稳定平台关键技术综述

稳定平台关键技术综述0引言从科索沃战争、伊拉克战争到最近的利比亚战争，局部战争成为主要的作战模式。与以往的区域攻击不同，现代局部战争的主要特点是快速反应、精确打击。为应对未来局部战争，做到敢打必胜，改进与研制武器装备，提高部队作战能力成为首要任务。在我军车载陆战装备中，战术导弹、坦克、火炮等武器系统近些年来有了很大发展，射击范围和精度都有了很大提高。但与外军先进装备相比，行进间射击精度尚有较大差距，甚至大多装配的武器系统还无法实现行进间射击。行进间射击作为提高部队作战效率，增强武器装备自我防护能力的重要指标，已成为未来陆战装备的主要发展方向，同时这也使得对武器系统的改进与研制迫在眉睫。瞄准线稳定技术是实现行进间射击、提高行进间射击精度的主要环节。它采用稳定平台对车体的航向、纵摇和横滚运动进行有效的隔离，使瞄准线在惯性坐标系下保持稳定。为提高陆战装备快速反应与精确打击能力，急需提高稳定瞄准的快速性、精确性、自适应性，因此本课题的研究具有重要意义。1稳定平台国内外研究现状在光电稳定平台中，陀螺稳定平台迄今得到了广泛的应用，它是采用一个环架系统作为光电传感器的光学平台，在平台上放置陀螺来测量平台的运动，陀螺敏感姿态角的变化经过放大以后驱动环架的力矩电机，通过力矩电机驱动平台使光电传感器保持稳定。在国外起初应用于手持式望远镜和瞄准具中，并在八十年代装备部队，现已广泛应用于地基、车载、舰载、机载、弹载、天基等各种观测、摄像系统中。1996年，美国的航空红外制造商前视红外系统公司以电子新闻采集市场为目标推出了一种双传感器系统，它包括一个用于低照度的高分辨率红外摄像机和用于白天的标准广播摄像机，这两台摄像机一起被安装在一个紧凑的三轴陀螺稳定的万向架中，能够提供50rad的图像稳定精度，意大利的Caselle-Torinese公司生产的11072Caselle-Torinese光轴稳定平台的旋转范围可以做到高低方位均为360~0，最大旋转速度为60/s，稳定精度为0.4mrad。英国的FerrantiElectro-optics公司生产的FIN1155用于坦克的陆地导弹/稳定平台，其瞄准线的稳定精度达到了0.1mrad。法国的SAGEM公司研制的舰载对空红外全景监视系统可以在30~30的摇摆，10~10的纵摇时的稳定精度达到0.5mrad。1994年法国生产的“唯吉-105”型周视光电火控红外系统，在方位为360~0，俯仰角为65~25范围内稳定精度为0.1mrad。以色列研制的ESP-1H采用两轴陀螺稳定平台，在方位角为360~0，俯仰角在110~10的范围内，最大旋转速度为50/s的稳定精度高达50rad，而ESO-600C的稳定精度高达15rad。国内上世纪80年代开始研制瞄准具稳定平台，90年代逐渐展开了陀螺稳定平台的研制。北京618所90年代初期研制了机载陀螺稳定平台，其稳定精度可达到0.1mrad，中科院成都光电所承担的863子课题——快速反射镜成像跟踪系统，采用了二级稳定技术，并于1994年通过评审。华中光电技术研究所研制的舰载红外稳定平台的稳定精度为1mrad，清华大学精密机械与机械学系惯性导航研究室于1997年研制出机载瞄准线稳定跟踪系统，并交付部队使用。车载稳定平台的研究开始于80年代后期，最初用于坦克炮长镜上以稳定瞄准线，其原理是在框架陀螺的转子上安装导光棱镜，以达到稳定瞄准线的目的，其稳定精度可达到0.2mrad，但瞄准范围仅仅是方位4、俯仰20~10，加之人机工程差，使用受到了限制。此外，电子3所、长春光机所、西安应用光学研究所等都在开展该应用领域的研究工作，由于受到惯性元件技术的限制，以及研究成本较高，致使在稳定跟踪平台的改进与研制方面没有取得突破性进展，与国外差距较大。