基于比例多重积分观测器的三轴惯性稳定平台加速度计测角误差估计

航空遥感三轴惯性稳定平台用于有效隔离飞行载体的偏航及姿态角运动,使成像载荷沿航向平稳飞行并保持载荷视轴对地垂直指向。通常情况下,稳定平台采用高精度位置姿态测量系统(Position and Orientation System,POS)作为姿态角传感器,一旦POS发生故障会导致平台失稳甚至危及载荷安全。为了提高平台运行可靠性并保证载荷安全,考虑了一种以加速度计作为姿态角冗余传感器的双工作模式,即POS组合工作模式和自主工作模式。当POS发生故障时平台切换到自主工作模式,依靠平台自身加速度计组件进行姿态控制。但与POS相比,加速度计测角易受载体扰动加速度影响从而导致测角误差较大,严重影响平台的稳定精度。针对这一问题,提出了一种基于比例多重积分(Proportional and Multiple-integral,PMI)观测器的加速度计测角误差估计方法,对平台系统建模及PMI观测器的设计过程进行了详细的论述,并利用真实飞行实验数据进行了性能测试。结果表明该方法对实际误差的估计精度达到0.0701°(RMS),可较好的估计出加速度计测角误差,为提高平台自主工作模式的稳定精度奠定基础。     

惯性稳定平台扩张状态观测器/PD复合控制

为提高惯性稳定平台控制系统的稳定精度,在常规PID控制的基础上提出了一种扩张状态观测器与PID相结合的复合控制算法。利用扩张状态观测器将惯性稳定平台的各种内部扰动和外部扰动都视为总和扰动并观测出来,然后通过PID控制器进行误差反馈控制,从而提高控制系统的扰动抑制能力与稳定精度。以Lu Gre摩擦模型加入控制模型进行仿真分析,并通过北航自研的惯性稳定平台进行实验验证。结果表明:扩张状态观测器/PD复合控制方法具有高的扰动抑制能力,可显著提高稳定平台稳定精度。相比常规PID方法,扩张状态观测器/PD复合控制使横滚框和俯仰框的稳定精度分别提高了33.23%和55.01%。     

基于三环控制的惯性稳定平台不平衡扰动建模

不平衡扰动是惯性稳定平台的主要扰动因素之一,严重影响惯性稳定平台的稳定和跟踪性能,而且由于其形成原因的复杂性,对于惯性稳定平台的不平衡扰动,建立精确的模型比较困难。本文从不平衡扰动的来源出发,在惯性稳定平台三环控制系统模型的基础上,考虑到基座角运动和摩擦等扰动会使得平台偏转,而在偏转角的作用下会产生平台的不平衡扰动,进而完成不平衡扰动的建模。研究表明,不平衡扰动会对平台的性能造成较大影响,而且当干扰角运动幅值较大时,在不平衡扰动的作用下,系统角度输出稳态值会大大超过精度要求。研究成果为分析不平衡扰动对惯性稳定平台的影响提供了具体的模型依据,并为稳定平台不平衡扰动抑制方法的研究提供了对象条件。     

基于MSCMG大型遥感卫星高精度姿态控制方法

针对大力矩飞轮前馈和闭环反馈补偿复杂、对精度影响敏感性大的问题,提出了基于磁浮控制力矩陀螺闭环补偿的大型遥感卫星高精度姿态控制方法。该方法采用磁悬浮力矩陀螺为控制执行机构,通过变结构反馈补偿控制律设计,建立新的运动补偿控制系统,减小相机和卫星本体耦合效应。基于磁浮力矩陀螺力矩大、反向激励扰动小、精度高的特性,将其应用于对地遥感成像相机运动补偿控制系统中,仿真结果表明,与飞轮前馈补偿相比,姿态稳定度提高了一个数量级,有效提高空间大惯量卫星姿态控制的稳定度,提升相机对地成像质量;研究结果可为甚高精度卫星姿态控制与载荷运动补偿提供参考。     

基于状态观测器的扰动补偿在转台控制中的应用

为了减小干扰力矩对转台性能的影响,提出了基于观测器的扰动补偿控制来抑制干扰力矩的方法.首先采用传递函数的方法分析了状态观测器中各观测状态与观测器输入之间的关系,利用观测器获得角加速度信号构造扰动补偿器对外部扰动进行补偿控制,设计了具有扰动补偿的转台控制系统,并分析了加入扰动补偿后对控制系统的影响.分析和试验结果表明,此基于状态观测器的扰动补偿可以对低频的扰动进行有效的抑制,能够显著的提高转台低频小信号振动时的失真度和三轴联动精度,同时对瞬态扰动也有一定的抑制作用.     

