机载光电跟踪系统的自抗扰与快速非奇异终端滑模组合控制方法 高雨轩, 侯远龙, 高强, 侯润民(南京理工大学 机械工程学院, 江苏 南京 210094)0 引言随着国内外无人机相关技术飞速发展,由无人机代替人工进行作业成为了一个发展趋势由于无人机的广泛应用,出现了许多对无人机实现任务载荷的研究机载目标跟踪系统的研究对无人机实现任务载荷具有实际的理论意义和广泛的应用价值在大多数情形下又称其为机载光电跟踪系统,其中包括了目标检测、目标跟踪、伺服控制以及机械结构等不同模块, 主要分为两大分系统,即为图像跟踪分系统和跟踪控制分系统,分别实现目标跟踪和视轴稳定跟踪的功能跟踪控制是本文主要的研究内容,包括了对光电稳定平台机械框架和伺服控制系统的研究机载光电跟踪系统由于受到外部干扰、内部参数摄动和未建模动态等扰动的影响,使跟踪控制分系统的设计面临巨大的挑战本文对光电稳定平台的物理结构框架和控制器的设计进行研究:1)在物理结构框架上,两轴两框架是较为成熟的一种稳定平台结构目前大多数机载光电系统的研究都是以两轴两框架为准但是对于机载光电稳定平台来说,两轴两框架结构存在一些缺点如台体直接暴露在外部环境中,风阻力直接作用会造成较大的干扰力矩,导致稳定精度不高。
而且当传感器光轴垂直向下时(过顶状态),方位轴稳定功能丧失,不再具有两自由度稳定功能[1]2)在对控制器的设计上,由于对快速运动目标跟踪的准确性和实时性是当前机载目标跟踪的要求,因此对于伺服控制系统,控制视轴快速稳定地指向目标的控制技术是不可或缺的视轴稳定地指向目标才能使后续的目标跟踪得到更好的性能,因此视轴稳定指向目标是整个系统实现的前提跟踪控制分系统通过安装在无人机上的陀螺稳定平台,基于视轴稳定技术搜索或跟踪地面或空中目标 当载体的姿态角发生变化时,稳定平台可以隔离载体运动以及其他因素干扰,保证平台上的探测设备可以始终指向目标[2]但跟踪控制技术仍面临许多需要攻克的技术难题,如机械共振、陀螺仪信号漂移、温度影响、摩擦影响以及外部干扰等[3]自抗扰控制(ADRC)是韩京清[4]在经典PID控制基础上提出的一种能够处理工程应用中控制系统的外部干扰和内部不确定性的控制技术,可以在几乎无模型的基础上通过扩张状态观测器(ESO)估计总扰动量,并在控制端补偿来实现抗干扰和鲁棒性[4-5]滑模变结构控制(SMC)则通过滑模动态的设计使系统具备对参数及扰动的鲁棒性,实现简单且满足快速响应的需求[6-7]。
ADRC与SMC有着出色的效果,但又各自存在一些缺陷,例如传统非线性ADRC的参数过多且存在耦合,调整过程复杂,且其估计能力受限,当外扰频率较高时,状态观测器对总扰动的跟踪能力较差;而传统的滑模控制需要较大的切换增益来处理扰动影响,切换增益造成了抖振问题,影响了系统控制性能[8]目前流行的控制方法各有各的优缺点,往往单一的控制方法无法解决所有的控制难题,而组合控制方法可以整合它们的优点,取长补短,是当前一种主流的研究方向文献[9]提出一种基于积分终端滑模控制(ITSMC)和模型预测控制(MPC)来通过预定义的代价目标函数生成优化的控制信号文献[10]设计一种结合ESO、ITSMC和MPC的组合控制方法其中ESO处理扰动问题,ITSMC提高稳态跟踪精度,而MPC则优化了滑模控制在到达阶段的瞬态响应文献[11]提出结合快速非奇异终端滑模(FNTSM)、ITSMC和自适应估计技术优点的自适应FNTSM(AFNTSM)方法,使控制器的设计不需要干扰的上限信息,且其在四旋翼无人机的姿态控制上,比传统的滑模控制具有更快的收敛速度和更强的鲁棒性文献[12]提出一种基于ADRC的反演跟踪控制器来应对具有任意初始条件和外部干扰以及模型不确定性的分数阶系统,在分数阶ADRC(FADRC)[13]的基础上提升了收敛性。