常见稳定平台：可见光导弹光电吊舱制导炸弹导引头监控光电火炮瞄准光电2稳定平台实现的总体方案2.1稳定平台的主要技术指标（1）转动范围：俯仰、方位、横滚（2）跟踪精度（3）稳定精度（4）最大角速度（5）最大角加速度2.2稳定平台技术实现总体方案（1）稳定平台框架形式选取光电侦察稳定平台的框架形式一般为双轴二框架稳定、三框架三轴稳定、四框架两轴稳定等,依据稳定精度、搜索范围的要求而定。双轴二框架结构是将光电传感器等侦察设备置于相互正交的俯仰、方位两个框架组成的平台上(如图1所示),通过陀螺敏感平台相对惯性空间运动，然后经陀螺稳定回路驱动框架力矩电机,克服外界干扰力矩,达到稳定目的。两框架平台是一种非常成熟的、常规的稳定装置，其对于小负载、高精度的稳定是十分有效的。而对负载较重的侦查设备而言，按照目前的二框架平台系统的设计和工艺技术水平，要使稳定精度达到微弧级是十分困难的。双轴二框架系统的跟踪角范围是很有限的,很容易造成平台自锁或误差过大。在双轴二框架结构平台系统中,跟踪只能实现瞄准线的轴线的稳定,即实现侦察设备在确定的方位上任一时刻都紧紧地瞄准目标,达到最佳的效果,而不能实现瞄准线绕自身轴系的旋转变化稳定,即不能保证探测器得到的图像相对于惯性坐标系是稳定的,直接影响跟踪系统的平稳性及动态跟踪精度。三框架三轴稳定平台是一个有3个自由度的系统:方位、俯仰、横滚，是在双轴两框架的基础上增加一根横滚轴，用于补偿由于载体姿态变化而引起的瞄准线绕自身轴系的旋转变化,使其光电探测成像不再受载体随机摇摆扰动影响，实现图像相对于惯性坐标系的稳定。与双轴两框架稳定平台系统相比，三框架三轴稳定平台系统能克服双轴两框架稳定平台系统稳定跟踪产生图像不稳定的原理缺陷。当载体发生姿态变化时,CCD视场内的固定目标的坐标会发生相应的变化,反映在驾驶员的视场内,则不仅有两个方向的平移,还有像的旋转。如果使用两轴稳定平台,则只能消除目标图像的平移,而不能消除像的旋转;而三轴稳定平台则可以起到完全稳像的作用；同时由于瞄准线的稳定控制原理是由载体摇摆参数和瞄准空间参数计算出跟踪轴角状态参数，驱动跟踪伺服机构，实现瞄准线稳定，因此控制复杂，在稳态精度、响应时间、稳定性等方面的要求较高。四框架二轴光电稳定平台由内、外框架、光电轴角编码器、导电环和执行电机等组成，是捕获跟踪过程中实现瞄准线指向变化和瞄准线陀螺稳定的执行机构。外环架用于克服载体运动过程中干扰力矩对内环架稳定平台上侦察设备瞄准线（即传感器视轴）的影响，保证设备的跟踪和成像质量达到总体技术指标要求，外框架也是内框架的承载平台，同时低精度随动于内环架，使瞄准线始终确定在传感器正前方的窗口上，提高了稳定精度；内环架上安装光电侦察设备，其作用主要用来稳定跟踪目标，内环架的两个框架始终互相垂直，减小了几何约束耦合，从而对干扰运动起到更佳的隔离作用，可以消除大角度运动的框架自锁，而且通过内环架随动轴的小范围转动，弥补了瞄准线和外方位轴平行所带来的影响，同时内环架系统不受外环境影响并且摩擦力小，使内环架处于更良好的稳定环境，易于提高系统的稳定精度。两个环架由各自的跟踪控制回路控制，相互独立，互不影响，因而易于控制。采用四框架二轴结构,不但可以克服双轴二框架的大角度失稳的缺点,还可以克服三框架三轴控制较困难的缺点。但其结构较复杂,自身重量较大;内环架的惯量(起稳定作用)较小,向给定传感器组提供的惯量较小，对稳定性有一定的影响。对于这种平台结构形式，由于内框架和外框架之间有机械联接，外框架的运动会耦合到内框架上，使装在内框架上的陀螺仪敏感，从而影响内框架的精度控制。综上分析，为兼顾稳定平台功能的完整性与结构设计的简单性，本课题采用三框架三轴稳定平台实现瞄准线的稳定控制。整个装置由装有陀螺仪、力矩电机及角位置传感器、光电传感器的三个框架通过轴承连接在一起，使环架之间能相互转动。框架从外到内依次为方位框、俯仰框和滚转框，各个框架轴由独立的直流电机或交流电机驱动，并使用一个精密的角位置传感器反馈。这种外装式整体环架结构形式的特点是结构紧凑，结构刚性大，系统精度及结构谐振频率较高。