航空遥感三轴惯性稳定平台双速度环控制

航空遥感三轴惯性稳定平台用于稳定成像载荷,获取高分辨率的遥感数据。针对惯性稳定平台视轴稳定控制中单速度环对干扰力矩抑制的不足,提出采用以编码器进行数字测速构成速度内环、利用速率陀螺构成速度外环的双速度环复合控制方案,将稳定回路抗内部干扰功能和隔离外界干扰功能分开设计实现,以提高系统稳定精度。分别对单速度环和双速度环对扰动的抑制能力进行了理论分析和对比,并在理论分析基础上,对单速度环和双速度环的扰动抑制能力进行了Matlab仿真分析和实验验证。结果表明：与单速度环相比,双速度环可明显减小质量偏心、摩擦等主要内部干扰以及外部基座低频扰动造成的稳态误差,静基座摇摆伺服稳定角速度RMS值减小了52.3%,静基座调平姿态精度RMS值减小了22.1%,动基座调平姿态精度RMS值减小了37.4%。     

数字式惯性平台稳定回路的离散变结构控制

为了实际实现具有良好跟踪精度和抗干扰能力的惯性平台稳定回路,建立了平台伺服电机的离散时间模型,设计了由单片机和高速DSP组成的数字控制系统,与惯性平台组成了基于采样数据的平台稳定控制回路,研究了离散变结构控制趋近律的选取方法,采用改进趋近律设计了离散变结构控制律,提出了一种数字式平台稳定回路的离散变结构控制方法,通过实物实验得出了平台伺服电机转轴摩擦力矩模型系数的估计值,并将其引入到控制系统中.仿真实验结果表明,该回路系统对于摩擦力矩和系统参数不确定性具有一定的抗干扰性能,对于阶跃干扰力矩输入具有良好的动态特性,且静态力矩刚度提高到1.2×104 N.m/rad,系统对于斜坡和加速度输入信号实现了平稳跟踪,跟踪误差最大值分别为0.0056 rad和0.0597 rad.     

无刷直流力矩电机系统的自适应扰动力矩补偿研究

陀螺漂移测试转台无刷直流力矩电机系统中存在波动力矩和负载力矩振动，这严重地影响了转台速率平稳度。为提高转台速率状态位置跟踪精度，设计了一种自适应补偿方法。该方法包含一个参自适应律和等效PID控制律，它利用前馈补偿原理，来估计电机中未知参数以及波动力矩和负载力矩参数并给与补偿。该自适应补偿方法保证了闭环系统全局稳定性和对期望位置信号的渐进跟踪。仿真结果证明：该方法有效地提高了转台速率状态跟踪精度。     

三自由度气浮台自动平衡系统动力学建模

为了在地面模拟卫星的姿态运动,三自由度气浮台的回转中心应与重心重合,并且各轴与对应卫星各轴应具有相等的转动惯量,实现1∶1模拟,这样执行机构的控制力矩矢量与实际卫星相同;或两者的角加速度相一致,以模拟卫星在外层空间所受干扰力矩很小的力学环境.当重心相对于回转中心存在漂移时产生静态不平衡;主惯性轴相对于回转轴存在漂移时会产生动态不平衡.该文阐述了三自由度气浮台的平衡步骤以及手动平衡和自动平衡技术,推导了三自由度气浮台自动平衡动力学公式,并对平衡过程进行了数值仿真,仿真结果表明自动平衡调节可以使平台浮起部分的摆动周期延长至约1300 s.     

