1 南京电子技术研究所 人脑机实验室, 江苏 南京 210039
2 北京遥测技术研究所 控制系统与技术研究室, 北京 100076
本文设计了一种可以使光电伺服平台对目标对象进行高精度、稳定追踪的基于双速度环的扰动观测器，可以消除光电平台内部摩擦力矩、外部载体扰动以及传感器噪声的影响，提升系统的动态响应性能。首先，根据直流电机工作原理与负载模型，建立双速度环的数学控制模型。接着，通过分析多类型传感器的速度信号频谱和响应性能，选择噪声和延时较小的圆光栅代替传统测速设备，作为速度控制内环；同时选择光纤陀螺作为速度外环的反馈设备。然后，基于陀螺速度信号设计扰动观测器，对内速度环中的扰动补偿残差和外部载体扰动信号进行观测，并进行前馈信号补偿。实验结果表明，双速度环观测器的控制方法可以将系统调节时间降至原来的45%，在不同幅值（0.25°~2°）和频率（0.25 Hz~2 Hz）的正弦扰动信号下，该方法均能显著提高系统的扰动抑制能力，并将系统隔离度由原来的20.9 dB提升至30 dB。本文所提出的基于双速度环扰动观测器的控制方法满足光电跟踪平台快速响应、跟踪稳定、抗干扰能力强等要求。
视轴稳定 双速度环 扰动观测器 陀螺噪声 系统隔离度 line-of-sight (LOS) stability double speed loop disturbance observer gyro noise system isolation degree 
1 南京信息工程大学自动化学院，江苏 南京 210044
2 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
3 中国船舶重工集团公司第七一九研究所，湖北 武汉 430064
4 东北大学信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110167
Overview: The fast steering mirror is an important component of a high-precision photoelectric tracking system. Fast steering mirrors are generally driven by voice coil motors with high linearity, high sensitivity, and high bandwidth to ensure adequate tracking and anti-interference accuracy of the whole system. In recent years, with the expansion of applications, the photoelectric tracking system has expanded from a fixed platform mounted on a foundation to a moving platform. However, the environment in which the motion platform is located is more severe and the internal and external interference caused by the carrier attitude change will be more complex and intense, leading to a serious decrease in the accuracy of the visual axis stabilization, and even make the tracking target out of the field of view and lose the target. In general, for the photoelectric tracking system in a moving platform, the traditional passive interference suppression methods and the active interference suppression methods that treat the interference as lumped interference will not be enough to ensure the high-precision stability of boresight. Therefore, this paper proposes a sliding mode composite layered interference observation and compensation control strategy which combines harmonic interference observation and extended state observation. Firstly, the harmonic disturbance observer is used to observe the harmonic disturbance with a priori frequency information. Then, the extended state observer is used to observe other unknown disturbances. Finally, based on the observed multi-source interference, the sliding mode nonlinear method with anti-interference ability is used to design a composite controller to maximize the suppression of multi-source disturbances suffered by the system. The experiment shows that the sliding mode composite layered interference observation compensation method proposed in this paper can estimate multi-source interference more accurately, has stronger interference suppression ability, and obtains higher boresight stabilization accuracy for the fast steering mirror compared with the traditional single interference observation compensation method.
快反镜 视轴稳定 复合分层 谐波干扰观测器 扩张状态观测器 滑模 fast steering mirror LOS stability composite layered harmonic disturbance observer extended state observer sliding mode
