基于擾動觀測器的機載云臺擾動復合補償方法

成都信息工程大學 王 云 李則辰

0.前言

現階段，多旋翼無人機已經憑借其良好的目標識別能力和跟蹤能力，在軍事偵察領域得到了廣泛應用。在多旋翼無人機偵查的過程中，著力提升機載平臺所獲取圖像的清晰度成為提升偵查信息準確性的重要保障。由于無人機的體積較小，對氣流擾動具有較高的敏感性，容易在干擾下失去目標跟蹤的精度，無法完成對目標的精準識別。因此，探討基于擾動觀測器的機載云臺擾動復合補償方法，具有十分重要的現實意義。

1.基于擾動觀測器的機載云臺擾動復合補償系統概述

多旋翼無人機機載云臺所采用的擾動復合補償系統主要由控制器和減震裝置構成，通過對擾動觀測器價值的充分發揮，能夠實現對擾動的有效補償，且有助于實現對控制器時延現象的改善。本研究設計的復合補償系統建立在擾動觀測器的基礎上，具有結構簡單的優勢，設計和實現的難度較低。現階段，我國復合擾動補償系統在選擇減震裝置的過程中，通過將振動源的頻率作為主要參考依據，以此來提升振動的平滑程度，實現隔振的功效，在提升視頻和圖片清晰度的同時，降低振動對拍攝的負面影響。Umeno在其研究中指出，通過將擾動觀測器引入到復合補償系統中，能夠有效提升機載平臺運行的穩定性，具有較強的應用價值。

近幾年，隨著多旋翼無人機在高空攝影、遙感以及地形勘測領域的有效應用，探析增強機載云臺運行穩定性的有效方法，實現對外界擾動的良好應對也成為學術界研究的熱點話題。在多旋翼無人機的飛行過程中，受機體姿勢變化以及氣流干擾的影響，容易對機載云臺運行的穩定性形成不良影響，使得拍攝出的圖像較為模糊。針對這一現象，設計人員應重視完善控制器的結構設計，盡量采用三周穩定結構，根據姿態檢測數據對互補濾波進行計算，確保機載云臺能夠根據機體姿勢變化而不斷調控自身姿勢，實現對機載云臺的有效控制，從而獲取更加清晰的圖像。

擾動觀測器在對外界干擾進行評估的過程中，不需要建立準確的數學模型，由于擾動觀測器的結構較為簡單，因此，在預測干擾信號時避免了大量的數學計算，這有利于滿足實時性的要求。在擾動復合補償系統設計時，考慮到系統的干擾可以歸結為外部擾動以及由于執行機構和其理想數學模型之間的參數變化而產生的誤差。因此，如果能夠利用干擾觀測器對干擾信號進行有效的預測并加以補償，那么在一定的誤差范圍內就可以將實際執行機構的模型用其參考模型來等價。

2.基于擾動觀測器的機載云臺擾動復合補償系統設計與實現

2.1 建模

本次研究將機載云臺定義為剛體，確保云臺的旋轉中心與質心高度契合，在忽略離心力的基礎上，參考Lagrange-Euler方程，構建非線性方程模型如下：

T=Meθ+Fvθ+Fesin

其中，有效慣量用Me表示，粘滯摩擦力用Fv表示，靜摩擦力為Fe。

若將Fesin作為云臺的擾動項，則可獲得線性模型如下：

T=Meθ+Fvθ+Td

其中，Td是指擾動項。

2.2 控制結構設計

在設計控制結構的過程中，外界干擾和造成通常具有不同的頻率，據此，設計人員可作出以下假設：

假設1：機載云臺中存在兩個不同的截止頻率，分別為w1和w2，且w1＜w2，若噪音處于高頻范圍，外界擾動處于低頻范圍，復合擾動補償系統的傳遞函數關系式。

假設2：若在高頻范圍內，Q（s）的值約等于1，低頻范圍內，Q（s）的值約等于0，則系統輸出函數與傳遞函數具有相似性。據此可認為，通過基于擾動觀測器設計復合促成系統，能夠有效減少擾動對系統輸出函數的不良影響，實現對低頻干擾的有效抑制。因此，可在設計復合補償系統的過程中，增加補償控制系統，以充分降低外界擾動對云臺運行產生的不良影響[1]。

2.3 控制器設計

機載云臺控制器主要通過對主控制器抑制隔振作用的充分發揮，實現對擾動的復合補償，從而獲取清晰的圖像。本次研究對控制器的設計主要包括主控部分、慣性測量部分、圖像傳輸部分和驅動部分。在機載云臺控制器的設計過程中，應充分考慮到系統的跟蹤性能，完善期望角度位置和速度的合理選擇工作，實現對外部噪聲干擾的準確測量，以財務行之有效的抗干擾對策。具體設計方案如下：采用串級PID控制算法實現對位置的有效測定，采用變積分PID控制算法明確角度內環的合理選擇，采用微分PID控制算法對速度內環進行合理控制，盡可能降低復合補償的誤差，防止因系統啟動初期引起的振動對復合補償效果造成的不利影響。本次設計的復合補償系統建立在偏差與積分的負相關關系基礎之上。為了充分提升復合補償系統的整體性能，防止因定值突變對系統穩定性形成的不良影響，本研究將微分PID控制算法作為主要方法，對輸出量進行微分處理，不予以定值微分處理，所獲得的函數如下所示：

