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题名:
航空相机摆扫及动态稳像控制技术研究
作者: 周黎
学位类别: 博士
答辩日期: 2011-05
授予单位: 中国科学院研究生院
授予地点: 北京
导师: 高晓东 ; 杨世洪
关键词: 步进分幅式航空相机 ; 步进电机运行曲线 ; 4 阶轨迹规划及前馈控制
学位专业: 光学工程
中文摘要: 步进分幅式航空相机在垂直于载体航向的方向上的多个位置成像,扩大了相
机拍摄的覆盖范围,提高了效率,是航空相机的一个重要的发展方向。本文对分
幅式航空相机摆扫控制和稳像控制中的关键技术进行了深入的研究。
本文讨论了两种不同的航空相机控制系统:基于步进电机开环控制的航空相
机摆扫控制系统;利用编码器和速率陀螺的测量信号进行反馈,实现伺服电机闭
环控制的航空相机摆扫及稳像控制系统。
为了实现基于步进电机开环控制的高速高精度摆扫,防止由于失步带来的定
位误差,深入分析了步进电机的运行原理,建立了步进电机相电压模型并讨论了
步进电机的力矩特性。提出了一种基于正矢函数的步进电机运行曲线设计方法。
它具有高阶平滑的特性,可以有效地提高运动的平稳性,减小冲击和残余振动幅
度,防止步进电机失步。
为了在数字信号处理器平台上实现所设计的步进电机运行曲线,提出了一种
基于步进脉冲时刻精确控制的方法。将运行曲线按步距角离散化得到各个输入脉
冲时刻,利用定时器对脉冲时刻进行精确控制,使电机实际运行轨迹对理论轨迹
的逼近程度达到了最优。仿真和实验结果表明,所提出的运行曲线设计和实现方
法满足航空相机摆扫控制的要求,重复性定位精度优于10″。
在航空相机伺服控制系统中,采用了轨迹规划的思想来解决基于伺服电机的
摆扫控制问题。研究了4 阶轨迹规划算法,针对现有算法计算繁琐,效率低下的
问题,研究了一种基于轨迹分类计算的快速算法,有效减小了计算量,提高了效
率,适合实时计算。结合4 阶轨迹规划算法,研究了4 阶前馈控制技术。讨论了4
阶轨迹规划及前馈控制在数字系统中的实现问题。
研究了零相差前馈跟踪控制技术用于对设计轨迹的跟踪。不同于4 阶前馈控
制,零相差跟踪控制器直接在离散域进行设计,不受轨迹类型的限制,为解决伺
服摆扫控制问题提供了另一种途径。针对零相差跟踪控制系统幅频增益误差及高
频噪声放大问题,提出了一种考虑高频段抑制的增益误差补偿器的设计方法。针
对外加干扰和系统参数漂移的问题,研究了增强零相差跟踪控制器鲁棒性的方法。
在视轴稳定伺服控制系统中,低速下摩擦力的非线性对控制精度带来很大影
响。为解决这个问题,深入分析了非线性摩擦力的性质,建立了摩擦力模型,比较研究了几种非线性摩擦的估计和补偿技术。
以航空相机镜筒轴为研究对象,建立了伺服控制系统仿真模型。系统的介绍
了4 阶轨迹规划及前馈控制算法、零相差跟踪控制算法在航空相机摆扫控制中的
设计和实现流程。设计了基于积分分离反馈控制和电流前馈控制相结合的航空相
机视轴稳定控制算法,利用Kalman 滤波算法进行了摩擦估计和补偿。仿真结果表
明,本文所研究的伺服控制技术满足航空相机摆扫及稳像控制的要求。
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.ioe.ac.cn/handle/181551/559
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周黎. 航空相机摆扫及动态稳像控制技术研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2011.
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