基于陀螺仪的Risley棱镜扰动抑制：闭合形式的视轴映射与阻尼伪逆补偿

《Defence Technology》：Gyro-based disturbance rejection for Risley prisms: Closed-form boresight mapping and damped pseudo-inverse compensation

　　

部署在无人机上的Risley棱镜光束指向器用于定向能对抗任务，如反无人机激光炫目和光电导弹告警，易受飞行机动引起的平台姿态扰动导致的视线抖动影响。传统的基于图像的视觉伺服存在反馈延迟，且缺乏针对棱镜式光束指向器的主动扰动抑制能力。研究人员提出了一种基于陀螺仪的自稳定方法。一种解析的扰动-视轴映射将平台角速度与视轴扰动速度以闭合形式联系起来，而一种阻尼伪逆补偿方案将这些扰动估计值转换为奇异构型附近的有界棱镜速率指令。这两个组件构成了一种混合架构，在不增加额外执行器的情况下增强了传统的基于图像的跟踪。在Stewart平台上进行的0.5–4 Hz正弦激励下，该方法在开环控制下对单轴Rx和Rz扰动实现了78%–97%的均方根抑制比，对复合多轴激励实现了73%–90%的抑制比；在闭环视觉跟踪下，对于Rx、Rz和复合Rxyz扰动，抑制比保持在71%–84%范围内，且多轴性能与单轴结果相当。在与现有视线稳定方案的基准对比中，在高达2 Hz的增强激励条件下，该方法将复合均方根脱靶量降低了59.8%–77.2%，探索了所提方法的响应带宽限制。通过在标准Risley棱镜硬件上仅增加一个陀螺仪，所提出的方法能够在机动平台上实现主动视线稳定，充分发挥了Risley棱镜转向固有的尺寸、重量和功耗优势，适用于机载光电对抗任务。

研究背景、现存问题与研究意义

现代战场上无人机系统的快速普及对传统防空构成了严峻挑战，从而催生了在战术机载平台上部署紧凑型定向能对抗载荷的迫切需求。这些载荷在执行反无人机激光炫目和光电导弹告警等任务时，必须在宿主平台进行飞行机动的同时保持精确的视线（Line-of-Sight, LOS）稳定。传统的惯性稳定万向架虽能有效抑制平台扰动，但其体积、重量和功耗（Size, Weight, and Power, SWaP）难以满足中小型平台的限制。Risley棱镜光束指向器因其结构紧凑、重量轻、转向速度快且对机械传动误差不敏感等优点，成为SWaP受限机载平台的理想选择。然而，现有的Risley棱镜研究主要集中在静止基座上的光束扫描和跟踪，尚未建立平台角运动如何传播为视线偏差的定量表征，这阻碍了为移动平台上的棱镜式指向器设计主动稳定方案。具体而言，存在三个研究空白：一是缺乏描述平台角速度如何转化为视轴（boresight）扰动的解析映射模型；二是现有混合稳定架构难以应用于Risley棱镜，因为其执行器到视线的映射是非线性的且依赖于构型，简单的固定增益无法可靠地将陀螺仪扰动估计转换为棱镜速率指令；三是缺乏一种集成了陀螺测量、解析视轴扰动映射和有界棱镜指令补偿的紧凑框架，以实现主动稳定。为此，研究人员开展本研究，旨在提出一种基于陀螺仪的自稳定方法，通过解析扰动映射和阻尼伪逆补偿，在不增加额外执行器的前提下，为机载Risley棱镜光束指向器提供主动的视线稳定能力，这对于提升机载光电对抗任务的效能具有重要意义。

研究的主要关键技术方法

研究人员采用的主要技术方法包括：首先，利用解析扰动-视轴映射，推导出一个闭合形式的雅可比矩阵，将三轴陀螺仪测量的平台角速度直接映射为视轴扰动速度，实现基于陀螺仪的预测性感知。其次，开发了阻尼伪逆补偿方案，该方案将陀螺仪导出的扰动估计值转换为有界的棱镜速率指令，通过在运动学奇异点附近牺牲精度换取稳定性。最后，将上述两者整合进一个混合双通道控制架构，其中陀螺补偿通道以高更新率前馈消除平台扰动，而图像反馈通道处理目标跟踪和残余低频误差，两通道共用同一套棱镜电机。

研究结果

1. 扰动-视轴映射验证

研究人员通过让棱镜保持静止（开环，关闭陀螺补偿），施加不同频率和类型的正弦扰动，比较了陀螺映射的视轴角速度与图像导出的脱靶量速度的主导频率。结果表明，在所有测试条件下（5种频率、4种扰动类型、8个目标位置），两者的主导频率完全一致，证实了所提出的解析映射能够正确捕捉平台角速度到视轴扰动的动态传播机制。

2. 阻尼伪逆补偿测试

在开环控制下，研究人员对比了无补偿（基线）和有陀螺补偿两种情况下，由相机记录的脱靶量。通过计算均方根抑制比、主频幅值抑制比和峰峰值抑制比三个指标进行评估。结果显示，对于R_x和R_z扰动，均方根抑制比达到78%–97%；对于复合R_xyz扰动，均方根抑制比为73%–90%。这表明阻尼伪逆补偿方案在多种扰动条件下均能提供有效的开环扰动抑制，验证了该方案的有效性。

3. 集成陀螺跟踪实验

在视觉闭环跟踪条件下，研究人员对比了仅有图像反馈（基线）和图像反馈叠加陀螺补偿两种配置下的跟踪性能。结果表明，启用陀螺补偿后，对于R_x、R_z和复合R_xyz扰动，均方根抑制比保持在71%–84%范围内，且多轴性能与单轴结果相当。这说明所提出的混合架构在闭环跟踪中能够持续优于纯图像反馈基线，证明了其在实际应用中的有效性。

4. 基准对比与极限测试

在增强激励条件下（固定振幅3°，频率扫至2 Hz），研究人员将所提方法与现有视线稳定方案进行了基准对比。结果显示，所提方法将复合均方根脱靶量降低了59.8%–77.2%，显著优于对比方案。该实验也揭示了在高频大振幅扰动下，由于棱镜系统响应带宽的限制，补偿效果会有所下降。

讨论与结论

讨论部分总结了关键发现：所提出的基于陀螺仪的自稳定方法成功实现了对R_x、R_z及复合R_xyz平台扰动的有效抑制，且在闭环跟踪中表现稳健。研究也指出了局限性：对于R_y单轴扰动，由于其在视轴上产生的扰动本质较弱，且共模旋转指令的非理想性会引入差模泄漏，导致补偿效果不佳甚至恶化；在极低频率和大振幅复合扰动下，视轴可能进入球坐标表示的几何奇异区域，导致映射失效。此外，高频大振幅扰动暴露了棱镜系统的响应带宽限制。未来工作方向包括：采用自适应阻尼策略以进一步提升全工作空间内的性能一致性；考虑将陀螺补偿与图像反馈进行更优的融合设计。

结论部分翻译如下：通过仅在标准Risley棱镜硬件上增加一个陀螺仪，所提出的方法能够在机动平台上实现主动视线稳定，充分利用了Risley棱镜转向固有的尺寸、重量和功耗优势，适用于机载光电对抗任务。