文摘
本文处理的结构合成稳定健壮的系统观测设备的无人机。三轴稳定系统的模型考虑必要的运动转换。矩阵权重传递函数确保设计系统的所需的系统的幅频特征选择。强劲的功能结构合成研究系统。鲁棒控制器的结构和参数,基于健壮结构合成包括混合灵敏度的方法和loop-shaping,。合成系统仿真的结果。结果允许在困难的条件下实现稳定的观测设备的操作。这提高了质量的摄影、映射、调查等等,给香港飞的精度对图像表示的优点。稳定的结果意义重大设备操作在一个移动的基地。
1。介绍
如今无人驾驶飞行器(无人机)执行不同的功能,包括摄影、映射、监视和调查。相机、激光扫描仪和其他信息和测量装置可以用于解决这些重要的任务。制图可以解决的问题通过使用高分辨率的数字摄影测量和航空测量电视摄像机。一个激光扫描仪可以用于航空测量。高质量的图像可以提供稳定的信息和测量设备在惯性空间中。
所有这些应用程序都需要解决等问题稳定和控制设备视线的方向。适当的控制系统根据执行的任务可能有所不同,但这些系统的主要功能是稳定和指向前面列出的设备。系统的主要组件的平台载荷(观测设备),惯性测量仪器(速率陀螺、加速度计)、平衡环,驱动器1- - - - - -4]。
一般来说,这样的系统实现稳定的两个轴(2]。最负责任的情况下,需要使用多轴稳定。提出的方法设计的鲁棒系统提供稳定的无人机载荷由三个轴。这样的选择可以提高系统的功能。在本例中,它是可能的稳定平台和控制平台提供必要的取向角位置的载荷视线。
控制环境的不确定性是非常重要的现代无人机的设计问题。鲁棒镇定提供必需的条件改变了植物的操作质量参数和外部干扰。值得注意的是,实现健壮的系统与自适应系统相比更便宜。因此,健壮的系统有一些优势相比,自适应的。
本文涉及一个健壮的系统的设计研究的类型。这样的系统提供了鲁棒稳定性和鲁棒性性能参量的条件和协调(外部)干扰。它是基于最小化规范系统的灵敏度和互补的灵敏度函数。
在无人机实现观测设备的操作条件引起的外部干扰,首先,被风的影响。需要稳定精度、跟踪和指向在这样的条件下可以通过来实现鲁棒控制。
鲁棒控制系统设计的特点在许多论文和教材(5- - - - - -8]。应该注意到,现代科技文献给予足够的关注的设计鲁棒系统控制飞机的运动(9,10]。同时创建健壮的系统稳定问题的设备在飞机没有适当的发展。本文中描述的方法可以解决这些问题。论文(11,12)是专门适用的问题。考虑的一些基本概念和表示方法简要给出了(12]。
本文处理的鲁棒镇定观察设备操作无人机。这是一个新问题框架的健壮系统应用程序。
这种方法提供了所需的稳定精度在困难的条件下无人机实际操作。设计,成本远低于自适应系统。低成本的设计工作是一个系统的研究类型的优势。
权宜之计替代飞机或其设备类型的使用可以建模范式描述和讨论13]。
稳定提出了数学模型的植物和植物增加和代表的权重传递函数的特性的结构合成为指定的系统。
2。稳定的数学模型
稳定植物代表一个平台观测设备和测量仪器。为了提供高精度的观测过程中,必须实现稳定三个无人机的轴。稳定平台是安装到平衡环有三个自由度。这样的方法可以实现平台等足够广泛的角度旋转360度的偏航和±90度角的音高和滚动。(在实际情况下旋转角度的音高和辊由值有界±70度。)在一般情况下,稳定系统可能在prestabilization模式和精度稳定。控制prestabilization模式可能意识到通过加速度计(事实上偏离稳定飞机因为可能决定使用加速度计信号;在这里是平台的角度偏差,是加速度,是重力加速度)。
这些模式需要使用的惯性传感器,如加速计和速率陀螺。摆式加速度计和MEMS-gyros可以用作测量仪器的系统研究。
这种植物的数学模型必须包括动力学和运动学方程。平台可以用欧拉描述的动态方程(14]: 在哪里,,代表平台轴上的角速率的预测;,,代表惯性平台的时刻与载荷和测量仪器相对于平衡环轴;,,代表了离心转动惯量相对于平衡环轴;,,表示预测平台轴上的角加速度;,,沿着平衡环轴是表演时刻。应该注意的是,选民的表达式(1),,代表了等效惯性的时刻,其中包括惯性平台的时刻和汽车。他们可以被描述在以下方式: 在哪里,代表了惯性平台的时刻与载荷测量仪器和电动机的惯性矩,分别;代表一个减速齿轮的比例。关系的离心惯性平台的时刻可以以类似的方式。
