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(dòng)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(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)既能滿足實(shí)時(shí)性需求，又能滿足精度指標(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)麥姆斯咨詢報(bào)道，為了解決隨動(dòng)精度與隨動(dòng)時(shí)延問題，中國兵器工業(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)對雙軸云臺進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度隨動(dòng)控制。通過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)可以滿足無人機(jī)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(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構(gòu)成的隨動(dòng)系統(tǒng)作為研究對象，分別對實(shí)時(shí)姿態(tài)采集算法與云臺控制方案進(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)電慣性測量單元作為傳感單元，通過姿態(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(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。

小型云臺結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)字PID控制器設(shè)計(jì)

為了對基于微慣性器件與模糊控制云臺的隨動(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)測量精度實(shí)驗(yàn)”，使用高精度雙軸轉(zhuǎn)臺對慣性器件的短時(shí)測量精度進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證隨動(dòng)系統(tǒng)的姿態(tài)測量精度。其次是“頭部運(yùn)動(dòng)測量實(shí)驗(yàn)”，利用第一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中的姿態(tài)測量系統(tǒng)對人體頭部運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測量，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)”，對微慣性器件與模糊控制云臺隨動(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)測量精度實(shí)驗(yàn)

頭部運(yùn)動(dòng)測量實(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)工作通過傳感器的實(shí)時(shí)采集算法改進(jìn)與云臺的高頻位置閉環(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，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(dòng)控制的長期穩(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