（2）控制系统总体设计控制系统总体实现框架如图所示，整个系统是一个典型的伺服系统，陀螺和测角系统反馈被控状态量到主控核心，主控核心通过相关规则与算法将对反馈量进行处理，并送出控制量到驱动系统，驱动力矩电机做出相应动作，实现对俯仰、横滚、方位三个方向的稳定控制，最终实现瞄准线的稳定控制。3稳定平台控制算法对稳定平台的控制，需要设计适合的算法，在快速性、稳定性、自适应性、精确性等方面达到最优，才能保证光电系统的稳定瞄准。（1）PID控制PID控制算法是工程应用最广泛的算法，其控制框图如图所示。其中E(S)为误差信号，U(S)为控制器的输出信号。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)的差e(t)来进行控制，PID控制规律为：]dt)t(deTdt)t(eT1)t(e[k)t(Udt0ip式中，pk为比例系数，iT为积分时间常数，dT为微分时间常数。比例环节用于改变信号增益，调节响应速度，积分环节用于消除静差，微分环节用于减少调节时间。常规PID参数整定过程中必然会遇到系统稳定性与准确性之间的矛盾，最终往往是取比例、积分和微分三部分控制作用的折衷，难于收到最佳的效果。中科院西安光学精密机械研究所吴凡硕士、南京理工大学李军副研究员针对稳定平台的控制采用了智能PID控制算法，该算法可根据系统的动态特征和行为，采取灵活机动的有效控制方式，如采取变增益（增益适应）、智能积分（非线性积分）、智能采样等多种途径，以PID控制为基础最大程度上解决了控制系统中稳定性与准确性之间的矛盾，同时又增强了系统对于不确定性因素的适应性。国防科技大学机电与自动化学院刘钢博士针对火箭炮稳瞄系统存在较大不确定性及干扰，提出了一种PFC-PID串级透明控制策略，通过内环PID控制来提高抗干扰性，外环采用预测函数控制来获得良好的跟踪性能和强鲁棒性。（2）模糊控制模糊控制是基于丰富操作经验总结出来的、用自然语言表述控制策略的，或通过大量实际操作数据归纳总结出的控制规则。与传统控制的不同，模糊控制不需要知道控制对象的数学模型，只需要积累对设备进行控制的操作经验或数据。北京理工大学张立华讲师针对瞄准线的稳定问题，提出了瞄准线稳定系统的模糊控制策略，很大程度上提高了系统的精度。常规模糊控制由于固定的控制参数和隶属函数限制,以及依据个别专家经验确定的有限控制规则的粗糙和不完善,不能适应过程的持续变化。针对陀螺惯性平台上的跟踪器瞄准线稳定系统中非线性不确定因素对稳定精度的影响，江苏大学电气信息工程学院的姬伟博士、南京理工大学自动化学院陈益博士在模糊控制规则中引入自适应因子，并结合PID控制算法提出了一种自适应模糊PID复合控制策略。该控制策略可实现控制参数的在线修正，克服了固有模糊控制规则的不足，解决了系统响应快速平稳性和高稳定精度之间的矛盾。（3）神经网络控制人工神经网络，简称神经网络，是作为对人脑最简单的抽象和模拟。神经网络作为一种新的方法体系，具有分布并行处理、非线性映射、自适应学习和鲁棒容错等特性，在控制优化领域已有广泛应用。（4）遗传算法控制遗传算法（GeneticAlgorithm，简称GA）是以自然选择和遗传理论为基础，将生物进化过程中适者生存规则与群体内部染色体的随机信息交换机制相结合的高效全局寻优搜索算法。遗传算法模拟了自然选择和遗传中发生的复制、交叉和变异等现象，从任一初始种群出发，通过随机选择、交叉和变异操作，产生一群更适应环境的个体，使群体进行到搜索空间中越来越好的区域，这样一代一代地不断繁衍进化，最后收敛到一群最适应环境的个体，求得问题最优的解。遗传算法的优点：以群体为基础，不是以单点搜索为基础，能同时从不同点获得多具极值，因此不易陷入局部最优；是对问题变量的编码集进行操作，而不是变量本身，有效的避免了对变量的微分操作运算；只利用目标函数来区别群体中的个体的好坏而不必对其进行过多的附加操作。航天工业集团613所研究院卢广山总设计师针对陀螺稳定平台框架系统设计了基于遗传算法的模糊控制器,通过遗传