计了控制量，有效消除了振荡的同时进一步提升了稳定性能。项目完成了预期研究内容，较好地解决了这一问题，在理论上丰富和完善机载光电平台动力学的理论构架，为研制新一代高精度宽频带机载光电系统提供必要的基础支撑。研究成果已应用于工程实践。研发了两款新型光电稳定平台。发表论文9篇，申请专利2项，参加国内外学术会议2次，培养毕业博士研究生1名。