《Aerospace Science and Technology》：Mechatronic Disturbance Suppression for Electro-Optical Tracking in Application to Aerospace Communication: Error-Based ESO and Compensated Backstepping Design
编辑推荐：
机电耦合结构摩擦抑制与误差基扩展状态观测器补偿反步控制
庄善林|李家晨|邓久强|毛尧|沈峰
中国科学院光学精密机械与物理研究所光场操控科学与技术国家重点实验室，光学工程重点实验室，成都，610209，中国
摘要
在航空航天激光通信系统中，确保激光指向系统的稳定性至关重要。作为激光指向系统的关键组成部分，电光跟踪旋转平台（ETRP）在改变方向时会经历突然的摩擦变化和机械振动。另一方面，基于误差的传感器对干扰观测器和控制器的设计提出了挑战。本文提出了一种全新的机电一体化框架，该框架结合了刚柔耦合结构（RFCS）和复合控制策略来解决这一问题。通过设计RFCS，摩擦被转换为可观测的弹性变形力，并通过设计基于误差的扩展状态观测器（EB-ESO）实现了总干扰的动态估计和补偿，其观测误差收敛性质通过矩阵不等式得到了严格证明。为了进一步抑制残余干扰，提出了一种基于EB-ESO的补偿反步（CBS）方法，该方法避免了微分爆炸问题，并减轻了传统ESO的局限性。实验结果表明，在0.3 Hz的跟踪频率下，峰值反转误差减少了46.5％；在0.08-0.5 Hz的干扰下，均方根（RMS）误差减少了60％以上。
引言
随着航空航天技术的进步，作为天地通信系统的重要组成部分，ETRP因其高精度跟踪特性而广泛应用于量子通信[1]、激光通信[2]和航空航天[3]等领域。特别是在电光跟踪系统中，ETRP发挥着重要作用[4]。然而，由于机械结构和恶劣的空间环境限制，ETRP面临着摩擦突然变化和外部振动（如太阳帆[5]）的双重主要挑战。由静摩擦引起的“粘滑”现象会导致位置/速度跳变，这不仅降低了微角调整的稳定性[6]，还会由于驱动力突然变化而损坏机械部件[7]。
航空航天设备中的扭矩波动作为典型的干扰因素，也会对系统稳定性产生重大影响，该领域的现有研究已取得令人鼓舞的进展。研究[8]推导了在陀螺扭矩影响下的非线性运动方程，并通过参数反馈控制扭矩实现了卫星的快速稳定。参考文献[9]深入探讨了在三种不同情况下（包括关于不同轴的恒定扭矩）能量耗散与刚体运动之间的关系。参考文献[10]研究了各种扭矩和场对卫星运动的影响，通过图形表示角速度和欧拉角来说明陀螺扭矩、电磁场和牛顿场对卫星动力学和稳定性的影响。
有两种主要方法用于抑制摩擦和外部振动。第一种是机械结构改进，通过使用轴承、弹簧和RFCS等被动振动隔离元件来减少摩擦[11]、[12]。RFCS作为一种典型的设计，受到了广泛关注[13]。它们利用柔性层将静摩擦转换为可观测的弹性变形力。然而，由于固有的结构限制，机械修改无法完全消除非线性摩擦。因此，摩擦仍然作为干扰因素影响ETRP的跟踪性能[14]。此外，目前的刚柔耦合主要应用于线性平台来解决定位问题，而在旋转平台上的运动跟踪问题研究较少。
因此，在相关工作中，另一种方法是设计和优化基于观测的控制算法以进一步抑制这些干扰。例如，参考文献[15]提出了一种基于双滤波器的DO方法，实现了干扰的叠加抑制效果。在[16]中，将预测控制器与DO结合使用，实现了对移动目标的高精度跟踪。参考文献[17]将ADRC嵌入到摄影测量望远镜控制器的速度环路中，增强了定点跟踪效果。ESO作为ADRC的重要组成部分，最初由韩提出，具有非线性结构[18]。为了简化其设计和参数调整，高提出了线性ESO[19]。因此，它已被广泛应用于高精度微/纳运动系统[20]、伺服电机系统[21]和无人车辆[22]等机电系统中。同时，关于ESO的理论研究也取得了很大进展。分析了ESO估计误差的收敛性与总干扰上限之间的关系，并证明了估计误差随观测器带宽的增加而减小[23]。参考文献[24]定量分析了ESO的带宽与跟踪误差瞬态性能之间的关系。参考文献[25]提出了ESO中的扰动压缩概念，通过压缩总干扰的上限进一步增强了其观测效果。
