一种基于约束跟随的二自由度云台稳定控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于约束跟随的二自由度云台稳定控制方法，基于拉格朗日建模方法，建立受控系统动力学模型；建立双向稳定约束，将云台双向稳定的控制目标转换成服从关于角度的伺服约束，定义对应的约束矩阵、约束向量和约束跟随误差；分析该云台系统的不确定性，构建自适应律，并设计自适应鲁棒控制器，对云台系统进行双向稳定控制。本发明专利技术能够从角度约束的思路解决云台稳定控制问题，具有优异的控制效果。制效果。制效果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于约束跟随的二自由度云台稳定控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及机械动力学与控制领域，具体涉及一种基于约束跟随的二自由度云台稳定控制方法及系统。

技术介绍

[0002]云台作为一种拍摄设备稳定器，因其抵抗外界抖动能力，常常安装于无人机或一些地面移动机器人上，目前对于云台稳定控制，大多采用PID的控制方法，因其原理简单、计算量小，技术理论成熟，但在受到扰动以及处理非线性与不确定性问题时表现较差，因此本专利技术以云台两个转动方向的角度约束为基础，设计了一种针对二自由度云台的，灵活性强、抗干扰能力强的控制方法及系统。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种基于约束跟随的二自由度云台稳定控制方法及系统。
[0004]实现本专利技术目的的技术方案为：一种基于约束跟随的二自由度云台稳定控制方法，包括以下步骤：
[0005]步骤1，基于拉格朗日建模方法，建立二自由度云台的动力学模型；
[0006]步骤2，定义二自由度云台稳定控制的角度跟踪误差，构建关于角度的伺服约束，确定对应的约束矩阵、约束向量和约束跟随误差；
[0007]步骤3，结合步骤1中得到的动力学模型、步骤2中得到的约束矩阵、约束向量和约束跟随误差构建自适应律，得到基于约束跟随方法的自适应鲁棒控制器。
[0008]一种基于约束跟随的云台稳定控制系统，用于实现所述的基于约束跟随的云台稳定控制方法。
[0009]一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现所述的基于约束跟随的云台稳定控制方法。
[0010]一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现所述的基于约束跟随的云台稳定控制方法。
[0011]本专利技术与现有技术方案相比，其显著特点为：1)从角度约束条件出发进行双向稳定控制，将稳定性约束作为控制目标，角度新颖，且具有优良的抗外界干扰能力；2)动力学建模适配性强，当模型参数发生改变时无需重新进行建模，当控制目标改变时只需改变其约束条件，无需重新设计控制器，灵活性较强。
附图说明
[0012]图1为在本专利技术二自由度云台水平向和高低向角度示意图。
[0013]图2为在本专利技术二自由度云台水平向与高低向角度跟踪误差示意图。
[0014]图3为本专利技术二自由度云台稳定控制自适应律示意图。
[0015]图4为本专利技术基于约束跟随的二自由度云台稳定控制流程图。
具体实施方式
[0016]为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
[0017]本专利技术提出一种基于约束跟随的二自由度云台稳定控制方法，包括以下步骤：
[0018]步骤1，基于拉格朗日建模方法，建立二自由度云台的动力学模型；
[0019]步骤1.1、对二自由度云台进行分析与动力学建模，二自由度云台的转动包括水平面左右旋转和垂直面高低俯仰。将该二自由度云台分为水平转动部分和高低俯仰部分，分析两部分的动能与势能，其中水平转动部分动能为：
[0020][0021]式(1)中，水平转动部分的质心对垂直轴(设为y轴)的转动惯量为J
1y
，θ1(t)为二自由度云台在水平面内旋转角度，为方便书写，下文可以写成θ1。高低俯仰部分动能为：
[0022][0023]式(2)中，J
2z
、J
2y
高低俯仰部分的质心对水平轴(设为z轴)、垂直轴(设为y轴)的转动惯量，θ2(t)为二自由度云台在垂直面内旋转角度，为方便书写，下文可以写成θ2。
[0024]以二自由度云台水平转动部分的质心平面为零势能面，水平转动部分和高低俯仰部分两部分的势能为：
[0025][0026]式(3)中P1为水平转动部分的势能，P2为垂直转动部分势能，m2为相机的质量，d为水平转动部分质心和高低俯仰部分分质心的距离。将式(1)、(2)、(3)代入拉格朗日方程：
[0027]L＝K1+K2‑
P1‑
P2ꢀꢀ
(4)
[0028]再代入欧拉
‑
拉格朗日方程(5)：
[0029][0030]得到二自由度云台的2个运动方程为：
[0031][0032]式(6)中，t∈R为时间；分别为水平方向和垂直方向上的角加速度，是由θ
1，2
求两次导得到；τ
1,2
分别为水平方向和垂直方向的控制输入力矩。
[0033]步骤1.2、考虑不确定性的二自由度云台动力学模型矩阵形式：
[0034][0035]式(7)中，M(q,σ,t)为正定惯性矩阵，为科氏力，g(q,σ,t)为重力，t∈R
