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光电跟踪系统中的刚体姿态控制

作　者: 樊兆均
导　师: 龚诚
学　校: 西北工业大学
专　业: 系统工程
关键词: 光电跟踪系统 单位四元数 零动态 作动器饱和 姿态控制
分类号: V249.122.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2001年
下　载: 237次
引　用: 2次
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内容摘要


刚体姿态控制问题近年来取得了许多重大成果，在空间站控制、机器人控制、飞行控制等领域都有广泛的应用。本文也就光电跟踪系统的特点，采用四元数参数描述刚体姿态，解决了光电跟踪系统中的姿态控制问题。 本文首先给出光电跟踪系统基本框架，从而引出姿态控制问题。然后用单位四元数解决刚体运动学奇异性问题，从动力学和运动学两方面对目标进行全局描述，并结合李雅普诺夫第二分析方法得到基于误差四元数的姿态/速率控制器，从而使系统实现了全局、大误差跟踪。文中还就姿态运动的零动态、作动器饱和、参数不确定性以及鲁棒控制等问题作了详细阐述。 其次，为了实现光电传感器完成一定的作战任务，载机实现了典型的直线、圆周、螺旋曲线运动。解决了以往的设计中传感器平台的跟踪指令为正弦，阶梯或斜坡等典型输入，改善了系统的跟踪性能。载机典型航迹运动采用沿预定航迹飞行的误差量的比例和积分控制器设计方法。 最后，将刚体姿态控制理论应用于光电跟踪系统，结合载机做典型航迹运动。不仅验证了基于误差四元数的姿态/速率控制器的全局、大误差跟踪，解决了传感器平台跟踪指令的不可解析性，还缓解了作动器饱和现象。仿真结果表明控制器具有良好的动态跟踪性能，在光电跟踪系统及其他领域有很好的应用前景。

全文目录


中文摘要  6-7
英文摘要  7-8
前言  8-9
第一章 光电跟踪系统  9-16
  1．1 光电跟踪系统概述  9
  1．2 光电跟踪系统的现状和作用  9-10
  1．3 光电跟踪系统的结构和控制特点  10-12
  1．4 系统跟踪的形式和基本原理  12-14
    1．4．1 系统主要跟踪方式  12
    1．4．2 跟踪的基本原理  12-14
  1．5 目标跟踪控制问题的提出  14-15
  1．6 本章小结  15-16
第二章 运动学参数选取及模型建立  16-26
  2．1 刚体姿态的描述方法  16-21
    2．1．1 旋转矩阵法（方向余弦阵）  16-17
    2．1．2 刚体姿态的欧拉角法  17-19
    2．1．3 刚体姿态的四元数描述法  19-21
    2．1．4 Rodriques参数和修正的Rodriques参数  21
  2．2 刚体姿态运动的数学描述  21-23
    2．2．1 动力学方程  22
    2．2．2 运动学方程  22-23
  2．3 刚体的姿态控制问题  23-25
    2．3．1 刚体姿态稳定控制问题  24
    2．3．2 刚体姿态跟踪控制问题  24-25
  2．4 本章小结  25-26
第三章 刚体姿态控制问题的研究  26-42
  3．1 基于微分几何的零动态设计方法  26-29
    3．1．1 系统模型及主要结论  26-27
    3．1．2 基于四元数的零动态设计方法  27-28
    3．1．3 仿真算例  28-29
  3．2 刚体姿态控制律的研究  29-36
    3．2．1 依赖模型的反馈线性化控制器  29-32
    3．2．2 模型独立的线性反馈控制器  32-33
    3．2．3 参数存在不确定性  33
    3．2．4 作动器饱和控制调节  33-34
    3．2．5 仿真算例  34-36
  3．3 刚体姿态跟踪控制的滑动模型控制方法  36-41
    3．3．1 滑模控制方法  36-39
    3．3．2 仿真算例  39-41
  3．4 本章小结  41-42
第四章 几种典型的飞机航迹跟踪控制  42-55
  4．1 坐标系定义及相互转换关系  42-43
    4．1．1 坐标系定义  42
    4．1．2 坐标系相互转换关系  42-43
  4．2 飞机飞行轨迹模型及其控制  43-51
    4．2．1 飞机运动模型  43-48
      4．2．1．1 飞机运动方程  43-44
      4．2．1．2 运动轨迹处理  44-47
      4．2．1．3 飞机运动误差动力学方程  47
      4．2．1．4 飞机在地理坐标系下的位置  47-48
    4．2．2 轨迹跟踪控制律设计  48-51
      4．2．2．1 线性控制器设计  48
      4．2．2．2 非线性控制器设计  48-51
  4．3 仿真算例  51-54
  4．4 本章小结  54-55
第五章 光电跟踪系统中的刚体姿态控制应用  55-71
  5．1 三轴传感器平台描述  55-58
    5．1．1 三轴环架结构描述  55-56
    5．1．2 平台运动学方程描述  56-57
    5．1．3 平台动力学方程描述  57-58
  5．2 模型中各矢量的处理  58-61
    5．2．1 跟踪误差描述  59
    5．2．2 目标相对距离和瞄准线角速度计算  59-60
    5．2．3 平台跟踪误差四元数描述  60-61
  5．3 平台控制器设计  61-63
    5．3．1 控制律设计  61-62
    5．3．2 稳定性分析  62-63
  5．4 仿真算例  63-70
  5．5 本章小结  70-71
结束语  71-72
附录  72-73
致谢  73-74
参考文献  74-75

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空仪表、航空设备、飞行控制与导航 > 飞行控制系统与导航 > 飞行控制 > 自动控制 > 控制系统 > 姿态与航向控制系统
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