基于微慣性傳感器的高靈敏度隨動(dòng)控制技術(shù)

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

在隨動(dòng)控制系統(tǒng)中，隨動(dòng)精度與隨動(dòng)時(shí)延均為關(guān)鍵性指標(biāo)，二者共同決定了隨動(dòng)控制裝備的人機(jī)交互體驗(yàn)，需要機(jī)電系統(tǒng)既能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性需求，又能滿(mǎn)足精度指標(biāo)。因此兼顧實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性的系統(tǒng)方案成為隨動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，為了解決隨動(dòng)精度與隨動(dòng)時(shí)延問(wèn)題，中國(guó)兵器工業(yè)計(jì)算機(jī)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(tái)的低延遲體感隨動(dòng)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(duì)雙軸云臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度隨動(dòng)控制。通過(guò)低成本高采樣頻率的姿態(tài)算法與高實(shí)時(shí)性與響應(yīng)精度的小型雙軸云臺(tái)模糊控制算法改進(jìn)，能夠在88.17 ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)均方根誤差(RMSE)1.478°的隨動(dòng)控制。該隨動(dòng)控制系統(tǒng)可以滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)控制與觀察、車(chē)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(bào)》期刊。

該項(xiàng)工作中，研究人員選取微慣性傳感器與小型云臺(tái)構(gòu)成的隨動(dòng)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，分別對(duì)實(shí)時(shí)姿態(tài)采集算法與云臺(tái)控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，提升隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(jī)電慣性測(cè)量單元作為傳感單元，通過(guò)姿態(tài)解算與互補(bǔ)濾波獲取實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的姿態(tài)信息。在云臺(tái)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(tái)的機(jī)電控制系統(tǒng)，兼顧非線性輸入下機(jī)電響應(yīng)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。

小型云臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)字PID控制器設(shè)計(jì)

為了對(duì)基于微慣性器件與模糊控制云臺(tái)的隨動(dòng)系統(tǒng)控制實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，研究人員設(shè)計(jì)了三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。首先是“姿態(tài)測(cè)量精度實(shí)驗(yàn)”，使用高精度雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)慣性器件的短時(shí)測(cè)量精度進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證隨動(dòng)系統(tǒng)的姿態(tài)測(cè)量精度。其次是“頭部運(yùn)動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)”，利用第一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)人體頭部運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，獲取人體頭部運(yùn)動(dòng)的典型參數(shù)。最后結(jié)合第二項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中的人體頭部運(yùn)動(dòng)典型參數(shù)，設(shè)計(jì)“位置隨動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)”，對(duì)微慣性器件與模糊控制云臺(tái)隨動(dòng)系統(tǒng)性能進(jìn)行綜合表征，驗(yàn)證隨動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。

姿態(tài)測(cè)量精度實(shí)驗(yàn)

頭部運(yùn)動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)設(shè)備

位置隨動(dòng)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程300 s內(nèi)，綜合低速、間歇、大范圍、高速、搖擺等運(yùn)動(dòng)形式，隨動(dòng)系統(tǒng)精度較高，能夠在88.17 ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)均方根誤差(RMSE)1.478°的隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)精度，可以滿(mǎn)足位置隨動(dòng)控制精度需求。該精度主要受限于機(jī)電控制環(huán)節(jié)，提升響應(yīng)速度與精度一方面可以通過(guò)載荷、編碼器、機(jī)械結(jié)構(gòu)、線纜減重以降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)現(xiàn);另一方面，提升電機(jī)效率，能在單位轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下實(shí)現(xiàn)更高功率輸出，也能改善隨動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電特性。

該項(xiàng)工作通過(guò)傳感器的實(shí)時(shí)采集算法改進(jìn)與云臺(tái)的高頻位置閉環(huán)模糊PID控制設(shè)計(jì)，用低成本實(shí)現(xiàn)了低延遲高精度隨動(dòng)控制功能。研究人員稱(chēng)，后續(xù)將繼續(xù)開(kāi)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(dòng)控制的長(zhǎng)期穩(wěn)定性;另一方面繼續(xù)提升執(zhí)行器機(jī)電性能，提升隨動(dòng)控制的響應(yīng)速度與精度。

審核編輯：湯梓紅