受到上述讨论的启发,本文一方面用两轴四框架平台结构替换两轴两框架作为研究对象来解决过顶盲区和锁死问题,同时隔离了风阻力直接影响,也拓展了光轴的转动范围针对两轴四框架结构建立系统的运动学方程,并结合扰动建立了系统模型另一方面,在设计控制系统时,本文采用了自抗扰和滑模控制的组合控制方法,即引入线性ESO(LESO)来估计总扰动并在控制端进行补偿,从而允许滑模控制设置较小的滑模切换增益,以使跟踪误差收敛的同时减小抖振,并通过设计FNTSM面得到控制率,加快系统收敛的同时避免非奇异现象数值仿真结果表明本文的组合控制方法相比线性自抗扰和传统滑模控制具备更快速的收敛性和出色的鲁棒性,并且有效减小了滑模控制引入的抖振,验证了理论方法的有效性1 机载光电跟踪系统1.1 系统组成机载光电跟踪系统可以分为光电探测设备、图像检测与跟踪分系统、跟踪控制分系统和稳定平台机械框架4个模块,如图1所示图1 机载光电跟踪系统Fig.1 Airborne optoelectronic tracking system机载光电跟踪系统是“光机电”一体化的有机整体[14], 其中:“光”是指光电平台的可见光相机、红外热像仪以及激光测距仪等光电探测设备,可以实现捕获图像以及测距等功能;“机”是指系统的框架、轴承等机械结构,是光电探测器以及伺服控制系统的载体;“电”是指整个系统的处理单元,也是核心,包括了根据得到的图像来检测与跟踪目标的图像处理单元以及发出指令带动电机来实现视轴稳定快速指向目标的跟踪控制单元。
1.2 工作原理机载光电跟踪系统首先由可见光相机等设备捕获需要跟踪的对象的图像,通过图像检测算法或操作人员操作手柄来得到跟踪对象的初始位置和用于提取目标特征的图像块随着对后续得到图像的连续帧使用提取的目标特征做匹配来实现对目标的持续跟踪,这其中包括了对当前帧中检测到的跟踪对象进行位置、尺度和运动姿态等信息的测量,以及对目标特征的持续提取位置、尺度信息可以使系统计算得到视轴与跟踪目标当前位置的方位和俯仰角度脱靶量,将其作为参考值输入跟踪控制分系统(方位伺服和俯仰伺服系统),来控制方位框架和俯仰框架的转动,最终实现使光电探测器的视轴稳定而快速地跟踪目标对象2 跟踪控制分系统目标跟踪系统要求在机载环境下迅速捕获、跟踪、瞄准运动目标由于机载环境下干扰严重而系统的跟踪精度要求又较高,而视轴能否快速稳定地跟踪目标直接影响到后续的目标检测与目标跟踪算法执行结果,所以系统控制平台的稳定性与跟踪控制方法的优劣直接决定着机载目标跟踪系统的性能跟踪控制器的主要任务就是根据目标角度脱靶量控制方位电机和俯仰电机运动,保证视轴始终指向跟踪目标,因此会对控制精度和响应速度有较高的要求2.1 机械框架两轴四框架的平台结构如图2所示,分为内外框架系统,a为内方位框架,e为内俯仰框架,A为外方位框架,E为外俯仰框架。
内框架决定稳定精度,角速率陀螺仪安装在内俯仰环上,用来测量干扰角运动、内框架电机带动的角运动及外框架转动造成的内框架耦合角运动总和并反馈,将偏差信号经控制器处理分别送到e、a框架的力矩电机,使其偏转抵消干扰以实现内框架的光轴稳定外框架扩展了平台的转动范围,同时也可以隔绝飞行风阻干扰外框架是随着内框架偏转而转动的,安装在内框架上的光电编码器分别将两个内框a、e相对于两个外框A、E的角度偏差信号,经伺服回路送到A、E上的力矩电机,从而控制外框架系统随动内框架系统通常控制内框架小幅度转动,而外框架可以大幅度转动且随动内框架利用内外框架的活动范围,可以保证内框架的方位和俯仰相互垂直状态,消除两框架的环架自锁盲区问题[15]图2 两轴四框架的平台结构Fig.2 Two-axis four-gimbal platform structure2.2 运动学与动力学分析定义载体坐标系为右手系OXvYvZv,外方位坐标系为OXAYAZA,外俯仰坐标系为OXEYEZE,内方位坐标系为OXaYaZa,内俯仰坐标系为OXeYeZe假设光电平台为刚体,且5个坐标系的原点与平台旋转中心重合为O点如图3～图6所示,载体坐标系OXvYvZv绕Yv轴旋转θA后得到外方位框架坐标系OXAYAZA,外方位框架坐标系OXAYAZA绕ZA轴旋转θE后得到外俯仰框架坐标系OXEYEZE,外俯仰框架坐标系OXEYEZE绕YE轴旋转θa后得到内方位框架坐标系OXaYaZa,内方位框架坐标系OXaYaZa绕Za轴旋转θe后得到内俯仰框架坐标系OXeYeZe。