低轨纳卫星质量矩姿态控制技术研究

针对气动力矩严重影响低轨纳卫星姿态控制效果的问题,创新性地提出了利用质量矩技术将气动干扰转化为控制力矩的解决方法.由于气动力矩矢量垂直于大气来流速度方向,因而采用质量矩与磁力矩相结合的方式三轴全驱动控制卫星姿态,从而避免系统欠驱动. 建立双执行机构控制方式的姿态动力学模型,并根据各干扰项的影响简化了控制方程.针对气动力不确定、星体参数误差、未知环境影响等复杂干扰,设计了针对理想控制力矩基于干扰观测器的滑模控制器. 为减小滑块附加干扰力矩,研究了理想控制力矩的最优分配策略. 最后, 为双执行机构搭建了半物理仿真平台,结果表明: 姿态机动过程中, 与滑块加速度相关的附加惯性力矩远大于其他干扰项,最优力矩分配策略能够大幅减小快时变的附加干扰, 优化效果明显; 姿态保持过程中,干扰观测器能有效观测系统慢时变干扰, 提高滑模控制律的姿态控制精度,姿态角收敛误差小于$\pm $0.1$^\circ$.最终验证了在低轨纳卫星上利用质量矩技术控制姿态的可行性.      

惯性平台稳定回路的变结构控制

本文讨论了惯性平台稳定回路的变结构滑模控制规律的设计问题。在二自由度陀螺稳定平台中,稳定回路通常按角度输入进行设计,但是这种系统的动态误差主要来自舰船摇摆时轴上的摩擦力矩引起的稳定误差,因此,用经典方法设计的控制规律在实际使用中动态误差较大。本文用变结构滑模控制方法设计了控制规律,仿真结果表明变结构稳定回路的抗干扰能力和跟踪性能得到了较大的改善,提高了惯性稳定平台的可靠性和精度。     

Mathematical model of the sensor unit for processing on-board algorithms of navigation systems

Recently, strapdown gyro navigation systems have become widely used. In such systems, sensors, gyros, and accelerometers are placed directly aboard the object and an imaginary analytic trihedral is used instead of a stabilized gyroplatform. The object orientation with respect to the analytic trihedral is calculated by numerically solving the Poisson equations taking into account the readings of gyro sensors measuring the object angular velocities. The mutual orientation parameters permit recalculating the apparent acceleration measured by the accelerometers on the object axes for the axes of the analytic trihedral. In the analytic trihedral, the navigation problem is solved in the same way as it is solved in platform systems but, in the whole, the functions of the onboard algorithms of strapdown systems are significantly more complicated than those of platform systems. The possibility of detailed processing of on-board algorithms is of great importance for ensuring the accuracy of the entire navigation system.In the present paper, we state algorithms for reproducing the exact readings of ideal gyro sensors and the exact readings of ideal accelerometers under bench operating conditions of the system under an angular motion imitating the object orientation evolution and the possible angular vibration. Simultaneously, we calculate the exact position and orientation parameters, which can be compared with the results produced by the on-board algorithm.     

Resonant dynamics in a rotordynamic system with nonlinear inertial coupling and shaft anisotropy

The response of a nonlinear, damped Jeffcott rotor with anisotropic stiffness is considered in the presence of an imbalance. For sufficiently small external torque or large imbalance, resonance capture or rotordynamic stall can occur, whereby the rotational velocity of the shaft is unable to increase beyond the fundamental resonance between the rotational and translational motion. This phenomena provides a mechanism for energy transfer from the rotational to the translational mode. Using the method of averaging a reduced-order model is developed, valid near the resonance, that describes this resonant behavior. The equilibrium points of these averaged equations, which correspond to stationary solutions of the original equations and rotordynamic stall, are described as the applied torque, damping, and anisotropy vary. As the anisotropy increases, assumed to arise from increasing shaft cracks, the torque required to eliminate the possibility of stall increases. However, when the system is started with zero initial conditions, the minimum torque required to pass through the resonance is approximately constant as the anisotropy increases. The predictions from the reduced-order model are verified against numerical simulations of the original equations of motion.     