时刻作用在平台包括等组件的时刻的干摩擦轴承平衡环,时刻用汽车,创建和令人不安的时刻。
系统,在精密稳定工作模式时,需要考虑到每个轮廓频道包括平台载荷、电机、pulse-width-modulator (PWM)和速率陀螺12,15]。测量范围、灵敏度和抗冲击速率陀螺的主要特征的选择。带宽的选择陀螺是100赫兹。陀螺的角随机游走。比例因子的稳定性是非常重要的考虑应用程序。
组件的表演时刻平衡环轴可以被定义在以下方式(16]: 在哪里代表名义时刻的干摩擦轴承安装在平衡环轴;在电机轴代表加载系数;代表电机控制绕组的电压;代表电机电枢绕组的电阻;代表扰动的时刻。
中创建的电压控制电动机电枢绕组被下面的表达式(16,17]: 在哪里代表了电枢电路的时间常数;代表电动势之间的比例系数和电动机的角速率;代表了线性PWM的传输常数;代表在PWM电压输入。
控制电压的输出角速率陀螺传感器可以在以下方式描述12,15]: 在哪里代表了速率陀螺的时间常数;代表了阻尼系数;代表了速率陀螺的增益。
为了描述稳定系统的运动学的研究必须考虑到参考帧描述一个稳定平台在惯性空间的位置。
body-axes参考系的位置的平台在惯性空间相对于最初的参考系通过定义的顺序旋转角度吗,,因为它是图所示1。
适当的方向余弦矩阵形式表示
基于关系(6)之间的方向余弦矩阵轴,和轴,将看起来像
确定稳定角率可以通过以下方式实现。如果代表一个平台的角速率,观察设备和仪器测量平台的角速率在惯性空间中安装,和代表了控制平台角速率条件时刻,精度稳定的状况变得(18]
如果过渡到一个新的平台的位置在惯性空间中实现通过旋转的角度,,按照图1平衡环轴的角速率,考虑的方向余弦矩阵(6),将取决于人际关系(12]
的第一个组件得到公式(11)是无人机的投影轴角速率到平台。换句话说,这些选民代表翻译的速度的预测。第二个成分定义适当的预测平台的相对角速率。
在创建稳定系统的数学模型时需要考虑到控制时刻形成相对的平衡环偏航,音高,滚,,选民的关系(1)是投影的适当轴平台。因此确定控制力矩的表达式必须基于以下转换:
根据表达式(12)的预测时刻轴表示为平台
应该注意到角的表达式(定义的平台9)- (11)如果平衡环轴配合无人机轴在初始时刻的时间。考虑这个假设,序列的旋转平台的安装设备和测量仪器在稳定将对应于旋转的顺序如图2。
按照图2稳定汇率的向量可以由表达式 在哪里,,是角的内部和外部平衡环的旋转。
精确稳定的条件(8)表示在平台上的投影轴可以表示为如下形式:
预测平台稳定利率的合适的轴按照图2可以定义由以下关系:
基于关系(16)和考虑(15)有可能得出表达式角率稳定的平台
经过转换,使用表达式(17),就可以获得确定的微分方程平衡环的角速率稳定
关系(1)- (5),(7)和(13)和(18)代表稳定系统的数学模型的观测设备的无人机。
按照现代控制理论的概念,设计健壮的系统中实现两个阶段。在第一阶段的合成的基础上,使用线性化模型的状态空间。在第二阶段的检查合成系统的仿真。根据结果可以实现第一阶段后反复初始条件的变化和权重传递函数的优化准则。
线性化模型的鲁棒优化需要一个应用程序状态空间。推导出模型的线性化可以使用以下步骤进行:(1)忽视的离心力矩和轴向的差异时刻平台,允许简化表达式(1),(2)考虑到只有小角度的旋转平台,允许简化表达式(7),(13)和(18),(3)线性化的非线性干摩擦力矩(17),(4)使用PWM的简化的线性化模型,(5)作用在平台上忽视了令人不安的时刻。
使用表达式(1)- (6),(7)和(13)和(18)和前面列出的步骤的稳定植物向量的线性模型的状态矩阵可以描述的四倍,,,在状态空间
元素,,矩阵的表示电压的衍生品,,;,,代表的干摩擦系数线性化的时刻17]。
数学模型(19)可用于鲁棒结构优化的过程。
