相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法

湯世松，程向紅，塔高明，弓靜

（東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096）

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相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法

湯世松，程向紅，塔高明，弓靜

（東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096）

相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)是作為飛行器航拍的一種外掛式設(shè)備，可以采用先進(jìn)的控制策略避免飛機(jī)姿態(tài)變化和機(jī)身抖動(dòng)對(duì)航拍質(zhì)量造成的影響。常規(guī)的PID控制需要人為手動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)，提出一種基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID參數(shù)自整定的控制方法。通過(guò)設(shè)定初始PID參數(shù)，利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)能力進(jìn)行在線參數(shù)整定。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)PID相比，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID具有較高的精度和較強(qiáng)的適應(yīng)性，平臺(tái)跟蹤精度可以達(dá)到3′以內(nèi)。

穩(wěn)定平臺(tái)；PID；RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

0　引言

航空拍攝技術(shù)對(duì)于航測(cè)、偵察等軍事領(lǐng)域技術(shù)的應(yīng)用有著特殊的意義。航空相機(jī)因機(jī)動(dòng)性好、時(shí)效性高、目的性強(qiáng)、攜帶儀器多、相對(duì)投入較低等優(yōu)點(diǎn)，成為獲取圖像信息的主要途徑［1］。相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)在飛行器航拍中應(yīng)用十分普遍。相機(jī)/攝像頭通過(guò)支架安裝在相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)的臺(tái)體上，當(dāng)臺(tái)體由于飛行器姿態(tài)變化、機(jī)身抖動(dòng)和氣流等因素影響偏離水平位置時(shí)，MEMS陀螺和光柵編碼器敏感到角速度和姿態(tài)角的變化，誤差量被輸入控制器，控制器輸出控制電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，繼而帶動(dòng)臺(tái)體轉(zhuǎn)動(dòng)，使其保持水平，為相機(jī)/攝像頭提供穩(wěn)定的水平基準(zhǔn)面，最終獲得高質(zhì)量圖像。因此，提高穩(wěn)定平臺(tái)的水平跟蹤精度是提高攝像精度的關(guān)鍵之一。

在工業(yè)控制中，PID控制是工業(yè)控制中最常用的方法。PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制效果良好，在目前的控制系統(tǒng)中占絕大多數(shù)［2］。但是，傳統(tǒng)的控制方法具有一定的局限性：要人為地手動(dòng)調(diào)節(jié)PID參數(shù)以達(dá)到良好的控制效果。同時(shí)，當(dāng)面對(duì)不同的控制對(duì)象或控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型不精確時(shí)，控制器的參數(shù)難以自動(dòng)調(diào)整以適應(yīng)外界環(huán)境的變化，需要再次重新整定。為了使控制器具有良好的自適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整，本文采用RBF（Radial Basis Function）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的方法［3-5］。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)這一特性，并結(jié)合傳統(tǒng)的PID控制理論，構(gòu)造RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器，實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整。通過(guò)相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)控制仿真表明RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID具有較高的精度和較強(qiáng)的適應(yīng)性，驗(yàn)證了本文所提控制策略的有效性。

1　相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1所示為所加工的相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)，主要由鋁制材料加工而成。所設(shè)計(jì)穩(wěn)定平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)主要由俯仰框架、橫滾框架和基座框架構(gòu)成。依次對(duì)應(yīng)圖1的內(nèi)框、中框和外框。基座框架和橫滾框架分別連有直流力矩電機(jī)和光柵編碼器。IMU模塊、控制電路模塊和電子水平儀安裝在俯仰框架底部。相機(jī)/攝像頭通過(guò)支架與內(nèi)框相連，從底部伸出。

圖1　相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)Fig.1Camera stable platform

1.2相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)工作原理

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，首先由電子水平儀水平調(diào)平；其次由IMU和光柵編碼器分別敏感出相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)旋轉(zhuǎn)的角速率以及旋轉(zhuǎn)的角度，將角速率信息和角度信息分別輸入到控制電路模塊，控制電路模塊根據(jù)輸入的的角速率和角度，采用所設(shè)計(jì)的控制策略，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；最終控制相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)內(nèi)框的水平穩(wěn)定。

1.3系統(tǒng)原理描述

圖2所示為相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)的坐標(biāo)系圖，坐標(biāo)系定義如下：