1 长春理工大学机电工程学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学空地激光通信技术国防重点实验室, 吉林 长春 130022
为提高空间激光通信效率,实现空间激光通信组网,对激光通信组网从光端机控制技术进行研究。首先,阐述空间激光通信组网“一对四”系统原理,并分析从光端机控制方式;然后,对从光端机捷联控制技术建立数学模型并设计非线性跟踪微分器,对从光端机的方位轴进行MATLAB仿真分析;最后,搭建组网通信系统,对从光端机进行实验。实验结果表明,从光端机在引入非线性微分跟踪器后,其方位轴跟踪精度从105 μrad(3σ)降低到31 μrad(3σ),系统精度得到了有效的提高。
光通信 激光通信组网 从光端机 视轴稳定 微分测速 光学学报
2021, 41(14): 1406001
1 中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳 110016
2 中国科学院机器人与智能制造创新研究院，辽宁 沈阳 110016
3 中国科学院光电信息处理重点实验室，辽宁 沈阳 110016
4 中国科学院大学，北京 100049
气流随机冲击引起的姿态扰动是飞行器光电系统的主要扰动源，在系统自身转轴摩擦和质量不平衡等因素的作用下，严重影响了光电系统视轴稳定性。为了有效抑制扰动力矩的影响，建立了外俯仰、内方位两轴光电系统动力学模型，给出了扰动因素和运动耦合综合作用下的扰动传递关系。根据系统动力学模型，提出了扩展卡尔曼滤波扰动力矩估计方法，并构建扰动力矩前馈控制回路，实现了对扰动力矩的实时补偿,大大提高了光电系统的稳像控制精度。利用飞行模拟转台对某两轴光电系统进行了半实物仿真实验，结果表明: 在幅值为1°、频率为2 Hz的载体扰动条件下，采用前馈补偿方法系统俯仰和方位框架的视轴稳定精度均方根值分别达到0.026 4 mrad和0.029 0 mrad，相比扰动观测器控制方法分别提高了64.1%和69.6%。
视轴稳定 光电稳像平台 扩展卡尔曼滤波 前馈补偿 line-of-sight stabilization opto-electronic stabilized platform extended Kalman filter feed-forward compensation 红外与激光工程
2019, 48(10): 1013008
海鹰航空通用装备有限责任公司, 北京 100074
无人机系统重要的侦察设备是光电载荷。为了使光电载荷获得清晰的图像, 提出了新的控制策略, 以抑制视轴的扰动。首先, 以两轴两框架光电载荷为研究对象, 分析了其结构和工作原理; 然后, 分析了影响视轴稳定精度的扰动因素并将其分类; 接着, 提出了双速度环控制策略, 设计了自抗扰稳定控制器; 实验研究表明, 采用该视轴稳定技术的光电载荷, 其扰动抑制的效果能够达到技术指标要求。
侦察无人机 光电载荷 视轴稳定 自抗扰控制 双速度环 reconnaissance UAV opto-electronic load line-of-sight stabilization Active Disturbance Rejection Control (ADRC) dual rate-loop
成都航天通信设备有限责任公司，四川成都 610051
为提高激光跟踪精确度，采用相位法改进激光跟踪系统，发射机采用正弦信号调制激光功率，接收电路采用四象限雪崩光电二极管(APD)检测激光回波，通过快速傅里叶变换(FFT)计算失调角，稳定平台保持视轴稳定，并根据失调角跟踪目标。失调角误差是跟踪误差的主要因素之一，与信噪比和数据长度成反比，系统通过滤波、高速采样提高测量精确度。仿真时载体扰动幅度为 5°，信噪比为 0 dB，干扰信号为目标信号的 100倍，系统能准确识别目标，跟踪误差为0.033°，表明基于相位法的跟踪系统具有多目标、高精确度跟踪能力。
激光跟踪 相位法激光测量 四象限探测器 视轴稳定 快速傅里叶变换 laser tracking phase -shift lasermeasurement four quadrant detector optical axisstabilization Fast Fourier Transform 太赫兹科学与电子信息学报
2018, 16(1): 71
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 中国科学院航空光学成像与测量重点实验室, 吉林 长春, 130033
2 美国加利福尼亚大学洛杉矶分校, 亨利·萨缪理工程和应用科学学院, 美国 洛杉矶市, 希尔加德大道405
为了进一步提高复合轴航空光电稳定平台的性能, 文中首先在硬件电路中采用电流环将复杂的电机模型简化为一阶模型, 同时保证电机的输出力矩稳定; 然后在PD控制器的基础上, 引入了自适应鲁棒控制器, 对快速反射镜进行位置控制和扰动抑制; 最后分别通过带宽测试实验、扰动抑制实验、视轴稳定实验和鲁棒性实验对其性能进行测试, 并采用DOB型音圈式-快速反射镜和压电陶瓷式-快速反射镜做对比。实验结果表明: 相比于传统的DOB型音圈式-快速反射镜系统, 本文控制方法的参数鲁棒性更强; 相比于传统的压电式-快速反射镜, 本文控制方法不仅视轴稳定精度与其不相上下, 还具有更大的行程。除此之外, 在80 Hz以内任意频率扰动的影响下, 基于ARC型音圈式-快速反射镜的复合轴航空光电稳定平台的视轴稳定精度均可以控制在5 μrad(RMS)以内; 同时在-40 ℃~50 ℃的温度条件下依然可以保持该性能, 远远优于DOB型音圈式-快速反射镜的效果。本文控制方法完全满足高精度航空光电稳定平台的性能要求, 对提高航空光电稳定平台控制系统的抗扰动性能具有较高的实用价值。
航空光电稳定平台 音圈式-快速反射镜 压电式-快速反射镜 视轴稳定精度 参数鲁棒性 aerial photoelectrical stabilized platform VCM-FSM PZT-FSM stability precision of LOS parameter robustness
重庆理工大学 电气与电子工程学院, 重庆 400054
机载激光通信的视轴稳定是建立激光通信链路的前提。为了有效地克服载体扰动与参量改变对粗跟踪系统视轴稳定的不利影响, 设计了一种基于模糊神经网络的比例-积分-微分(PID)控制方法。该方法结合模糊理论的非线性控制能力与神经网络的自主学习能力, 实现了对PID参量的实时在线调整。结果表明, 与传统PID控制方法相比, 模糊神经网络PID控制方法提高了系统的动态响应速度, 减小了系统超调量, 当载体受到扰动与参量改变时, 具有较强的自适应性和鲁棒性。
光通信 机载激光通信 模糊神经网络 视轴稳定 比例-积分-微分控制 optical communication airborne laser communication fuzzy neural network optical axis stabilization proportion-integral-derivative control
