一種直驅(qū)光纖陀螺穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)及其控制方法
【專利摘要】一種直驅(qū)光纖陀螺穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)及其控制方法，其特征是采用直角坐標(biāo)軸結(jié)構(gòu)，外框為橫滾框，內(nèi)框平臺為俯仰框；慣性測量單元和被穩(wěn)定對象安裝在內(nèi)框平臺的平臺上，采用直驅(qū)力矩電機(jī)直接驅(qū)動平臺框架。控制系統(tǒng)采用模塊化及DSP和單片機(jī)組合的雙CPU設(shè)計，系統(tǒng)穩(wěn)定，操作簡單。本發(fā)明解決了現(xiàn)有穩(wěn)定平臺系統(tǒng)機(jī)械加工及裝配難度大、精度不易保持、傳動齒輪間隙誤差大、控制響應(yīng)速度慢以及單CPU多任務(wù)控制系統(tǒng)負(fù)荷重的問題?？捎行?yīng)用于機(jī)載、艦載及車載測量設(shè)備的穩(wěn)定。
【專利說明】一種直驅(qū)光纖陀螺穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種穩(wěn)定系統(tǒng)，尤其是一種直驅(qū)光纖陀螺穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]陀螺穩(wěn)定平臺采用陀螺儀為反饋元件，其主要功能是隔離載體的角運(yùn)動，使被穩(wěn)定對象之軸指向?qū)Ш阶鴺?biāo)系(如慣性坐標(biāo)系)中的特定方位。當(dāng)負(fù)載的支承軸無任何干擾力矩作用時，平臺將相對慣性空間始終保持在原來的角位置上。當(dāng)負(fù)載因干擾力矩作用而偏離原來的方位時，陀螺敏感測量軸的姿態(tài)角或角速率，并經(jīng)過控制系統(tǒng)后反饋給電機(jī)，通過電機(jī)產(chǎn)生補(bǔ)償力矩對干擾力矩進(jìn)行補(bǔ)償，從而使負(fù)載保持穩(wěn)定。
[0003]常規(guī)的穩(wěn)定平臺的慣性測量單元(MU)安裝于運(yùn)動載體之上，并且采用伺服電機(jī)和減速齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動平臺。這樣的設(shè)計對平臺的加工、裝配工藝要求極高，并且在使用過程中，臺體會不可避免的發(fā)生長期或短期的形變，這些形變最終都會影響平臺的穩(wěn)定精度。另夕卜，伺服電機(jī)在低轉(zhuǎn)速的條件下，性能會顯著下降。減速齒輪系的回差也會直接影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度。在小角度的情形下，減速齒輪系回差在控制系統(tǒng)的作用下甚至?xí)斐膳_體的震蕩，對結(jié)果造成不良影響。
[0004]常規(guī)運(yùn)動控制系統(tǒng)中，單一的DSP芯片完成所有的通訊、解算、控制、輸出、監(jiān)控等功能。這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致DSP的工作負(fù)荷重，對上位機(jī)的通訊響應(yīng)可能會影響伺服系統(tǒng)的實時性，在極端負(fù)荷條件下可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，從而使穩(wěn)定平臺傾覆。
[0005]設(shè)計一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)及控制方法，成為了該領(lǐng)域研究的方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種直驅(qū)光纖陀螺穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)及其控制方法，利用直驅(qū)力矩電機(jī)，克服了現(xiàn)有穩(wěn)定平臺系統(tǒng)機(jī)械加工要求高、精度不易保持、傳動齒輪間隙誤差大、控制響應(yīng)速度慢的問題。
[0007]技術(shù)方案:一種直驅(qū)光纖陀螺穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)，包括光纖陀螺慣性測量單元和一組光柵旋轉(zhuǎn)編碼器；包括外框、內(nèi)框平臺、中框、外框力矩電機(jī)和內(nèi)框力矩電機(jī)；其中中框為橫滾框，內(nèi)框平臺為俯仰框；
