基于微慣性傳感器的高靈敏度隨動控制技術(shù)

隨著現(xiàn)代軍事裝備的智能化升級，武器裝備對感知認(rèn)知與智能控制提出了更高需求。隨動裝備作為一種典型的智能化裝備，通過多種技術(shù)手段把受控對象與操控人員的肢體動作直接結(jié)合，實現(xiàn)自然的人機交互方式，提升作戰(zhàn)效率。

在隨動控制系統(tǒng)中，隨動精度與隨動時延均為關(guān)鍵性指標(biāo)，二者共同決定了隨動控制裝備的人機交互體驗，需要機電系統(tǒng)既能滿足實時性需求，又能滿足精度指標(biāo)。因此兼顧實時性與準(zhǔn)確性的系統(tǒng)方案成為隨動系統(tǒng)的設(shè)計難點。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，為了解決隨動精度與隨動時延問題，中國兵器工業(yè)計算機應(yīng)用技術(shù)研究所、北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心的研究人員提出一種基于微慣性器件與模糊控制云臺的低延遲體感隨動控制技術(shù)。該技術(shù)使用微慣性單元(MEMS IMU)獲取高靈敏度體感姿態(tài)數(shù)據(jù)，并使用該姿態(tài)數(shù)據(jù)對雙軸云臺進行實時高精度隨動控制。通過低成本高采樣頻率的姿態(tài)算法與高實時性與響應(yīng)精度的小型雙軸云臺模糊控制算法改進，能夠在88.17 ms內(nèi)實現(xiàn)均方根誤差(RMSE)1.478°的隨動控制。該隨動控制系統(tǒng)可以滿足無人機控制與觀察、車載雷達(dá)與武器站控制等領(lǐng)域，可大幅降低設(shè)備操控復(fù)雜度，提升控制特性。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《兵工學(xué)報》期刊。

該項工作中，研究人員選取微慣性傳感器與小型云臺構(gòu)成的隨動系統(tǒng)作為研究對象，分別對實時姿態(tài)采集算法與云臺控制方案進行設(shè)計，提升隨動系統(tǒng)實時性與準(zhǔn)確性。在姿態(tài)解算方面，選用低成本小型六軸微機電慣性測量單元作為傳感單元，通過姿態(tài)解算與互補濾波獲取實時準(zhǔn)確的姿態(tài)信息。在云臺控制方面，使用模糊控制PID高頻位置閉環(huán)算法改善現(xiàn)有雙軸云臺的機電控制系統(tǒng)，兼顧非線性輸入下機電響應(yīng)的實時性與準(zhǔn)確性。

小型云臺結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)字PID控制器設(shè)計

為了對基于微慣性器件與模糊控制云臺的隨動系統(tǒng)控制實時性與準(zhǔn)確性進行驗證，研究人員設(shè)計了三項實驗。首先是“姿態(tài)測量精度實驗”，使用高精度雙軸轉(zhuǎn)臺對慣性器件的短時測量精度進行驗證，驗證隨動系統(tǒng)的姿態(tài)測量精度。其次是“頭部運動測量實驗”，利用第一項實驗中的姿態(tài)測量系統(tǒng)對人體頭部運動進行測量，獲取人體頭部運動的典型參數(shù)。最后結(jié)合第二項實驗中的人體頭部運動典型參數(shù)，設(shè)計“位置隨動控制實驗”，對微慣性器件與模糊控制云臺隨動系統(tǒng)性能進行綜合表征，驗證隨動系統(tǒng)的實時性與準(zhǔn)確性。

姿態(tài)測量精度實驗

頭部運動測量實驗設(shè)備

位置隨動響應(yīng)實驗

結(jié)果表明，在實驗過程300 s內(nèi)，綜合低速、間歇、大范圍、高速、搖擺等運動形式，隨動系統(tǒng)精度較高，能夠在88.17 ms內(nèi)實現(xiàn)均方根誤差(RMSE)1.478°的隨動運動精度，可以滿足位置隨動控制精度需求。該精度主要受限于機電控制環(huán)節(jié)，提升響應(yīng)速度與精度一方面可以通過載荷、編碼器、機械結(jié)構(gòu)、線纜減重以降低轉(zhuǎn)動慣量實現(xiàn);另一方面，提升電機效率，能在單位轉(zhuǎn)動慣量下實現(xiàn)更高功率輸出，也能改善隨動系統(tǒng)的機電特性。

該項工作通過傳感器的實時采集算法改進與云臺的高頻位置閉環(huán)模糊PID控制設(shè)計，用低成本實現(xiàn)了低延遲高精度隨動控制功能。研究人員稱，后續(xù)將繼續(xù)開展相應(yīng)優(yōu)化工作，一方面圍繞慣性系統(tǒng)濾波修正，引入觀察量提升隨動控制的長期穩(wěn)定性;另一方面繼續(xù)提升執(zhí)行器機電性能，提升隨動控制的響應(yīng)速度與精度。

審核編輯：湯梓紅