图3 载体坐标系v到外方位坐标系A的变换Fig.3 Transformation from coordinate system v to A图4 外方位坐标系A到外俯仰坐标系E的变换Fig.4 Transformation from coordinate system A to E图5 外方位坐标系E到内方位坐标系a的变换Fig.5 Transformation from coordinate system E to a图6 内方位坐标系a到内俯仰坐标系e的变换Fig.6 Transformation from coordinate system a to e则这5个坐标系的变换关系为(1)式中:RvA为载体坐标系v到外方位坐标系A的变换矩阵;RAE为外方位坐标系A到外俯仰坐标系E的变换矩阵;REa为外俯仰坐标系E到内方位坐标系a的变换矩阵;Rae为内方位坐标系a到内俯仰坐标系e的变换矩阵2)设外方位框架A的角速度为ωA,则外方位框架A对外俯仰框架E的耦合作用ωAE为(3)相似地,设外方位框架E的角速度为ωE,则外俯仰框架E对内方位框架a的耦合用ωEa为(4)设内方位框架a的角速度为ωa,则内方位框架a对内俯仰框架e的耦合作用ωae为(5)如此,由式(2)～式(5)递推可以得到载机干扰角速度对内俯仰框架e也就是传感器瞄准线的干扰角速度ωae。
负载角速度ωl由载机干扰角速度ωae和电机偏转角速度ωm[15]组成:ωl=ωae+Tmωm(6)式中:Tm为各框架电机转动对负载的旋转矩阵,为该框架到内俯仰框架之间耦合角度的变换矩阵由此可得(7)故而可通过给定的负载所在的内俯仰框架角速度ωl得到各电机偏转角速度ωm来实现对视轴的控制[15]2.3 内外扰动分析由于控制系统工作的环境较为复杂,系统实际上不可避免地会受到许多干扰,导致了控制精度的下降这里将所受的扰动主要分为3大类别:模型扰动、力矩扰动和传感器扰动模型扰动的产生是由所建立的模型与实际模型的偏差导致的,模型的不准确是实际系统控制中不可避免的问题降低模型扰动对控制精度的影响主要靠通过其他方式得到更准确的数学模型或是使用ADRC等不依赖模型的控制方法力矩扰动是指作用在平台框架上的各种使框架无法按照设计的运动状态转动的扰动力矩,包括摩擦力矩、质量不平衡力矩、载机振动以及机械谐振等其中摩擦力矩是带来复杂、非线性等影响的不确定因素,影响稳态精度的同时使系统产生振荡等现象,分析和抑制摩擦力矩是控制学的研究热点之一[16]对力矩扰动的抑制方法主要有对摩擦等力矩的补偿、对稳定平台的装配满足质量静平衡准则以及机械结构与控制器间优良的协同设计[17]。
传感器扰动是指传感器的测量误差来带的扰动光电跟踪系统搭载了许多传感器,包括红外热像仪、可见光相机、激光测距仪、陀螺仪和旋转变压器等这些传感器的噪声导致了反馈控制的反馈信息不精确,从而控制精度降低由于机载控制系统对控制精度的高要求,分析扰动因素,提高系统的抗干扰性和鲁棒性是系统控制器设计的主要研究方向2.4 模型建立图7 内外框架控制系统结构框图Fig.7 Diagram of control system of inner and outer gimbals因为内框架的控制系统决定了视轴能否稳定快速指向目。