本發(fā)明屬于空間遙感觀測，尤其涉及一種空間相機掃描控制系統(tǒng)隨動與跟蹤解耦方法。

背景技術：

1、隨著航天活動的蓬勃發(fā)展，近年來國土資源、氣象測繪等領域對空間遙感觀測的需求日益增加，高分辨率、大幅寬成像成為空間遙感載荷的一大發(fā)展趨勢。目前寬幅高分成像主要依托掃描機構帶動反射鏡或鏡體運動，從而實現(xiàn)線陣掃描或面陣拼接成像。高精度的空間機構掃描控制技術，尤其是多軸同步高精度掃描控制技術成為了光學遙感載荷需具備的重要能力之一。

2、多軸驅動同步系統(tǒng)按驅動源間的介質連接方式，可分為剛性連接系統(tǒng)、柔性連接系統(tǒng)、及無連接系統(tǒng)。目前空間相機同步掃描控制領域多采用無連接系統(tǒng)，即去除電機間的物理介質連接，通過整體的控制結構設計與對電機、控制器的建模分析，將各軸的反饋信號在控制系統(tǒng)結構上進行整合，實現(xiàn)多軸同步控制。在無連接同步控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的架構和算法設計有多種策略。其中，同一給定控制策略的電機之間沒有耦合，所有電機對參考信號實現(xiàn)一致跟隨，該方法抗干擾能力強，但同步性能較差。智能控制(如滑膜變結構控制、模糊控制、預測控制等)與同一給定控制結合的控制策略，通過提高單臺電機的跟蹤性能，可以提升系統(tǒng)整體的同步性能，但系統(tǒng)結構復雜，計算量大，不適用于工程應用。偏差耦合控制策略的結構可靠性好、耦合程度高、可控電機數(shù)量多，應用比較廣泛，但存在補償機制復雜，同步性能受限的問題。改進的偏差耦合控制策略對傳統(tǒng)偏差耦合控制結構的補償環(huán)節(jié)進行了簡化，在一定程度上對系統(tǒng)的同步性能與跟蹤性能進行了解耦調節(jié)，解決了傳統(tǒng)偏差耦合控制結構的同步性調節(jié)困難問題，但其仍然沒有完全解耦，對隨動性能的調節(jié)會影響主動軸的跟蹤效果。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的技術解決問題：克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種空間相機掃描控制系統(tǒng)隨動與跟蹤解耦方法，旨在實現(xiàn)空間相機多軸掃描機構的主動軸跟蹤控制與隨動軸同步控制解耦，在保證高精度同步性能的同時，能夠隔絕隨動軸控制對主動軸的影響，解耦系統(tǒng)跟蹤性能與同步性能，簡化系統(tǒng)結構，降低產品研發(fā)成本。

2、為了解決上述技術問題，本發(fā)明公開了一種空間相機掃描控制系統(tǒng)隨動與跟蹤解耦方法，包括：

3、確定控制對象；其中，控制對象為：空間相機掃描系統(tǒng)中三個獨立的、結構上無耦合關系的軸；

4、通過三個三相無齒槽永磁同步力矩電機，分別驅動三個軸按照規(guī)劃的軌跡作連續(xù)整周旋轉掃描運動，使三個軸滿足設定要求，在實現(xiàn)寬幅成像的同時，實現(xiàn)空間相機多軸掃描機構的主動軸跟蹤控制與隨動軸同步控制解耦。

5、在上述空間相機掃描控制系統(tǒng)隨動與跟蹤解耦方法中，三個軸分別為：主動軸、第一隨動軸和第二隨動軸。

6、在上述空間相機掃描控制系統(tǒng)隨動與跟蹤解耦方法中，空間相機掃描系統(tǒng)按成像過程分為：成像段和非成像段。

7、在上述空間相機掃描控制系統(tǒng)隨動與跟蹤解耦方法中，通過三個三相無齒槽永磁同步力矩電機，分別驅動三個軸按照規(guī)劃的軌跡作連續(xù)整周旋轉掃描運動，使三個軸滿足如下設定要求：1)三個軸在成像段做勻速、同步掃描運動，且三個軸在成像段的勻速掃描運動速度不同；2)三個軸在成像段的掃描角度范圍不同，即，三個軸的成像段起始角度和成像段結束角度不同；3)三個軸的成像段時間相同，即，三個軸同時進入成像段，同時經過衛(wèi)星星下點，同時離開成像段，且三個軸的掃描周期相同。

8、在上述空間相機掃描控制系統(tǒng)隨動與跟蹤解耦方法中，空間相機掃描系統(tǒng)按工作過程分為三個階段：

9、啟動階段：各軸從靜止開始加速運動，同時到達各自的成像段起始角度，且到達各自的成像段起始角度時的速度恰好為各自在成像段的勻速掃描運動速度；

10、掃描階段：從各軸的掃描起始位置開始連續(xù)整周旋轉，保持成像段同步，各軸的掃描周期相同；

11、停止階段：各軸從當前運動速度開始緩慢減速，直至速度減為0。

12、在上述空間相機掃描控制系統(tǒng)隨動與跟蹤解耦方法中，還包括：對各軸啟動階段和掃描階段的軌跡進行規(guī)劃，得到規(guī)劃的軌跡，以滿足成像段各軸掃描的同步性。