然而，这些方法都是基于输出信号设计的。在ETRP中，空间限制使得无法安装额外的传感器来检测实际系统输出，只能通过相机获得距离误差信号（即误差信号）。尽管目前有基于误差的方法，如基于误差的ADRC[26]将传统的两自由度控制结构改为了一自由度控制；以及基于误差的DO[27]引入了虚拟速度前馈控制与误差驱动方法相结合，但上述现有研究表明，由于观测带宽有限，ESO仍然存在残余干扰问题。这对ETRP中观测器结构的应用提出了重大挑战[28]。
为了解决残余干扰问题，级联控制已被证明是一种有效的方法[29]，通过设计其他控制器或观测器来分层抑制干扰，从而收紧了观测到的干扰上限。考虑到ADRC框架的优势，即ESO和控制律的设计可以独立进行，例如重复控制[30]、模糊控制[31]和终端滑模控制[32]。反步控制[33]、[34]、[35]有效解决了参数不确定性和外部干扰问题。将反步控制与ESO结合使用具有固有的优势。ESO对模型不确定性的处理减轻了反步控制对模型信息的依赖。此外，在反步控制中加入积分项增强了观测器的干扰抑制能力。然而，使用反步控制来抵消ESO的残余干扰时，会出现一个重大挑战：微分项的爆炸问题——即需要对跟踪信号进行多次微分。在ETRP系统中，目标运动轨迹无法直接获取。这也给该方法在ETRP系统中的应用带来了额外的挑战。
尽管最近在ETRP的干扰观测器方面取得了进展，但仍存在三个根本性限制：(a) 由于刚性结构在方向反转时导致的不可观测的静摩擦瞬变；(b) 由于带宽限制，传统ESO中的残余干扰；(c) 在处理未知目标轨迹时，反步控制器中的微分爆炸问题。在本文中，我们提出了一种结合RFCS和机械结构以及级联控制策略的干扰观测方法，以实现摩擦和外部干扰的抑制，从而解决上述问题。本文的难点和主要贡献可以总结如下。
(1)为了解决云台中摩擦观测的挑战，提出了一种结合机械结构、观测器和控制律设计的三级干扰抑制方案。
(2)提出了一种基于EB-ESO的反步控制理论。EB-ESO和反步控制提供了互补的优势，为干扰抑制提供了一种新的控制范式。
(3)提出了一种基于EB-ESO的CBS方法。该方法克服了标准反步中的微分爆炸问题，并利用扰动压缩原理[25]减轻了传统ESO由于有限观测带宽造成的限制。
(4)提供了全面的稳定性分析和参数调整规则。在ETRP上的实验结果验证了所提方法的有效性。
文章的其余部分组织如下。第二节介绍了ETRP的原理和数学模型，并分析了问题。第三节介绍了本文提出的方法论，包括RFCS的设计和级联控制方案的设计，并证明了其稳定性。第四节的主要内容是实验平台的具体验证。第五节总结了本文。
部分摘录
电光跟踪旋转平台及其局限性
本研究中考虑的ETRP如图1所示，是一个典型的机电一体化系统，由机械结构模块、相机模块、驱动模块和信号处理模块组成。在该系统中，目标位置由图像传感器捕获。根据目标位置与视线之间的误差，通过永磁同步电机驱动转盘来调整视线。其受到的力矩示意图如图所示。
主要结果
我们设计了一种电光刚柔耦合跟踪系统，以减轻摩擦、机械振荡和不确定性的影响。该系统协同整合了机械架构、干扰观测和控制律合成的固有优势，提出了一个三层次机电一体化集成缓解框架。
ERCTS的硬件平台
实验验证采用了电光刚柔耦合跟踪系统（图7），包括相机、视觉处理单元、跟踪框架、旋转平台和控制器。在运行过程中，相机获取目标图像，视觉单元计算出目标偏差并将该信号传输给控制器。控制器随后生成控制信号来驱动平台，使视线与目标中心对齐。
结论
本文提出了一种新的方法，将RCS与基于EB-ESO的反步控制理论相结合，以解决ETS中的非线性换向摩擦和动态干扰问题。所提出的方法通过机械创新将摩擦转换为可观测的干扰。EB-ESO实现了具有证明的指数收敛性的误差驱动干扰估计。CBS通过利用EB-ESO的轨迹估计消除了残余干扰，并避免了微分爆炸问题。
CRediT作者贡献声明
庄善林：撰写——原始草稿、验证、软件、方法论、调查、形式分析、数据整理。李家晨：验证、方法论。邓久强：撰写——审阅与编辑、可视化。毛尧：撰写——审阅与编辑、软件、资源。沈峰：撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