[0008]外框力矩電機(jī)安裝在外框上，內(nèi)框平臺安裝在中框內(nèi)側(cè)；中框與外框力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子固定，中框隨外框力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；內(nèi)框平臺與內(nèi)框力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子固定，內(nèi)框平臺隨內(nèi)框力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；
[0009]外框力矩電機(jī)和內(nèi)框力矩電機(jī)的中軸線垂直且位于同一水平面；外框、內(nèi)框平臺和中框初始狀態(tài)下位置水平；
[0010]光纖陀螺慣性測量單元安置在內(nèi)框平臺上；一個光柵旋轉(zhuǎn)編碼器穿過外框，與外框力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，位于外框力矩電機(jī)相對的外框的另一側(cè)；另一個光柵旋轉(zhuǎn)編碼器穿過中框平臺，與內(nèi)框力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，位于內(nèi)框力矩電機(jī)相對的中框的另一側(cè)。[0011]一種直驅(qū)光纖陀螺穩(wěn)定平臺的控制方法，包括上位機(jī)、傳感器模塊、控制模塊、接口模塊和執(zhí)行輸出模塊；
[0012]所述上位機(jī)通過接口模塊對系統(tǒng)發(fā)布指令；傳感器模塊的輸出端連接接口模塊的輸入端，接口模塊與控制模塊互聯(lián)；所述控制模塊的輸出端連接執(zhí)行輸出模塊的輸入端；所述輸出模塊輸出端連接外框力矩電機(jī)和內(nèi)框力矩電機(jī)；
[0013]所述控制模塊包括DSP和單片機(jī)；所述DSP用于進(jìn)行伺服控制，所述單片機(jī)在伺服過程中接受上位機(jī)的控制，進(jìn)行實時調(diào)整控制、濾波參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)置并存儲到EEPROM中；同時實時轉(zhuǎn)發(fā)穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)的姿態(tài)、角速率和跟蹤精度信息；
[0014]所述傳感器模塊包括光纖陀螺慣性測量單元和光柵旋轉(zhuǎn)編碼器；所述執(zhí)行輸出模塊包括=DAC和PWM功放單元；
[0015]I)控制模塊初始化:
[0016]1.1) DSP芯片初始化:時鐘、10、UART和I2C信號初始化；
[0017]1.2)單片機(jī)初始化:讀取EEPROM中的控制參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)置；
[0018]2)裝訂參數(shù):DSP以SPI總線讀取單片機(jī)中的控制、濾波參數(shù)，并裝訂到系統(tǒng)變量結(jié)構(gòu)體中；
[0019]3)等待串口接收中斷:設(shè)定中斷向量表，使能串口中斷，使能DSP串口緩沖區(qū)接收中斷；
[0020]4)數(shù)據(jù)解析:程序等待與MU相連的串口接收中斷，當(dāng)接收緩沖區(qū)積累到與MU數(shù)據(jù)協(xié)議相同的字節(jié)數(shù)后，程序開始協(xié)議解析，并計算循環(huán)校驗碼；
[0021]5)檢測:傳感器模塊通過光纖陀螺慣性測量單元(3)檢測內(nèi)框平臺(12)的姿態(tài)角以及角速率的變化；
[0022]6)PID算法:當(dāng)步驟5)中比對結(jié)果判定即時位置與當(dāng)?shù)厮轿恢么嬖谧藨B(tài)角偏差或偏離角速率時，利用IMU傳來的姿態(tài)與陀螺速率采用雙閉環(huán)控制，進(jìn)行PID伺服解算；
[0023]7)驅(qū)動輸出:更新兩路DAC輸出控制電壓，PWM功放單元板根據(jù)控制電壓調(diào)整PWM占空比，驅(qū)動外框力矩電機(jī)(21)轉(zhuǎn)子和內(nèi)框力矩電機(jī)(22)轉(zhuǎn)子輸出調(diào)節(jié)后的反向扭矩。
[0024]有益效果:
[0025](I)采用MU直接安裝于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的平臺上，測量結(jié)果無需內(nèi)外框坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，消除了機(jī)械加工和裝配帶來的誤差；在使用過程中即使出現(xiàn)撓性或者熱形變，該結(jié)構(gòu)也可以自動消除其帶來的穩(wěn)定誤差。