13、在上述空間相機掃描控制系統(tǒng)隨動與跟蹤解耦方法中，對各軸啟動階段的軌跡進行規(guī)劃，包括：

14、設：在啟動階段的加速段，各軸均從速度0開始作勻加速運動，加速時間均為tqj；則：

15、各軸在啟動階段的加速段的加速度為：

16、

17、其中，表示軸i在加速段的加速度，表示軸i的勻速掃描運動速度；i＝1,2,3；i＝1，表示主動軸；i＝2，表示第一隨動軸；i＝3，第二隨動軸；

18、各軸在啟動階段的加速段的運動角度增量為：

19、

20、其中，表示軸i在加速段ta時刻的運動角度增量，ta∈[0,tqj]；

21、設：在啟動階段的勻速段，各軸以保持勻速運動，各軸勻速運動時間均為tqy；則：

22、各軸在啟動階段的勻速段的運動角度增量為：

23、

24、其中，表示軸i在勻速段tb時刻的運動角度增量，tb∈[0,tqy]；

25、根據(jù)確定的各軸在啟動階段的加速段的運動角度增量和各軸在啟動階段的勻速段的運動角度增量，確定各軸在啟動階段的運動角度增量曲線為：

26、

27、其中，表示軸i的成像段結束角度；

28、根據(jù)確定各軸啟動階段的軌跡。

29、在上述空間相機掃描控制系統(tǒng)隨動與跟蹤解耦方法中，對各軸掃描階段的軌跡進行規(guī)劃，包括：

30、設：在掃描階段，主動軸從成像起始點開始，以做勻速整周旋轉；則：

31、主動軸在掃描階段的角度增量曲線為：

32、

33、其中，tc表示成像段的持續(xù)時間；

34、根據(jù)確定主動軸在掃描階段的軌跡。

35、設：在掃描階段，第一隨動軸從成像起始點開始，先經歷成像段的勻速運動，再經歷非成像段的變速運動；其中，在掃描階段，第一隨動軸在非成像段的變速運動包括五個階段：勻速段a1、加速段b、勻速段a2、減速段c和勻速段a3，經歷的時間分別為和勻速段a1、勻速段a2和勻速段a3的勻速速度相同，均為則：

36、第一隨動軸在掃描階段的角速度曲線為：

37、

38、其中，表示第一隨動軸在掃描階段的運動時間，a2表示第一隨動軸在變速段的加速度變化量最大值；m2表示第一隨動軸的速度正弦變化頻率；

39、第一隨動軸在掃描階段的角度增量曲線為：

40、

41、根據(jù)和確定第一隨動軸在掃描階段的軌跡；

42、設：在掃描階段，第二隨動軸從成像起始點開始，先經歷成像段的勻速運動，再經歷非成像段的變速運動；其中，在掃描階段，第二隨動軸在非成像段的變速運動包括五個階段：勻速段a'1、加速段b'、勻速段a'2、減速段c'和勻速段a'3，經歷的時間分別為和勻速段a'1、勻速段a'2和勻速段a'3的勻速速度相同，均為則：

43、第二隨動軸在掃描階段的角速度曲線為：

44、

45、其中，表示第二隨動軸在掃描階段的運動時間，a3表示第二隨動軸在變速段的加速度變化量最大值；m3表示第二隨動軸的速度正弦變化頻率；

46、第二隨動軸在掃描階段的角度增量曲線為：

47、

48、根據(jù)和確定第二隨動軸在掃描階段的軌跡。

49、在上述空間相機掃描控制系統(tǒng)隨動與跟蹤解耦方法中，

50、

51、在上述空間相機掃描控制系統(tǒng)隨動與跟蹤解耦方法中，三相無齒槽永磁同步力矩電機等效為直流電機，傳遞函數(shù)g(s)表示如下：

52、

53、其中：l表示等效電感，r表示等效電阻，kt表示電流力矩系數(shù)，ks表示反電動勢系數(shù)，js為電機轉動慣量，s表示復變量。

54、本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

55、(1)本發(fā)明公開了一種空間相機掃描控制系統(tǒng)隨動與跟蹤解耦方法，通過合理的軌跡規(guī)劃，實現(xiàn)了3軸同周期、不同速的變速同步掃描，解決了空間相機多軸同步變速掃描機構的軌跡規(guī)劃問題。

56、(2)本發(fā)明公開了一種空間相機掃描控制系統(tǒng)隨動與跟蹤解耦方法，在成像段和非成像段采用不同的控制策略：在非成像段采用單軸獨立控制策略，嚴格跟蹤指令角度，減小了3軸到達成像起始位置的速度誤差與角度誤差；在成像段采用同步隨動控制解耦策略，使隨動軸的運動性能與主動軸耦合，同時主動軸的運動性能與隨動軸不耦合，消除隨動軸控制系統(tǒng)對主動軸控制的影響，保證了隨動軸對主動軸良好的同步跟隨動性能。