1）地理坐標(biāo)系n：xn、yn、zn分別指向載體所在地的東、北、天方向。

2）載體坐標(biāo)系b：與載體固連，xb、yb、zb分別指向載體的右、前、上方向。

3）中框（橫滾框）坐標(biāo)系r：與橫滾環(huán)固連，yr軸沿橫滾環(huán)軸，與yb軸指向相同，r系相對(duì)b系只能繞yb軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生橫滾環(huán)角θr。

4）內(nèi)框（俯仰框）坐標(biāo)系f：與俯仰環(huán)固連，xf軸沿俯仰環(huán)軸，與xr軸指向相同，f系相對(duì)r系只能繞xr軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生俯仰環(huán)角θf(wàn)。

圖2　相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)坐標(biāo)系圖Fig.2Coordinates of camera stable platform

同時(shí)，俯仰環(huán)相對(duì)地理坐標(biāo)系的角速度如下：

為使連接相機(jī)/攝像頭的內(nèi)框始終保持在水平位置，則要求相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)在初始水平校準(zhǔn)后，內(nèi)框相對(duì)地理坐標(biāo)系的角速度為0，即滿足：

聯(lián)立式（2）和式（3）可得兩電機(jī)驅(qū)動(dòng)各自負(fù)載產(chǎn)生的角速度需滿足：

當(dāng)控制結(jié)果滿足式（4）時(shí)，內(nèi)框?qū)⒈３炙健?/p>

1.4相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)控制框圖

由于內(nèi)外框架采用相同的控制回路結(jié)構(gòu)，本文以俯仰框?yàn)槔榻B圖3所示俯仰軸控制結(jié)構(gòu)。俯仰軸控制結(jié)構(gòu)采用雙環(huán)路控制，外環(huán)為位置環(huán)，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)。速度環(huán)由IMU測(cè)得的角速率反饋，從而加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，及時(shí)克服外在干擾；位置環(huán)在實(shí)際系統(tǒng)中采用光柵編碼器測(cè)得的角度進(jìn)行反饋，本文仿真中采用陀螺數(shù)據(jù)解算的方式求得，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)與當(dāng)?shù)厮矫姹３炙健?/p>

圖3　俯仰軸伺服回路控制框圖Fig.3The control block diagram of pitch axis

2　RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制

相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)是一個(gè)具有強(qiáng)非線性的機(jī)電控制系統(tǒng)［9］。機(jī)械諧振、摩擦、隨機(jī)干擾、軸間力矩耦合、陀螺漂移等不確定干擾因素使得平臺(tái)系統(tǒng)的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型無(wú)法確定。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制是一種具有自學(xué)習(xí)能力的在線參數(shù)整定的控制，在設(shè)計(jì)過(guò)程中不需要建立被控對(duì)象的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，因此適用于非線性穩(wěn)定平臺(tái)的控制。

2.1RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種具有單隱層的三層前饋網(wǎng)絡(luò)。它模擬人腦局部調(diào)整、相互覆蓋接收域，因此，是一種局部逼近網(wǎng)，已證明它能以任意精度逼近任意連續(xù)函數(shù)。RBF網(wǎng)絡(luò)是一種三層前向網(wǎng)絡(luò)，由輸入到輸出是非線性的，而隱含層到輸出層是線性的［8］。圖4所示RBF網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，x= ［x1，x2，…，xn］T為網(wǎng)絡(luò)的輸入向量，h=［h1，h2，…，hm］T為徑向基向量，wj為網(wǎng)絡(luò)的輸出權(quán)系數(shù)。ym為辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)的輸出。辨識(shí)器的輸出ym=w1h1+w2h2+…+ wmhm。本文在速度環(huán)采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制，網(wǎng)絡(luò)為3-6-1結(jié)構(gòu)，即輸入層3個(gè)節(jié)點(diǎn)，隱含層6個(gè)節(jié)點(diǎn)，輸出層1個(gè)節(jié)點(diǎn)。輸入量為：系統(tǒng)實(shí)際值輸出y，系統(tǒng)上一次實(shí)際值輸出y_1，PID輸出量的增量Δu。hj為高斯基函數(shù)，其中：

式中，Cj為網(wǎng)絡(luò)的第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的中心矢量：Cj=［cj1，cj2，…，cjn］，i=1，2，…，n。bj為節(jié)點(diǎn)j的基寬度參數(shù)。

圖4　RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.4The block diagram of RBF neural network

2.2RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)機(jī)理

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器的性能J=1/2（y-ym）2，根據(jù)梯度下降法，進(jìn)行輸出權(quán)、節(jié)點(diǎn)中心及節(jié)點(diǎn)基寬參數(shù)的迭代。迭代過(guò)程中，引入α、η分別作為學(xué)習(xí)速率和動(dòng)量因子。

