稳定平台中陀螺漂移自适应实时估计算法

　　在车载、舰载、机载光电探测系统中，通常采用陀螺稳定平台隔离载体姿态扰动，精确保持光电探测器视轴指向，以完成对目标的捕获、跟踪和瞄准^[1,2]。作为稳定平台核心测量元件，陀螺误差对平台性能有着很大影响，如陀螺常值漂移会造成平台漂移随时间而成线性增长，陀螺相关漂移会造成平台漂移的随机游走。而平台漂移会带来图像的扰动，进而造成目标搜索、捕获、跟踪和瞄准的困难，因此必须对陀螺误差进行补偿。

　　国内外专家学者针对陀螺误差的分析、建模和补偿^[3-7]，进行了广泛的研究并取得一定的效果。但就稳定平台漂移补偿而言，还存在如下问题：1)各类信号处理手段如低通滤波、卡尔曼滤 波 、 前 向 线 性 预 测 滤 波 ( Forward LinearPrediction Filter, FLP)、小波滤波，均为抑制陀螺噪声的中高频信号，对补偿陀螺常值漂移作用不大;2)从短期来看，陀螺常值漂移为固定随机数，但长期而言，它是时间、温度、重力和安装精度的复合函数，要对其进行精确建模，就需要配备额外的温度和加速度等传感器，这无疑增加了系统成本;3)即使离线构建了常值漂移的精确模型，由于陀螺启动重复性的影响，该模型补偿效果也不一定明显，尤其是对于启动重复性误差较大的微机械陀螺。

　　针对上述问题，提出了一种自适应实时估计算法对陀螺常值漂移和相关漂移进行补偿。在详细阐述稳定平台总体结构、平台伺服控制系统工作模式和数学模型、陀螺误差模型的基础上，深入分析稳定模式下，引起平台漂移的误差因素。自适应实时估计算法以陀螺积分值和图像脱靶角度值为观测向量，以陀螺常值漂移和相关漂移为状态向量，针对系统模型和噪声特性均不准确的实际应用情况，结合Sage-Husa滤波和加权Sage-Husa滤波，进行自适应估计。实验表明，相比于传统的卡尔曼滤波，新算法集判断发散和克服发散、最优估计和次优估计于一体，具有良好的鲁棒性和自适应能力。

　　1 工作原理

　　1.1 总体结构

　　稳定平台主要由光学传感器组件、平台框架、检测传感器和伺服控制系统组成，如图1所示^[8]。

　　其中，光学传感器组件包括摄像机、红外热像仪、激光测距机等，安装在平台内框架上;平台框架一般采用多轴多框架结构，包括各轴系机械框架、轴承、驱动电机、导电滑环等;检测传感器包括速度和角度传感器，如测速机、陀螺仪、编码器和图像跟踪器。

　　1.2 伺服控制系统模型

　　伺服控制系统是稳定平台的关键组成部分，其作用在于：隔离载体姿态扰动，保持光电探测器的视轴稳定，实现目标位置的精确跟踪。伺服控制系统主要通过稳定模式和跟踪模式，来实现视轴稳定和目标跟踪功能，这也是各类平台主要采用的两种基本工作模式。平台启动后，一般工作在稳定模式下，此时伺服控制系统稳定回路开始工作，采集陀螺信号形成速度反馈，隔离载体扰动，以保证图像的稳定，同时接收上位机的速度指令，在视轴稳定的基础上，对目标进行搜索。当捕获并锁定目标后，平台进入跟踪模式，此时稳定回路继续工作，跟踪回路根据图像跟踪器输出的目标脱靶量信号，调整视轴在惯性空间指向，实现对目标精确跟踪。若图像跟踪器丢失目标，则平台重新切换至稳定模式。