多旋翼无人飞行器载荷稳像技术研究

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1、r;-f.'I11In蒙：『s麵s:k;;,:J专单,.一5独创性声明本人郑重声明所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中作了明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：“爲、日期:学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解中国科学院大学及中国科学院长春光学精密机械与物理研究所有关保留、使用学位论文的规定，即：中国科学院大学及中国科学院长春光学精密机

2、械与物理研究所有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权中国科学院大学及中国科学院长春光学精密机械与物理研究所可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编木学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：TO'X.SJ0日期：I.I学位论文作者毕业后去向:电邮is:齓工作单位：通讯地址：密级:博士学位论文多旋翼无人飞行器载荷稳像技术研究作者姓名：王日俊指导教师:续志军研究员中国科学院

3、长春光学精密机械与物理研究所学位类别:工学博士学科专业:机械电子工程培养单位:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所2015年5月StudyonImageStabilizationTechnologyforthePayloadofmUAVByWANGRijunADissertationSubmittedtoGraduateUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofscienc

4、einEngineeringChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysicsChineseAcademyofScienceMay,2015摘要多旋翼无人飞行器载荷稳像技术研究王日俊（机械电子工程）导师：续志军研究员摘要多旋翼无人飞行器载荷极易受到姿态变化、气流扰动、机体振动、摩擦等扰动的影响，造成机载视频图像抖动、模糊，严重影响到其在军事领域及民用领域中的应用。因此，对其进行扰动补偿方法和稳定控制技术的研究有重大的实际意义。本文以搭载于课题组自主开发研制的Hex-ro

5、tor多旋翼无人飞行器的机载云台系统为研究对象，对机载云台系统的扰动补偿方法和稳定控制技术进行了深入的理论研究和实验验证。本文首先概述了国内外微小型载荷的发展现状与趋势，总结了国内外机载云台系统的扰动补偿方法和稳定控制技术的研究现状。建立了机载云台系统和俯仰、偏航、滚转通道的模型，深入分析了系统中每个通道上存在的扰动及通道间的耦合扰动；影响机载云台系统的主要扰动来源及其对载荷成像质量的影响，为扰动补偿和稳定控制方法的研究和实施提供了理论依据。针对机载云台系统的扰动补偿和稳定控制的要求，提出一种基于改进扰动观测器的模糊自

6、适应补偿控制方法。从扰动补偿能力的角度出发，针对已有基于速度信号的扰动观测器难以补偿噪声干扰的问题，通过在原有控制结构中引入一个补偿控制机构，提高其补偿噪声干扰能力，并分析了改进控制结构的鲁棒稳定性。在改进扰动观测器补偿扰动的基础上，利用模糊系统的万能逼近理论来进一步逼近系统扰动，进一步提高其扰动补偿能力。抗扰动和稳定精度实验均表明，机载云台系统抑制扰动的能力和视轴稳定精度均明显提高。针对机载云台的扰动补偿和稳定控制的要求，将机载云台的伺服控制系统和隔振系统相结合，提出一种机载云台的复合补偿控制方法。在伺服控制系统I中

7、国科学院大学博士学位论文：多旋翼无人机载荷稳像技术研究隔离载体扰动、保持机载云台稳定性的基础上，利用隔振系统抑制机载云台的振动，提高系统补偿扰动的能力。同时，通过隔振系统对高频振动的平滑作用改善了伺服控制系统的时延。振动实验表明，引入隔振系统后，系统振动的幅值约下降至引入前的1/5，振动隔离度提高了约15dB。有效地抑制了振动对机载云台稳定性的影响。为了提高机载云台伺服控制系统中控制结构的抗扰动性能、动态响应性能及鲁棒性，提出了一种采用陀螺仪为速度内环，光电编码器微分后构成速度外环的具有双速度环的控制结构，理论分析与实

8、验结果均表明，与比单速度环结构相比，其抗扰动能力更强，控制性能更好。针对机载云台伺服控制系统中稳定精度与快速平稳响应之间相互制约的问题，提出一种具有模糊切换条件的模糊自适应PID伺服控制策略。采用控制规则的自学习和自调整因子的引入来满足在不同状态下系统的控制要求，保证系统动态响应的快速性；利用变速积分PID控制实现精细调节，保证系