基于扰动观测器的机载云台扰动复合补偿方法

成都信息工程大学 王 云 李则辰

0.前言

现阶段，多旋翼无人机已经凭借其良好的目标识别能力和跟踪能力，在军事侦察领域得到了广泛应用。在多旋翼无人机侦查的过程中，着力提升机载平台所获取图像的清晰度成为提升侦查信息准确性的重要保障。由于无人机的体积较小，对气流扰动具有较高的敏感性，容易在干扰下失去目标跟踪的精度，无法完成对目标的精准识别。因此，探讨基于扰动观测器的机载云台扰动复合补偿方法，具有十分重要的现实意义。

1.基于扰动观测器的机载云台扰动复合补偿系统概述

多旋翼无人机机载云台所采用的扰动复合补偿系统主要由控制器和减震装置构成，通过对扰动观测器价值的充分发挥，能够实现对扰动的有效补偿，且有助于实现对控制器时延现象的改善。本研究设计的复合补偿系统建立在扰动观测器的基础上，具有结构简单的优势，设计和实现的难度较低。现阶段，我国复合扰动补偿系统在选择减震装置的过程中，通过将振动源的频率作为主要参考依据，以此来提升振动的平滑程度，实现隔振的功效，在提升视频和图片清晰度的同时，降低振动对拍摄的负面影响。Umeno在其研究中指出，通过将扰动观测器引入到复合补偿系统中，能够有效提升机载平台运行的稳定性，具有较强的应用价值。

近几年，随着多旋翼无人机在高空摄影、遥感以及地形勘测领域的有效应用，探析增强机载云台运行稳定性的有效方法，实现对外界扰动的良好应对也成为学术界研究的热点话题。在多旋翼无人机的飞行过程中，受机体姿势变化以及气流干扰的影响，容易对机载云台运行的稳定性形成不良影响，使得拍摄出的图像较为模糊。针对这一现象，设计人员应重视完善控制器的结构设计，尽量采用三周稳定结构，根据姿态检测数据对互补滤波进行计算，确保机载云台能够根据机体姿势变化而不断调控自身姿势，实现对机载云台的有效控制，从而获取更加清晰的图像。

扰动观测器在对外界干扰进行评估的过程中，不需要建立准确的数学模型，由于扰动观测器的结构较为简单，因此，在预测干扰信号时避免了大量的数学计算，这有利于满足实时性的要求。在扰动复合补偿系统设计时，考虑到系统的干扰可以归结为外部扰动以及由于执行机构和其理想数学模型之间的参数变化而产生的误差。因此，如果能够利用干扰观测器对干扰信号进行有效的预测并加以补偿，那么在一定的误差范围内就可以将实际执行机构的模型用其参考模型来等价。

2.基于扰动观测器的机载云台扰动复合补偿系统设计与实现

2.1 建模

本次研究将机载云台定义为刚体，确保云台的旋转中心与质心高度契合，在忽略离心力的基础上，参考Lagrange-Euler方程，构建非线性方程模型如下：

T=Meθ+Fvθ+Fesin

其中，有效惯量用Me表示，粘滞摩擦力用Fv表示，静摩擦力为Fe。

若将Fesin作为云台的扰动项，则可获得线性模型如下：

T=Meθ+Fvθ+Td

其中，Td是指扰动项。

2.2 控制结构设计

在设计控制结构的过程中，外界干扰和造成通常具有不同的频率，据此，设计人员可作出以下假设：

假设1：机载云台中存在两个不同的截止频率，分别为w1和w2，且w1＜w2，若噪音处于高频范围，外界扰动处于低频范围，复合扰动补偿系统的传递函数关系式。

假设2：若在高频范围内，Q（s）的值约等于1，低频范围内，Q（s）的值约等于0，则系统输出函数与传递函数具有相似性。据此可认为，通过基于扰动观测器设计复合促成系统，能够有效减少扰动对系统输出函数的不良影响，实现对低频干扰的有效抑制。因此，可在设计复合补偿系统的过程中，增加补偿控制系统，以充分降低外界扰动对云台运行产生的不良影响[1]。

2.3 控制器设计

机载云台控制器主要通过对主控制器抑制隔振作用的充分发挥，实现对扰动的复合补偿，从而获取清晰的图像。本次研究对控制器的设计主要包括主控部分、惯性测量部分、图像传输部分和驱动部分。在机载云台控制器的设计过程中，应充分考虑到系统的跟踪性能，完善期望角度位置和速度的合理选择工作，实现对外部噪声干扰的准确测量，以财务行之有效的抗干扰对策。具体设计方案如下：采用串级PID控制算法实现对位置的有效测定，采用变积分PID控制算法明确角度内环的合理选择，采用微分PID控制算法对速度内环进行合理控制，尽可能降低复合补偿的误差，防止因系统启动初期引起的振动对复合补偿效果造成的不利影响。本次设计的复合补偿系统建立在偏差与积分的负相关关系基础之上。为了充分提升复合补偿系统的整体性能，防止因定值突变对系统稳定性形成的不良影响，本研究将微分PID控制算法作为主要方法，对输出量进行微分处理，不予以定值微分处理，所获得的函数如下所示：

