一种惯性稳定平台不平衡扰动的建模方法技术

一种惯性稳定平台不平衡扰动的建模方法，通过将摩擦模型和基座角运动模型代入到建立的平台简化动力学模型中，求出摩擦和基座角运动作用下平台框架的偏转角，然后利用平台框架的偏转角求出平台水平和垂直方向上不平衡力臂的变化规律，根据平台框架的偏转角以及由于偏转角而引起的不平衡力臂的变化规律，建立惯性稳定平台不平衡扰动的模型。本发明专利技术通过分析平台框架的偏转角，以及由于偏转角而产生的不平衡力臂的变化规律，实现对惯性稳定平台不平衡扰动的建模。该不平衡扰动的建模方法省去了专门的实验过程，具有更好的直观性，可以进行各种情况下不平衡扰动对惯性稳定平台的影响分析，有助于不平衡扰动抑制方法的设计与实现。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】，通过将摩擦模型和基座角运动模型代入到建立的平台简化动力学模型中，求出摩擦和基座角运动作用下平台框架的偏转角，然后利用平台框架的偏转角求出平台水平和垂直方向上不平衡力臂的变化规律，根据平台框架的偏转角以及由于偏转角而引起的不平衡力臂的变化规律，建立惯性稳定平台不平衡扰动的模型。本专利技术通过分析平台框架的偏转角，以及由于偏转角而产生的不平衡力臂的变化规律，实现对惯性稳定平台不平衡扰动的建模。该不平衡扰动的建模方法省去了专门的实验过程，具有更好的直观性，可以进行各种情况下不平衡扰动对惯性稳定平台的影响分析，有助于不平衡扰动抑制方法的设计与实现。【专利说明】
本专利技术涉及，可以用于研究惯性稳定平 台中不平衡扰动的具体作用形式，分析不平衡扰动对惯性稳定平台性能的影响，为不平衡 扰动的补偿提供基础。
技术介绍
高分辨率对地观测系统广泛应用于军事侦察、基础测绘、灾害监测等领域。要实 现理想的对地观测，要求摄像载荷能够保持稳定，但是在实际情况下，由于外部环境和自身 扰动等因素的影响，摄像载荷难以保持理想的稳定状态，使得视轴失稳，导致成像质量的下 降，分辨率降低。为提高成像质量，可将惯性稳定平台安装于飞行器和遥感载荷之间，利用 惯性稳定平台有效隔离载体的扰动及非理想姿态运动，为摄像载荷提供稳定的工作环境， 从而提高对地观测的精度，而这就对惯性稳定平台的精度指标提出较高要求。 影响惯性稳定平台稳定精度的因素有很多，包括不平衡扰动、基座角运动、框架耦 合、摩擦等。其中，不平衡扰动是由于平台机械结构设计和加工、装配精度的影响，导致平台 的质心和几何中心并不完全重合，形成不平衡力臂，并在此基础上形成不平衡力和力矩，统 称惯性稳定平台的不平衡扰动。不平衡扰动是惯性稳定平台的主要扰动之一，会严重影响 惯性稳定平台的稳定精度，因此建立不平衡扰动模型，分析不平衡扰动对惯性稳定平台整 体性能的影响具有重大的意义。 惯性稳定平台不平衡扰动的建模目前通常采用辨识建模的方法，通过测量研究对 象的输入输出数据，或系统正常运行时的记录数据，进行分析处理，选定合适的模型类型， 对其参数进行优化，使模型输出与实际数据拟合得最好，从而给出对象的数学模型。但是辨 识建模的方法依赖于实验对象的精确度，实际系统中由于扰动的影响难以保证输入输出数 据的正确性，并且实验平台的搭建也比较复杂。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于理论分析的、更加 准确和直观的惯性稳定平台不平衡扰动的建模方法。 本专利技术的技术解决方案是：，其特点包 括： (1)定义研究惯性稳定平台所用到的坐标系为：载体（基座）坐标系〇Xby bzb，xb、 yb、zb，分别指向飞行载体的右、前、上；平台横滚框坐标系Oxa%，横滚轴l与yb同向， Oxryrzr相对Oxbybz b系绕yb轴旋转，产生横滚角Θ r ;平台俯仰框坐标系〇XfyfZf，俯仰轴Xf与 X!·同向，〇XfyfZf相对OXJA系绕X1?轴旋转，产生俯仰角Θ f ;平台方位框坐标系〇xayaza，方 位轴Za与z f同向，Oxayaza相对Oxfy fzf系绕zf轴旋转，产生方位角Θ a。