为时间变量，q(t)∈R
n
为广义坐标系(这里为角度)，为速度(这里为角速度)，为加速度(这里为角加速度)。为不确定性，这里为紧凑集但未知，∑代表σ(t)可能的边界，τ(t)∈R
h
是控制输入力矩。
[0036]将二自由度云台动力学模型以状态空间方程表达为：
[0037][0038]式(8)中各元素为:
[0039][0040]步骤2，定义二自由度云台稳定控制的角度跟踪误差，构建关于角度的伺服约束，确定对应的约束矩阵、约束向量和约束跟随误差：
[0041]步骤2.1、定义角度跟踪误差，表示如下：
[0042][0043]式(10)中e
1,2
(t)分别为水平方向和垂直方向上的角度跟踪误差；分别为二自由度云台水平方向与垂直向方的目标角度，是常数；分别为二自由度云台水平方向与垂直方向上的实际角度；θ
1,2
(t)分别为二自由度云台水平方向转动角与垂直方向的俯仰角；为二自由度云台水平方向与垂直方向上的外界干扰角度。
[0044]步骤2.2、构建关于角度的一阶、二阶伺服约束；
[0045]对式(10)求一阶导，得到下式：
[0046][0047]对式(11)再次求导，得到下式：
[0048][0049]为了实现稳定控制，构建一阶伺服约束为：
[0050][0051]式(13)中l
1,2
＞0为设计参数，是常数，将式(10)和式(11)代入式(13)得到一阶伺服约束方程为：
[0052][0053]对式(13)求导并将式(11)和式(12)代入，得到二阶伺服约束方程为：
[0054][0055]步骤2.3，将一阶二阶伺服约束写成如下矩阵形式：
[0056][0057]得到其各元素为：
[0058][0059]进而得到一阶、二阶约束跟随误差为：
[0060][0061]式(18)中A、c均在式(17)已获得。
[0062]步骤3，结合步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于约束跟随的二自由度云台稳定控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，基于拉格朗日建模方法，建立二自由度云台的动力学模型；步骤2，定义二自由度云台稳定控制的角度跟踪误差，构建关于角度的伺服约束，确定对应的约束矩阵、约束向量和约束跟随误差；步骤3，结合步骤1中得到的动力学模型、步骤2中得到的约束矩阵、约束向量和约束跟随误差构建自适应律，得到基于约束跟随方法的自适应鲁棒控制器。2.根据权利要求1所述的基于约束跟随的两轴向云台稳定控制方法，其特征在于，步骤1中，基于拉格朗日建模方法，建立二自由度云台相机动力学模型，具体方法为：步骤1.1、对二自由度云台进行分析与动力学建模，二自由度云台的转动包括水平面左右旋转和垂直面高低俯仰，将该二自由度云台分为水平转动部分和高低俯仰部分，分析两部分的动能与势能，其中水平转动部分动能为：式(1)中，水平转动部分的质心对垂直轴的转动惯量为J
1y
，θ1(t)为二自由度云台在水平面内旋转角度，为方便书写，下文写成θ1；高低俯仰部分动能为：式(2)中，J
2z
、J
2y
高低俯仰部分的质心对水平轴、垂直轴的转动惯量，θ2(t)为二自由度云台在垂直面内旋转角度，为方便书写，下文写成θ2；以二自由度云台水平转动部分的质心平面为零势能面，水平转动部分和高低俯仰部分两部分的势能为：式(3)中P1为水平转动部分的势能，P2为垂直转动部分势能，m2为相机的质量，d为水平转动部分质心和高低俯仰部分分质心的距离；将式(1)、(2)、(3)代入拉格朗日方程：L＝K1+K2‑
P1‑
P2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)再代入欧拉
‑
拉格朗日方程(5)：得到二自由度云台的2个运动方程为：式(6)中，t∈R为时间；分别为水平方向和垂直方向上的角加速度，是由θ
1，2
求两次导得到；τ
1,2
分别为水平方向和垂直方向的控制输入力矩；步骤1.2、考虑不确定性的二自由度云台动力学模型矩阵形式：
式(7)中，M(q,σ,t)为正定惯性矩阵，为科氏力，g(q,σ,t)为重力，t∈R为时间变量，q(t)∈R
n
为广义坐标系，为速度，为加速度，为不确定性，为紧凑集但未知，∑代表σ(t)可能的边界，τ(t)∈R
h
是控制输入力矩；将二自由度云台动力学模型以状态空间方程表达为：式(8)中各元素为:3.根据权利要求2所述的基于约束跟随的二自由度云台稳定控制方法，其特征在于，步骤2中，定义二自由度云台稳定控制的角度跟踪误差，构建关于角度的伺服约束，确定对应的约束矩阵、约束向量和约束跟随误差，具体方法为：步骤2.1、定义角度跟踪误差，表示如下：式(10)中e
1,2
(t)分别为水平方向和垂直方向上的角度跟踪误差；分别为二自由度云台水平方向与垂直向方的目标角度，是常数；分别为二自由度云台水平方向与垂直方向上的实际角度；θ
1,2
(t)分别为二自由度云台水平方向转动角与垂直方向的俯仰角；为二自由度云台水平方向与垂直方向上的外界干扰角度；步骤2.2、构建关于角度的一阶...

【专利技术属性】
技术研发人员：王修业，吴子潇，孙芹芹，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：