对上述函数关系式进行差分处理后，可得如下关系式：

Uw（k）=Uwpi（k）+Uwd（k）

2.4 控制器实现

在机载云台启动后，传感器能够实现对机体初始姿态的校正，并对初始姿态信息进行结算，将机载云台初始化。在飞行过程中，机载云台能够根据机体姿态变化的实时信息实现对姿态的纠正，在主控单元获取姿态信息后，实现对云台的惯性测量与控制，以确保视轴的稳定性。光学载荷通过对视频采集卡的充分利用，能够将获取的图像信息实时传输到地面控制中心，并在LED屏幕中显示出来，管理员采用RC遥控器发送指令，实现对机载云台运行的有效控制。

本研究设计的复合补偿系统将6-DOF传感器置于机载云台顶端，通过将陀螺仪直径和加速度值进行滤波处理后，获取滚转角和俯仰角的值，形成位置环。在明确角速率信息的基础上，能够奠定速度环形成的前提条件，位置环和速度换协同作用，共同构成了机载云台的控制器，能够实现对云台电路运行的有效控制[2]。

3.减震装置设计与实现

在减震装置设计过程中，可将基座振动S（a）假设为：Asin-wit，A表示实际的振动幅度，w代表基座振动角频率。通过将力学定律作为参考依据，可获取力学模型。力学振动模型通常由自由振动S1和强迫振动S2构成，S1是指随着时间的增加，振幅呈现逐渐缩小的变化趋势，这一过程称为自由振动，S2是指随着时间的增加，振幅并未出现明显衰减，这一过程称为强迫振动。在机载云台的实际运行过程中，自由振动对其运行造成的影响可忽略不计，而强迫振动对其造成的影响则相对较大。截止频率、刚度系数是减震装置性能的决定性因素，通过探明阻尼比和隔振系数的相关性，能够形成减震装置设计的良好基础。本研究将w1/w2的值设定为＞2，β的值设定为0.5。

通常情况下，多旋翼无人机搭载的云台重量约为1200g，受转动自由度的影响，使得机载云台的图像质量出现明显下降。因此，设计人员需要在机载芸苔种设置四个减震装置，每个减震装置的应力水平约为3N，振动主频约为20Hz，机体振动角频约为126rad/s，振幅控制在0.2mm--04mm之间，刚度系数＜1.65N/mm。通对阻尼比和刚度系数进行测算，能够形成合力选择减震材料装置的科学依据。在此过程中，应促进机载云台内部组件的充分耦合[3]。

4.仿真分析

本研究结合俯仰角，对基于扰动观测器和VDO的机载平台进行对比分析，探明了其复合补偿的价值，采用频域辨识的方法，获取相关参数。本次研究采用Q31型滤波器，补偿力矩的扰动能力出现了明显提升。通过分析发现，基于VDO的复合补偿系统，在速度曲线方面存在较大偏差，而在引入扰动观测器后，速度相应均方值出现明显降低，偏差较小。

5.飞行实验

本次研究将改进后的复合补偿系统应用于多旋翼无人机的机载云台中进行飞行试验，将俯仰角设置为0°，采样频率设置为100Hz，在未补偿前，角度误差值约等于1，而在补偿后，角度误差值约为0.6，表明该复合补偿系统设计具有较强的科学性。

通过采用频域分析的方式，对机载云台的符合补偿效力进行探究，将采样频率设定为330Hz，采用傅里叶变换法对加速度信息进行分析，结果显示，在机载云台引入复合补偿系统后，振幅每下降五分之一，隔振提升15dB，且高频区域的振幅明显降低，证明该复合补偿系统能够实现对外界干扰的有效补偿，具有较高的实践应用价值。本次飞行实验结果显示，在引入复合补偿方法后，视轴指向误差减小到了0.03°，振动隔离度提高了约15dB，充分验证了复合补偿方法能够有效补偿机载云台的扰动，实现对多旋翼无人机机载云台扰动补偿需求的充分满足，具有良好应用成效。

6.结论

综上所述，本研究设计的机载云台复合补偿系统建立在扰动观测器的基础之上，并通过实现与减震装置的有机联合，实现了对外界感染的有效抑制和补偿，有效提升了机载云台运行的稳定性。因此，为了形成机载云台运行稳定性的有力保障，应重视在设计中引入扰动观测器。