3所示。算法结构鲁棒镇定系统的合成
一个现代的结构合成方法的鲁棒镇定系统合成。其基本原则是代表在许多论文和教材,例如,(7,8]。系统的标准配置的设计合成图所示3。
系统包括的植物和控制器输出参数和特征向量优化,外部输入信号、控制信号,测量信号输入控制器的输入(7,8]。
这样的系统之间的互连信号可以通过以下表达式描述(8]: 在哪里代表了互联系统的传递函数。
传递函数的输入到输出就变成了
保证结果的原则可以应用于健壮的系统。按照这一原则(7] 在哪里是一个小值;表示的外部输入信号包括干扰。
优化问题(23)可能被解决通过混合灵敏度的方法(7,8]。强劲的现代方法解决问题的结构优化是基于形成所需的系统的幅频特性(loop-shaping)通过植物增加由于引入权重传递函数,如图5(7]。
优化准则法的混合灵敏度可以表示基于公式(24)代表的形式表达准则函数的混合灵敏度的增广系统[7,8] 在哪里,,代表权重传递函数;,,是敏感的函数对参考和补充灵敏度函数和控制信号。
的实现合成的混合灵敏度方法是基于两个黎卡提微分方程的解决方案,检查的一些条件和最小化规范的功能混合灵敏度(25)[7,8]。应该注意到,有自动化解决方案基于MatLab软件的这个问题。适当的优化过程需要使用互联系统的数学模型(20.)。
的过程合成包括等阶段(1)创建数学模型包括线性模型和模型,考虑实际系统固有的非线性,(2)选择权重的传递函数,(3)增加的工厂,(4)结构强劲的合成。
这些阶段可以实现通过MatLab软件的鲁棒控制工具箱。
健壮的结构最重要的一个阶段的合成权重传递的是一种选择功能,提供增强植物和loop-shaping方法的形成。权重的确定有以下一般建议转移功能增强植物形成(7]: 在哪里所需的稳定误差稳定模式;所需的带宽;灵敏度最高。
率驱动器设计的经验显示,使用表达式中积分器的必要性的权重传递函数。但在真实的应用程序必须指定权重传递函数方法的试验和错误。
按照图5权重传递函数施以惩罚错误,控制和输出信号。改变参数权重的传递函数,,可以实现所需的频率特性的系统[7]。
使用加权转移功能提供loop-shaping设计系统。这种方法允许形成设计系统所需的频率特性。
在合成研究系统的以下表达式确定了权重的传递函数:
合成的鲁棒控制器实现的MatLab函数hinfopt。首先,订单合成控制器8不相上下。减少控制器的订单是通过函数实现schmr。这允许减少控制器为5。离散化的控制器实现的函数汇集。
生产经验表明,这样的秩序是可实现的控制器的数字控制器。在这种情况下,差分方程是用c语言实现了微控制器的分配。
合成的结构鲁棒控制器状态空间描述的是通过以下四矩阵:
系统仿真的Simulink-model图表示6。合成系统仿真的结果在图表示7和8。
(一)
(b)
(一)
(b)
无人机的角速率,考虑风的影响,期间被视为干扰仿真。形成风的影响是由德莱顿过滤器的方法。代表结果证明的可能性达到可接受的质量的稳定精度和速度操作条件的外部扰动的影响。
优势与其他控制器相比可能以以下方式描述。这样的系统保持所需的表演在条件改变了参数和外部干扰。其他类型的控制器不能保证甚至在这样的条件下系统的稳定性。这可能导致无法执行功能的系统,更不用说提供高的特点。
自适应系统在操作过程中考虑植物的变化特征但他们太昂贵相比,健壮的系统。
4所示。结论
(一)三个平衡配置派生的运动学表达式。(b)稳定的数学模型,考虑系统的植物。(c)权重传递功能,提供loop-shaping设计系统,测定。(d)合成了鲁棒控制器。的形式表示状态空间矩阵的四是数字控制器编程方便。(e)为了提供高精度的观测过程需要使用多轴稳定系统。(f)建立数学模型的多轴稳定系统需要使用坐标转换。(g)效率的建议方法的仿真结果证明合成系统,在模拟风的影响考虑在内。(h)结果将是有用的视角观察设备的稳定运行的车辆类。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突有关的出版。