輸出權(quán)的迭代算法如下：

Jacobian陣（對(duì)象的輸出對(duì)控制輸入變化的靈敏度信息）算法為：

網(wǎng)絡(luò)通過(guò)輸入端x1，x2，…，xn，正向計(jì)算求解ym，繼而根據(jù)y與ym的差值，逆向更新網(wǎng)絡(luò)的輸出權(quán)、基寬參數(shù)和節(jié)點(diǎn)中心。

2.3RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID整定原理

采用增量式PID控制器，控制誤差為：

yd（k）為理論值，y（k）為實(shí)際值。此時(shí)，PID的三項(xiàng)輸入為：

控制算法為：

3　仿真及分析

仿真條件設(shè)置為MEMS陀螺常值漂移為0.007（°）/s，電機(jī)峰值扭矩為40N·m，伺服采樣頻率為1000Hz。載體運(yùn)動(dòng)采用雙正弦波疊加晃動(dòng)，幅值分別為25°和20°，頻率分別為0.125Hz和0.1Hz，相位差為60°。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)量因子α=0.05，學(xué)習(xí)速率h=0.5，PID參數(shù)初始值分別為：kp0= 10，ki0=5，kd0=1，仿真時(shí)間設(shè)為60s。圖5所示為不同控制策略下的俯仰方向平臺(tái)跟蹤精度。表1列出了兩種控制結(jié)果的參數(shù)對(duì)比：常規(guī)PID控制的跟蹤精度在5'左右；RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制的跟蹤精度在3'左右。可見(jiàn)，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制較常規(guī)PID控制下平臺(tái)的跟蹤精度提高約2'。同時(shí)，在人為將kd設(shè)置較大時(shí)，傳統(tǒng)PID由于不具有參數(shù)自調(diào)節(jié)功能，仿真所得結(jié)果超調(diào)較大，而RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID很好地控制了系統(tǒng)的超調(diào)。如圖6所示，在20s的時(shí)刻加上一個(gè)8N·m的階躍干擾力矩，對(duì)比傳統(tǒng)PID控制和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制，傳統(tǒng)PID有一個(gè)接近10s的調(diào)整過(guò)程，而采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID幾乎不受影響，一直穩(wěn)定在精度范圍內(nèi)。綜上，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制較傳統(tǒng)PID控制下的平臺(tái)的抗干擾能力顯著增強(qiáng)。

表1　仿真數(shù)據(jù)Table 1The data of simulation

4　結(jié)論

圖5　不同控制策略下俯仰方向平臺(tái)跟蹤精度Fig.5The platform's tracking accuracy in pitch axis under different control methods

圖620　s加階躍力矩?cái)_動(dòng)俯仰方向平臺(tái)跟蹤精度Fig.6The platform's tracking accuracy in pitch axis during the step disturb

本文提出了一種用于相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制策略。運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)能力實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線調(diào)整，從而改善相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)的精度和適應(yīng)能力。通過(guò)以上兩種仿真結(jié)果表明：與傳統(tǒng)PID控制相比，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制能使相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)抗干擾能力顯著增強(qiáng)，同時(shí)能將跟蹤精度由5′提高到3′，為實(shí)現(xiàn)高精度飛行器航拍系統(tǒng)提供了一種新的途徑。盡管本文提供了一種用于相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法，但所做工作仍然有限，將RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制相結(jié)合，以及RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制，將在未來(lái)工作中繼續(xù)研究。

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RBF Neural Network PID Control Method Used in Camera Stable Platform

TANG Shi-song，CHENG Xiang-hong，TAGao-ming，GONG Jing
（School of Instrument Science&Engineering，Southeast University，Nanjing 210096）

The camera stable platform is used for the aerial to shooting the pictures by hanging outside which can avoid influence of changes in aircraft attitude and body mass caused by jitter on aerial.Conventional PID control parameters need to be adjusted manually，so we propose a parameter self-tuning PID control method based on RBF neural network.By setting the initial PID parameters and using self-learning ability of RBF neural network，we tune the PID parameters online.The simulation results show that，the PID control based on RBF neural network can improve the accuracy and adaptability for the camera stable platform.The accuracy of the camera stable platform attitude can be controlled within 3′.

stable platform；PID；RBF neural network

U666.1

A

1674-5558（2016）01-01046

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.01.001

湯世松，男，碩士，研究方向?yàn)閷?dǎo)航制導(dǎo)與控制。

2014-12-10