基于陀螺稳定的机载光电转塔系统建模与仿真

作者:余驰; 刊名:激光与红外 上传者:柳国庆

【摘要】机载光电转塔系统是一种多自由度高精度随动控制系统。能够快速随动、大范围跟踪、高精度对被探测区域目标进行搜索、捕获、跟踪和瞄准,为载机提供高精度和高分辨率的外部环境信息,用于态势感知和指挥决策。建立两轴两框机载光电转塔系统在方位和俯仰的陀螺稳定数学模型,及两者之间的耦合关系。搭建了机载光电转塔系统在方位和俯仰两个自由度的联合仿真模型,根据实际应用需求,在MATLAB仿真环境下对不同外部输入和模拟载机姿态变化扰动的环境进行了全系统联合仿真。对系统的仿真特性进行了分析,仿真结果表明,建立的全系统联合仿真模型合理,系统能够快速响应与稳定控制调节,具有较高的陀螺稳定随动控制精度。

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1引言机载光电转塔系统是一种多自由度高精度的随动控制系统,其多数以两自由度随动运行实现对外部被探测区域的搜索、捕获、跟踪、瞄准,可通过光电传感器为载机提供高精度和高分辨率的外部环境信息感知。机载光电转塔系统按照应用领域可分为军用和民用光电转塔系统,按照光电载荷工作波长可以分为可见、激光和红外光电转塔系统;按照稳定轴数可以分为两轴、三轴和多轴光电转塔系统[1-2]。载体姿态的变化、外部扰动的作用、系统控制的抖动、系统运行引起的振动等因素均会引起视轴指向的不稳定[3]。这对于外部环境信息的态势感知和指挥决策均受到影响,为了获取稳定清晰的图像和视频信息,就需要通过陀螺、光学、电子等方法来稳定光电转塔系统。文献[4]~[9]分别对电子稳像、稳像算法、光学图像视轴稳定建模与试验、光学稳像进行了分析研究。文献[10]~[20]分别对光电稳定陀螺滤波、跟踪装置控制、控制算法、陀螺稳定平台姿态控制、光电转塔系统设计和光电平台稳定原理等进行了建模、仿真、试验和分析研究。诸多的文献对机载光电稳定技术进行了研究和分析,为精确的光电探测和应用提供了研究支持。而两自由度联合建模,全系统仿真与分析,对机载光电转塔系统全过程应用有更大的实际意义。本文以两自由度机载光电转塔系统为对象,分析系统在方位和俯仰两个自由度的陀螺稳定数学模型,及两者之间耦合关系。建立了系统两个自由度联合仿真的模型,并在不同的外部指令输入和模拟姿态扰动环境下进行了仿真,对仿真特性进行了分析。2机载光电转塔陀螺稳定的数学模型两轴两框机载光电转塔系统稳定结构原理如图1所示,Y框为方位框;P框为俯仰框,以实现在两自由度的随动。建立载体坐标系OXaYaZa、机载光电转塔系统方位框坐标系OXyYyZy和俯仰框坐标系OXpYpZp。、分别为方位框坐标系OXyYyZy和俯仰框坐标系OXpYpZp绕OZa和OXy旋转的方位角和俯仰角。被稳定的器件安装在P框,其稳定基准线与OYp俯仰轴平行或重合,因此稳定基准线可由、确定[21]。图1机载光电转塔系统稳定结构原理图Fig.1Principlediagramofairborneoptical-electronicturretsystemstabilizedstructure先不考虑方位和俯仰两个自由度随动工作的状态,设ax、ay、az分别为载体以a的角速度运行时在载体坐标系OXaYaZa中三个轴的分量。ax、ay、az通过OZa轴的摩擦和几何约束耦合到方位框中,可以得到ax、ay、az分解到方位框坐标系三个轴的角速度分量分别为yx、yy、yz。如图2和图3所示。即:图2方位与载体坐标系的转角和速度图Fig.2Angleandvelocitydiagramofyawingwithaircraftcoordinate图3俯仰与方位坐标系的转角和速度图Fig.3Angleandvelocitydiagramofpitchingwithyawingcoordinateyxyyyz?=Ty,aaxayaz?(1)其中:Ty,a=cossin0-sincos0001?(2)yx、yy、yz通过OXp轴的摩擦和几何约束耦合到俯仰框中,可以得到yx、yy、yz分解到俯仰框坐标系三个轴的角速度分量分别为px、py、pz。即:pxpypz?=Tp,yyxyyyz?=TP,aaxayaz?(3)其中:Tp,y=1000cossin0-sincos?(4)Tp,a=Tp,yTy,a(5)Tp,a=cossin0-sincoscoscossinsinsin-cossincos?(6)考虑机载光电转塔系

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