正交弹性漂移补偿电路对平台航向效应漂移的补偿作用

分析了平台伺服电路零位和框架轴上干扰力矩引起其水平两轴航向效应漂移的机理,以及利用正交弹性漂移补偿电路减小此项航向效应漂移的机理,并通过试验测试表明此项航向效应漂移可达0.20(°)/h,采用正交弹性漂移补偿电路后可减小到原来的十分之一以内。     

Disturbance compensation of a dual-arm underwater robot via redundant parallel mechanism theory

Disturbance compensation is one of the major issues for underwater robots to hover as a mobile platform and to manipulate an object in an underwater environment. This paper presents a new strategy of disturbance compensation for a mobile dual-arm underwater robot using internal torques derived from redundant parallel mechanism theory. A model of the robot was analyzed by redundant serial and parallel mechanisms at the same time. The joint torque to operate the robot is obtained from a redundant serial mechanism model with null-space projection due to redundancy. The joint torque derived from the redundant parallel kinematic model is calculated to perfectly compensate for disturbances to the mobile platform and is included in the solution of the joint torque based on the serial redundant model. The resultant joint torque can generate force on the end-effector for required tasks and forces for disturbance compensation simultaneously . A simulation shows the performance of this disturbance compensation strategy. The joint torque based on the algorithm generates the desired task force and the disturbance compensation force together, and a little additional joint torque can generate a large internal force effectively due to the characteristics of a redundant parallel mechanism. The proposed method is more effective than compensation methods using thrusting force on the mobile platform.     

航空重力与重力梯度测量对惯性稳定平台的需求分析

从航空重力与重力梯度测量原理出发,先后导出航空重力与重力梯度测量的观测方程和测量误差方程,然后依据地球重力场特征和功率谱的相关理论,结合航空重力与重力梯度测量中的GPS定位、惯性稳定平台的指向和稳定性、加速度计和梯度仪的误差模型,分析了航空重力与重力梯度测量对稳定平台的需求,在此基础上以航空重力测量中国外常用的双水獭(Twin-Otter)固定翼飞机的实际飞行参数为例,通过数值计算给出了航空重力测量分辨率达到1 mGal时,对惯性稳定平台的角度指向精度、稳定性和随机漂移的要求分别为0.0005°、0.006°/h/Hz和0.0003°/h;航空重力梯度测量分辨率1 E时,对稳定平台对应的指标要求分别降低为0.5°、0.01°/hr/Hz和0.01°/hr。     

航空遥感用三轴惯性稳定平台动力学建模与仿真

航空遥感用三轴惯性稳定平台由于其机械结构特点,飞机姿态的扰动会耦合到安装在平台的相机上,影响相机的成像质量。为了对复杂耦合关系进行分析,从分析力学的角度出发,采用拉格朗日第二类方程,考虑轴承摩擦,建立了航空遥感用三轴惯性稳定平台动力学模型。在此基础上,对基座振动对相机相对于惯性系的扰动进行了数值仿真。仿真结果表明:基座振动同框架间的耦合力矩相比,基座振动对相机相对于惯性系的扰动占主导作用。当轴承间为动摩擦时,基座振动频率越高,对相机相对惯性系的扰动越小,并从理论上证明了此结论的正确性。研究结果为深入研究航空遥感用三轴惯性稳定平台的振动主动控制提供了理论依据。     

惯性平台轴承预紧力及其刚度的分析计算

本文对惯性平台中框架支承的角接触球轴承的预紧力、刚度和摩擦力矩进行了分析，并结合实际轴承给出了初步的计算。     

Motion of a viscous liquid between two rotating spheres

An analysis is presented of the steady-state asymmetric motion of an incompressible viscous liquid between two concentric spheres rotating with constant angular velocities about various axes passing through their common center. The reaction force of the liquid on the inner sphere is determined; this force reduces to a resistive torque.Translated from Zhurnal Prikladnoi Mekhaniki i Tekhnicheskoi Fiziki, No. 3, pp. 179–180, May–June, 1974.     

持荷混凝土构件耐久性试验加载装置应用技术

针对混凝土构件耐久性试验环境的腐蚀性和多变性、试验设备容量的限制、混凝土的徐变及加载杆件的松弛等影响,对持荷试件加载装置进行了设计与研究。通过自平衡加载装置对紧固件施加扭矩来控制持荷试件的应力水平,并实时监测不同材质及环境下的扭矩系数、混凝土徐变和紧固件的应力松弛,以此获得扭矩的衰减规律,为试件应力补偿提供理论依据。采用两套加载装置对8根(套)试件进行了测试,试验结果表明,自平衡加载装置适用性强、加载及其补偿简便且能够满足试验要求,持荷试件应力损失在六周后趋于稳定。该装置及其应用技术可用于荷载与环境共同作用下混凝土构件的耐久性试验。