吕春雷1, 栗高峰2,周俊鹏1，李焱1 ，刘彦文3
（1）中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033 （2）上海机电工程研究所，上海，201108 （3）东北师大理想软件股份有限公司，吉林 长春 130033
摘要：为了提高光束控制精度和伺服系统带宽，同时抑制传统光电吊舱四框架结构造成的图像旋转，提出了俯仰-俯仰结构FSM（快速反射镜）复合轴控制技术。本文首先给出了新型光电吊舱系统组成和陀螺稳定平台隔离机理；其次设计了FSM复合轴控制系统，最后分析了FSM光束控制精度。仿真和试验结果表明：子系统伺服带宽可达到，比传统光电吊舱提高一个数量级。经过快速反射镜补偿后的方位光束控制精度提高了，俯仰控制精度提高了，远优于普通机载光电吊舱。
关键词：俯仰-俯仰结构；复合轴控制；激光干扰
1.引言
搭载在飞机上的光电吊舱用以实现侦测和跟踪任务，带有激光干扰的惯导平台是其重要组成部分。传统的惯导平台结构有两
轴两框架结构和两轴三框架结构，但是存在自锁现象和控制困难的问题，均不如两轴四框架结构控制灵活。
本文有别于传统光电吊舱，采用俯仰-俯仰结构，研究内、外框架角速度分量对横滚方向转动造成的影响，通过结构的变换抑制了滚转造成的图像旋转；增设快速反射镜系统构成六自由度复合轴控制，提高光束控制精度的同时，提高伺服系统的带宽。
本文意在通过两轴四框架和二维摆镜光路校准来保证激光打击效果，具有实际意义。
2.两轴四框架吊舱结构
2.1 四框架系统组成
系统硬件由外框架、内框架、光纤陀螺仪、旋变、圆光栅、长焦相机和短焦相机组成。其中光纤陀螺仪敏感内框架角速度，旋变测量内、外框架角度差值，圆光栅测量外框架角度值，跟踪远距离小视场目标时选择长焦相机跟踪，跟踪近距离大视场目标时选择短焦相机跟踪。带有快速反射镜的吊舱头基本结构如图所1示。
.png)
图1 光电吊舱结构
Fig.1 Photoelectric pod structure schematic diagram
2.2 俯仰-俯仰结构角速度欧拉矩阵
将图1抽象为五个坐标系如图2所示。
.png)
图2 四框架坐标系
Fig. 2 four gimbal coordinate system
图2中 为载机坐标系、为外滚转框架坐标系、为外俯仰框架坐标系、为内俯仰框架坐标系，为内方位框架坐标系。从图2中可知，载机坐标系绕外横滚轴旋转角后坐标系转移到外滚转框架，外滚转框架绕外俯仰轴旋转角后坐标系转移到外俯仰框架，外俯仰框架绕内俯仰轴旋转角后坐标系转移到内俯仰框架，内俯仰框架绕内方位轴旋转角后坐标系转移到内方位框架。
当外方位框架坐标系绕横滚轴旋转时，载体坐标系惯性角速度向量分解到外框架俯仰方向和方位方向角速度向量如式(1)所示。外框架横滚扰动角速度。
.png)
外方位框架坐标系绕外俯仰轴旋转时，外方位坐标系角速度向量分解到外横滚方向和外方位方向角速度向量如式(2)所示。为外俯仰扰动角速度。
.png)
外俯仰框架坐标系绕外俯仰轴旋转时，内俯仰坐标系角速度向量分解到内方向和内俯仰角速度向量如式(3)所示。为内俯仰扰动角速度。
.png)
内俯仰框架坐标系绕内方位轴旋转时，内方位坐标系角速度向量分解到内俯仰和内横滚角速度向量如式(4)所示。为内方位扰动角速度。
.png)
（1）假设外方位角速度，由外方位和外俯仰转移矩阵关系可得到外方位框架转动引起的外俯仰框架角速度矢量：。.png)
（2）外方位角速度运动时，由外方位引起的内俯仰角速度为：.png)
（3）外方位角速度运动时，由外方位引起的内方位角速度为：.png)
（4）外俯仰框架速度运动时，由外俯仰引起的内俯仰角速度为：
.png)
（5）外俯仰框架速度以速度运动时，由外俯仰引起的内方位角速度为：.png)
（6）内仰框架以速度运动时，由内俯仰引起的内方位角速度为：
.png)
最后，通过叠加理论，可以得到内方位角速度相对载体坐标系角速度为：.png)
其中。.png)
同理，可得外俯仰框架和内俯仰框架相对于载体坐标系的角速度和分别为：.png)
2.3陀螺稳定平台隔离机理
此系统运动方式为外框架跟随内框架运动，而且内外框架相互独立。为了抵消内俯仰框架中的俯仰轴上的角速度，可利用俯仰方向陀螺仪测得式（3）中角速度，同时令俯仰电机转动角度为方向与方向相反，即式（3）中得
.png)
（5）
将式（5）代入式（4）中，可得到式（6）
.png)
从式（6）可知，可由内方位电机旋转消除内方位角速度分量即.png)
，内方位角速度分解到俯仰方向的角速度分量为.png)
可由内俯仰速度陀螺仪测得，同样需要转动内方位电机抵消此项，假设内方位电机转动角速度为，而引起的内方位角速度如式（7）所示。
.png)
（ （7）
由式（7）可得.png)
其中由俯仰陀螺仪测得，角可由内方位角度编码器测量，从而能够得到精确的内俯仰电机旋转角速度。联合（6）和（7）式可到式（8）