對上述函數關系式進行差分處理后，可得如下關系式：

Uw（k）=Uwpi（k）+Uwd（k）

2.4 控制器實現

在機載云臺啟動后，傳感器能夠實現對機體初始姿態的校正，并對初始姿態信息進行結算，將機載云臺初始化。在飛行過程中，機載云臺能夠根據機體姿態變化的實時信息實現對姿態的糾正，在主控單元獲取姿態信息后，實現對云臺的慣性測量與控制，以確保視軸的穩定性。光學載荷通過對視頻采集卡的充分利用，能夠將獲取的圖像信息實時傳輸到地面控制中心，并在LED屏幕中顯示出來，管理員采用RC遙控器發送指令，實現對機載云臺運行的有效控制。

本研究設計的復合補償系統將6-DOF傳感器置于機載云臺頂端，通過將陀螺儀直徑和加速度值進行濾波處理后，獲取滾轉角和俯仰角的值，形成位置環。在明確角速率信息的基礎上，能夠奠定速度環形成的前提條件，位置環和速度換協同作用，共同構成了機載云臺的控制器，能夠實現對云臺電路運行的有效控制[2]。

3.減震裝置設計與實現

在減震裝置設計過程中，可將基座振動S（a）假設為：Asin-wit，A表示實際的振動幅度，w代表基座振動角頻率。通過將力學定律作為參考依據，可獲取力學模型。力學振動模型通常由自由振動S1和強迫振動S2構成，S1是指隨著時間的增加，振幅呈現逐漸縮小的變化趨勢，這一過程稱為自由振動，S2是指隨著時間的增加，振幅并未出現明顯衰減，這一過程稱為強迫振動。在機載云臺的實際運行過程中，自由振動對其運行造成的影響可忽略不計，而強迫振動對其造成的影響則相對較大。截止頻率、剛度系數是減震裝置性能的決定性因素，通過探明阻尼比和隔振系數的相關性，能夠形成減震裝置設計的良好基礎。本研究將w1/w2的值設定為＞2，β的值設定為0.5。

通常情況下，多旋翼無人機搭載的云臺重量約為1200g，受轉動自由度的影響，使得機載云臺的圖像質量出現明顯下降。因此，設計人員需要在機載蕓苔種設置四個減震裝置，每個減震裝置的應力水平約為3N，振動主頻約為20Hz，機體振動角頻約為126rad/s，振幅控制在0.2mm--04mm之間，剛度系數＜1.65N/mm。通對阻尼比和剛度系數進行測算，能夠形成合力選擇減震材料裝置的科學依據。在此過程中，應促進機載云臺內部組件的充分耦合[3]。

4.仿真分析

本研究結合俯仰角，對基于擾動觀測器和VDO的機載平臺進行對比分析，探明了其復合補償的價值，采用頻域辨識的方法，獲取相關參數。本次研究采用Q31型濾波器，補償力矩的擾動能力出現了明顯提升。通過分析發現，基于VDO的復合補償系統，在速度曲線方面存在較大偏差，而在引入擾動觀測器后，速度相應均方值出現明顯降低，偏差較小。

5.飛行實驗

本次研究將改進后的復合補償系統應用于多旋翼無人機的機載云臺中進行飛行試驗，將俯仰角設置為0°，采樣頻率設置為100Hz，在未補償前，角度誤差值約等于1，而在補償后，角度誤差值約為0.6，表明該復合補償系統設計具有較強的科學性。

通過采用頻域分析的方式，對機載云臺的符合補償效力進行探究，將采樣頻率設定為330Hz，采用傅里葉變換法對加速度信息進行分析，結果顯示，在機載云臺引入復合補償系統后，振幅每下降五分之一，隔振提升15dB，且高頻區域的振幅明顯降低，證明該復合補償系統能夠實現對外界干擾的有效補償，具有較高的實踐應用價值。本次飛行實驗結果顯示，在引入復合補償方法后，視軸指向誤差減小到了0.03°，振動隔離度提高了約15dB，充分驗證了復合補償方法能夠有效補償機載云臺的擾動，實現對多旋翼無人機機載云臺擾動補償需求的充分滿足，具有良好應用成效。

6.結論

綜上所述，本研究設計的機載云臺復合補償系統建立在擾動觀測器的基礎之上，并通過實現與減震裝置的有機聯合，實現了對外界感染的有效抑制和補償，有效提升了機載云臺運行的穩定性。因此，為了形成機載云臺運行穩定性的有力保障，應重視在設計中引入擾動觀測器。