The invention relates to a decoupling control method for an airborne LiDAR attitude angle compensation device. In order to compensate the effect of attitude angle change of helicopter-borne platform on the point clouds measured by airborne lidar, an attitude angle compensation device is designed. The device is a three-axis turntable mechanism with control coupling. Therefore, a decoupling control method is proposed. Firstly, the mathematical model of the dynamic system of the attitude angle compensator is established to prove the reversibility of the dynamic system of the attitude angle compensator. Secondly, the neural network inverse system model of the dynamic system of attitude angle compensation device is established, and the neural network learning data are collected to train the neural network offline. Then, the output of the neural network inverse system is compared with the expected input value, and the difference is fed into the feed-forward controller to correct the control voltage signal of the attitude angle compensation device. Finally, a feed-forward and feedback compound controller is composed of a fuzzy-PID controller with closed-loop feedback loop to realize the real-time decoupling of the attitude angle compensator control system, improve the control accuracy and anti-interference, and improve the dynamic control performance.
【技术实现步骤摘要】
一种机载LiDAR姿态角补偿装置解耦控制方法
本专利技术涉及采用神经网络逆系统实现机载LiDAR姿态角补偿装置控制系统的解耦控制方法。
技术介绍
机载LiDAR作为一种新型有效的三维成像技术,在地形测绘、城市建模等许多领域得到了广泛应用。机载LiDAR工作过程中,机载平台姿态角会发生实时变化,影响测量激光点云的质量而造成后续三维成像精度降低。因此,有必要设计一种机载LiDAR姿态角补偿装置,能够实时补偿机载平台三轴姿态角的变化对机载LiDAR测量的不利影响。但机载LiDAR姿态角补偿装置是一个复杂多输入多输出、强耦合系统,为提高控制精度,需要进行解耦控制。现有解耦方法主要有传统解耦法和自适应解耦法等。传统解耦采用前置补偿,比较适合于线性定常系统;自适应解耦是对被控对象进行辨识实现参数未知或时变系统的解耦控制,主要解决非线性、强耦合系统的动态解耦,但由于要求在线辨识系统模型,故算法复杂且计算量大,不适合快速反应的控制系统。本专利为了解决设计的机载LiDAR姿态角补偿装置的控制耦合问题,分析了姿态角补偿装置的动力学特点,提出了一种实用有效的神经网络逆系统解耦方法:首先建立了姿态角补偿装置动力学系统的神经网络逆系统模型;然后,用神经网络逆系统的输出与理想输入进行比较,其差值作为前馈控制器用于修正姿态角补偿装置的控制电压信号;同时,将神经网络逆系统解耦前馈控制器与PID闭环反馈控制器相结合,组成前馈-反馈复合控制器,实现了多变量耦合控制系统的实时解耦,并提高了控制精度和抗干扰性,改善了姿态角补偿装置的动态控制性能。
技术实现思路
所述一种机载LiDAR姿态角补偿装置解 ...
【技术保护点】
1.一种机载LiDAR姿态角补偿装置解耦控制方法,其特征在于,机载激光雷达姿态角补偿装置的机械结构中,反射镜(1)由钛合金制作的四根镜面支撑杆(2)形成十字架进行支撑,采用磁性小半球体万向轴承(3)与立柱(4)连接,立柱上有一个球形凹面,使磁性小半球体与球形凹面通过磁性相吸,同时磁性小半球体可绕x轴和y轴灵活转动;z轴采用立式转轴方式,立柱(4)的下端安装在立式滚动轴承(5)中;采用x轴直动电机(6)和y轴直动电机(7)分别驱动反射镜(1)实现绕x轴和y轴的上下摆动,由x轴光栅位移传感器(8)和y轴光栅位移传感器(9)分别测量x轴直动电机(6)和y轴直动电机(7)的实际移动位移;采用z轴转动电机(10)驱动齿轮传动机构(11)实现反射镜(1)绕z轴的转动,采用光电轴角编码器(12)测量实际的z轴转动电机(11)的转角大小;将机载激光雷达姿态角补偿装置安装在机载平台上,当机载平台的三个姿态角有变化时,由机载陀螺仪实时测量出三个姿态角的实时变化值,其测量频率为1000Hz,输入给姿态角补偿装置控制器(13),继而由姿态角补偿装置控制器(13)分别控制反射镜(1)绕x轴和y轴反向旋转测量的滚 ...
【技术特征摘要】
1.一种机载LiDAR姿态角补偿装置解耦控制方法,其特征在于,机载激光雷达姿态角补偿装置的机械结构中,反射镜(1)由钛合金制作的四根镜面支撑杆(2)形成十字架进行支撑,采用磁性小半球体万向轴承(3)与立柱(4)连接,立柱上有一个球形凹面,使磁性小半球体与球形凹面通过磁性相吸,同时磁性小半球体可绕x轴和y轴灵活转动;z轴采用立式转轴方式,立柱(4)的下端安装在立式滚动轴承(5)中;采用x轴直动电机(6)和y轴直动电机(7)分别驱动反射镜(1)实现绕x轴和y轴的上下摆动,由x轴光栅位移传感器(8)和y轴光栅位移传感器(9)分别测量x轴直动电机(6)和y轴直动电机(7)的实际移动位移;采用z轴转动电机(10)驱动齿轮传动机构(11)实现反射镜(1)绕z轴的转动,采用光电轴角编码器(12)测量实际的z轴转动电机(11)的转角大小;将机载激光雷达姿态角补偿装置安装在机载平台上,当机载平台的三个姿态角有变化时,由机载陀螺仪实时测量出三个姿态角的实时变化值,其测量频率为1000Hz,输入给姿态角补偿装置控制器(13),继而由姿态角补偿装置控制器(13)分别控制反射镜(1)绕x轴和y轴反向旋转测量的滚动角和俯仰角的一半值,从而可分别实现对机载平台的滚动角和俯仰角的扰动补偿;另外,控制反射镜(1)绕z轴反向旋转测量的偏航角的一倍值,从而可实现对机载平台偏航角的扰动补偿;阻尼器(14)和恢复弹簧(15)用于调节反射镜(1)转动时的动态性能;反射镜(1)绕x轴和y轴的转动是绕中心处的磁性小半球体万向轴承(3),反射镜中心点(16)与磁性小半球体万向轴承(3)的转动中心重合。2.按照权利要求1所述的一种机载LiDAR姿态角补偿装置解耦控制方法,神经网络逆系统解耦方法是把三轴转动的输出信号作为神经网络逆系统的输入信号,然后神经网络逆系统的输出与三轴转动的理想输入转角信号相比较,其差值作为三轴转动控制电压的修正信号,通过消除此控制差值达到完全解耦和提高三轴转动控制精度的目的。3.按照权利要求1所述的一种机载LiDAR姿态角补偿装置解耦控制方法,姿态角补偿装置控制系统的总控制器可分为两部分,(1)是PID闭环反馈控制器,(2)是神经网络逆系统解耦前馈控制器,两者构成前...
【专利技术属性】
技术研发人员:王建军,李云龙,范媛媛,苗松,
申请(专利权)人:山东理工大学,
类型:发明
国别省市:山东,37
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