根据欧拉动力学方 程和矢量叠加原理，建立惯性稳定平台动力学方程，由于框架间交叉耦合项对平台的影响 较小，忽略交叉耦合的影响，同时忽略乘积小量，可以得到简化的惯性稳定平台的动力学方 程： 【权利要求】1. ，其特征在于： (1) 根据欧拉动力学方程和矢量叠加原理，建立惯性稳定平台的动力学方程，忽略动力 学方程中的框架间交叉耦合和乘积小量，简化方程； (2) 选择适用于惯性稳定平台的摩擦模型和基座角运动模型，将摩擦模型和基座角运 动模型代入到所建立的平台动力学方程中，求得摩擦和基座角运动作用下平台框架的偏转 角； (3) 受加工条件的限制，惯性稳定平台的质心会偏离几何中心产生不平衡力臂，分析 摩擦和基座角运动引起的平台框架的偏转角对不平衡力臂的影响，得出在水平和垂直方向 上，惯性稳定平台不平衡力臂的变化规律； (4) 根据摩擦和基座角运动作用引起的惯性稳定平台框架的偏转角，和稳定平台框架 的偏转角所引起的不平衡力臂的变化规律，建立惯性稳定平台的不平衡扰动模型； (5) 将建立的不平衡扰动模型加入到惯性稳定平台控制系统中，分析不平衡扰动对平 台性能的影响。2. 根据权利要求1所述的惯性稳定平台不平衡扰动的建模方法，其特征在于：所述的 步骤（1)中建立惯性稳定平台动力学方程的方法为：根据欧拉动力学方程和矢量叠加原 理，建立惯性稳定平台动力学方程，由于框架间交叉耦合项对平台的影响较小，忽略交叉耦 合的影响，同时忽略乘积小量，可以得到简化的惯性稳定平台的动力学方程：上式中Mz，Mx，My分别为作用在方位框、俯仰框和横滚框的综合力矩，J a，Jf，分别为惯 性稳定平台方位框、俯仰框和横滚框的转动惯量，9a，0f，分别为方位框、俯仰框和横滚 框的偏转角度，为承载惯性稳定平台的载体，即惯性稳定平台安装的 基座相对于惯性空间的角运动速度。3. 根据权利要求1所述的惯性稳定平台不平衡扰动的建模方法，其特征在于：所述的 步骤（2)选取Stribeck模型来描述平台的摩擦现象，Stribeck可以描述惯性稳定平台系 统中存在的静摩擦、动摩擦以及平台低速运行时摩擦随平台与承载平台的基座之间的相对 角速度的增大而减小的特性。Stribeck模型为：上式中M。为库伦摩擦力矩，Ms为最大静摩擦力矩，〇^为接触面之间的相对角速度，σ 为粘性摩擦系数，为Stribeck速度。 承载惯性稳定平台的载体，即惯性稳定平台安装的基座，受外部环境和内部因素等扰 动因素影响，会产生角运动，可以将其表示为典型正弦形式：= Asin (ω t)，式中ω为基 座角运动的频率，Α为基座角运动的幅值。 横滚框是惯性稳定平台的最外框，各种扰动作用下，与稳定平台的其它框架相比，横滚 框的运动最为剧烈，因此以横滚框为对象进行不平衡扰动建模。将Stribeck模型和基座角 运动模型代入步骤2中所列的惯性稳定平台的横滚框的动力学方程中，可得到平台横滚 框的偏转角加速度的表达式：对上式进行两次积分，可得平台横滚框的偏转角L。4. 根据权利要求1所述的惯性稳定平台不平衡扰动的建模方法，其特征在于：所述的 步骤（3)中由于加工条件限制，平台质心偏离几何中心产生不平衡力臂1，根据摩擦和基座 角运动作用引起的平台横滚框的偏转角度θρ得到惯性稳定平台不平衡力臂的变化规律： 惯性稳定平台水平方向不平衡力臂的变化规律为：lx = lc〇s( Θ J 惯性稳定平台垂直方向不平衡力臂的变化规律为：lz = lsin( Θ J。5. 根据权利要求1所述的惯性稳定平台不平衡扰动的建模方法，其特征在于：由于平 台横滚框偏转而产生的不平衡扰动可以表示为： M = m(g+az) lcos ( Θ r) +maxlsin ( Θ r) 将步骤3中求出的平台横滚框的偏转角，和步骤4中求出的稳定平台在水平和垂直方 向上的不平衡力臂的变化规律代入到上式中，即可建立惯性稳定平台不平衡扰动的模型。6. 根据权利要求1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种惯性稳定平台不平衡扰动的建模方法，其特征在于： (1)根据欧拉动力学方程和矢量叠加原理，建立惯性稳定平台的动力学方程，忽略动力学方程中的框架间交叉耦合和乘积小量，简化方程； (2)选择适用于惯性稳定平台的摩擦模型和基座角运动模型，将摩擦模型和基座角运动模型代入到所建立的平台动力学方程中，求得摩擦和基座角运动作用下平台框架的偏转角； (3)受加工条件的限制，惯性稳定平台的质心会偏离几何中心产生不平衡力臂，分析摩擦和基座角运动引起的平台框架的偏转角对不平衡力臂的影响，得出在水平和垂直方向上，惯性稳定平台不平衡力臂的变化规律； (4)根据摩擦和基座角运动作用引起的惯性稳定平台框架的偏转角，和稳定平台框架的偏转角所引起的不平衡力臂的变化规律，建立惯性稳定平台的不平衡扰动模型； (5)将建立的不平衡扰动模型加入到惯性稳定平台控制系统中，分析不平衡扰动对平台性能的影响。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李明，李洁，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11