● 摘要
机载光电吊舱稳定平台是一种吊挂于直升机或无人机的光电侦察设备，通常具有二/三个自由度，通过可见光/红外等传感器对地面进行搜索、跟踪、定位以及目标指示。本文中两轴吊舱平台应用于高压输电线路巡检系统中，提供稳定图像输出。
本文的两轴吊舱平台采用方位框架、俯仰框架分别沿方位轴、俯仰轴的独立回转设计。方位框架（外框）受基座和俯仰框架（内框）的耦合影响，俯仰框受方位框的耦合影响。这些耦合因素在给框架控制带来不便的同时，也影响了系统指向精度。另外，平台采用一级齿轮传动实现紧凑化和大力矩驱动，但齿隙的非线性会降低传动精度，甚至影响系统稳定性。因此，本文针对两框架耦合问题研究解耦控制方法；针对齿隙非线性环节进行建模和补偿。
本文进行了以下几个方面的研究：
（1）介绍了无人机电力线路安全巡检系统，以及机载两轴吊舱平台的系统组成、基本结构及工作原理。定义机载两轴吊舱平台坐标系，根据Newton-Euler运动学方程分析了平台方位框和俯仰框的运动学、动力学特性，建立平台动力学模型。并进行了动力学耦合仿真分析；
（2）针对吊舱平台基座与框架间的动力学耦合，基于逆系统原理研究了平台两框架的解耦控制。设计了两自由度内模控制器，解决了逆系统方法因未建模动态导致的残余耦合和残余非线性，避免了反馈线性化方法对模型的依赖，提高了系统鲁棒性；
（3）针对齿隙非线性环节，建立了齿隙非线性死区模型；仿真分析了齿隙对系统性能的影响；以框架伺服系统为研究对象，应用反步积分法，通过依次选择Lyapunov函数，设计了基于状态反馈的控制器，提高了系统稳定精度；
（4）在两轴吊舱平台和三轴惯性稳定平台原理样机上，分别针对基于逆系统和2-DOF内模的解耦控制以及基于反步积分的齿隙补偿控制进行了实验验证。实验结果表明本论文提出的解耦控制方法实现了平台框架的解耦控制，并提高了系统抗扰性能；齿隙补偿控制方法既提高系统响应速度也提高了稳定精度。