.png)
由式（8）可知，转动内方位和内俯仰电机可以抵消内方位和内俯仰耦合角速度，但是由内方位角产生的内框架耦合滚转角速度分量无法隔离，受内方位角度控制，由于实际工程中本系统为外随内动系统，始终保持外框架跟随内框架运动，所以，滚转角速度分量不在受到角度制约，而传统光电吊舱滚转角速度分量受到俯仰角度的影响[15-16]，需要增加图像消旋系统。
3.复合轴控制技术
带有快速反射镜的二轴四框架光电激光干扰吊舱复合控制结构图如图3所示
.png)
图3 复合轴控制框图
Fig3. Compound axis control
图3中,为陀螺测得的速度。为引导角,为外框架输出角度,为内框架输出角度,为FSM系统输出角度，其中位置调节器和速度调节器均采用滞后超前控制方式。内框架位置和速度调节器分别为，.png)
。, 母系统带来的高频干扰，应尽量增大系统的增益和带宽,但速度回路的带宽受到系统谐振频率和编码器采样频率的限制，增加FSM系统即可提高伺服系统带宽。快速反射镜系统位置和速度调节器分别为,.png)
。由光电吊舱调节器和快速反射镜调节器可得到系统速度开环BODE图4和图5.
.png)
图5 FSM BODE图
Fig.5 FSM BODE diagram
从图4和图5可知，光电吊舱速度开环剪切频率为，快速反射镜速度开环剪切频率为，可见伺服系统带宽得到提高。
4.试验与分析
某次试验电视相机稳定跟踪目标时如图6所示，该目标飞行高度为1200米，飞行速度为。主控计算机记录1884组方位和俯仰脱靶量码值，采样频率为，将这1884组原始数据输入到MATLAB中得到图7和图8。
.png)
图6 典型目标
Fig.6 typical target
.png)
图8 俯仰脱靶量
Fig.8 pitch miss-distance code
从图7中可知剔除野值后脱靶量最大码值方位偏差为个码值，图13中俯仰最大偏差为个码值。实测脱靶量码值与19位角编码器码值量纲转换系数为5.33，方位需要正割补偿，正割补偿角度为该时刻俯仰角度值。补偿后脱靶量12个码值对应的角度为.png)
，俯仰6个码值对应的角度为。
其它条件不变，跟踪同一架飞机，光电吊舱加入快速反射镜系统校正激光光路，主控计算机记录1788组数据输入到MATLAB中，可得到补偿后的方位和俯仰脱靶量，如图9和图10所示。
.png)
图10 俯仰脱靶量
Fig.10 pitch miss-distance code
从图9和图10中可知补偿后方位脱靶量最大码值为个码，俯仰脱靶量最大码值为个码。对应于角度偏差分别为方位、俯仰。可见快速反射镜补偿后光束控制精度方位提高了，俯仰提高了。
5.结论
传统光电干扰吊舱中，由于受到俯仰角度制约，引起横滚轴转动，造成图像旋转需要消旋系统加以抑制，并且缺少二次光束修正系统。本文采用俯仰-俯仰结构，内外框架小角度差值一定程度上抑制了横滚转动，取消了图像消旋系统，降低了工程成本。试验结果可知，采用FSM复合轴控制技术，方位光束控制精度提高了，俯仰提高了，系统稳定性得到提高的同时，系统带宽得到提高。
参考文献
[1]董登峰，周维虎，纪荣祎等.激光跟踪仪精密跟踪系统的设计[J].光学精密工程，2016,24（2）：309-318.
Dong D F,Zhou W H, Ji R Y,et al..Design of precise tracking system of laser tracker[J]. Optics and Prcision Engineering, 2016,24（2）：309-318. (in Chinese)
[2]刘娇月， 杨聚庆， 董登峰等激光跟踪仪的光电瞄准与定位系统[J].光学精密工程,2015,23(6):1558-1564.
Liu J Y,Yang J Q, Dong D F,et al.. Optoelectronic aiming and orientation system of laser tracker[J]. Optics and Prcision Engineering, 2015,23(6):1558-1564.( in Chinese).
[3]彭树萍,陈 涛, 刘廷霞等.激光发射系统快速反射镜的光线反射过程[J].2015,23(2):378-386.
作者简介：
吕春雷 (1980-)，通讯作者，男，浙江东阳人，副研究员，2009年于中国科学院长春光机所获得博士学位，主要研究方向为电子学设计、舰载光电系统伺服控制、舰载光电对抗设备总体设计等技术研究。 E-mail: kevindlmu@163.com
栗高峰（1980—），男，汉族，上海市人，硕士，上海机电工程研究所，高级工程师，研究方向：自动化控制
刘彦文（1972—），男，汉族，吉林长春市人，硕士，东北师大理想软件股份有限公司，助理研究员，研究方向：计算机软件与理论