[0026](2)采用直驅(qū)力矩電機(jī)，取消了傳動齒輪系，從而避免了齒輪回差帶來的系統(tǒng)誤差，提高了控制的精度和響應(yīng)速度。
[0027](3)控制系統(tǒng)采用DSP和單片機(jī)雙CPU控制，由于單片機(jī)分擔(dān)了處理的工作，大幅提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，同時擴(kuò)展了系統(tǒng)的功能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖
[0029]圖2為控制系統(tǒng)原理框圖
[0030]圖3為控制系統(tǒng)流程圖
[0031]圖4為雙環(huán)PID控制系統(tǒng)原理圖[0032]圖5為電平橋接原理圖【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。如圖1所示，一種直驅(qū)光纖陀螺穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)，包括光纖陀螺慣性測量單元3和一組光柵旋轉(zhuǎn)編碼器4 ;包括外框U、內(nèi)框平臺
12、中框13、外框力矩電機(jī)21和內(nèi)框力矩電機(jī)22 ;其中中框13為橫滾框，內(nèi)框平臺12為俯仰框；
[0034]外框力矩電機(jī)21安裝在外框11上，內(nèi)框平臺12安裝在中框13內(nèi)側(cè)；
[0035]中框13與外框力矩電機(jī)21轉(zhuǎn)子固定，中框13隨外框力矩電機(jī)21轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；內(nèi)框平臺12與內(nèi)框力矩電機(jī)22轉(zhuǎn)子固定，內(nèi)框平臺12隨內(nèi)框力矩電機(jī)22轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；
[0036]外框力矩電機(jī)21和內(nèi)框力矩電機(jī)22的中軸線垂直且位于同一水平面；外框11、內(nèi)框平臺12和中框13初始狀態(tài)下位置水平；
[0037]光纖陀螺慣性測量單元3安置在內(nèi)框平臺12上；一個光柵旋轉(zhuǎn)編碼器4穿過外框11，與外框力矩電機(jī)21轉(zhuǎn)子同軸,位于外框力矩電機(jī)21相對的外框11的另一側(cè)；另一個光柵旋轉(zhuǎn)編碼器4穿過中框平臺13，與內(nèi)框力矩電機(jī)22轉(zhuǎn)子同軸，位于內(nèi)框力矩電機(jī)22相對的中框13的另一側(cè)。
[0038]如圖2所示，一種直驅(qū)光纖陀螺穩(wěn)定平臺的控制方法，包括上位機(jī)、傳感器模塊、控制模塊、接口模塊和執(zhí)行輸出模塊；
[0039]上位機(jī)通過接口模塊對系統(tǒng)發(fā)布指令；傳感器模塊的輸出端連接接口模塊的輸入端，接口模塊與控制模塊互聯(lián)；所述控制模塊的輸出端連接執(zhí)行輸出模塊的輸入端；所述輸出模塊輸出端連接外框力矩電機(jī)21和內(nèi)框力矩電機(jī)22 ；
[0040]控制模塊包括32位的DSP和8位的單片機(jī)，本實例選用32位的一片TMS320F28335位浮點(diǎn)DSP和一片8位的C8051F340單片機(jī)。常規(guī)運(yùn)動控制系統(tǒng)中，單一的DSP芯片完成所有的通訊、解算、控制、輸出、監(jiān)控等功能。這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致DSP的工作負(fù)荷重，對上位機(jī)的通訊響應(yīng)可能會影響伺服系統(tǒng)的實時性，在極端負(fù)荷條件下可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，從而使穩(wěn)定平臺傾覆。本控制方法采用DSP和單片機(jī)共同控制，DSP用來采集IMU的數(shù)據(jù)、進(jìn)行解析、伺服計算、DAC輸出接口控制，單片機(jī)在伺服過程中可以接受上位機(jī)的控制，隨時調(diào)整控制、濾波參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)置并將其存儲到EEPROM中；同時根據(jù)用戶的設(shè)置，單片機(jī)還可以實時轉(zhuǎn)發(fā)平臺的姿態(tài)、角速率和跟蹤精度等信息，DSP只用來進(jìn)行伺服控制，從而降低了控制軟件的復(fù)雜性，保證了伺服的實時性，提高了系統(tǒng)的可靠性。
[0041]傳感器模塊包括光纖陀螺慣性測量單元3和光柵旋轉(zhuǎn)編碼器4 ；
[0042]執(zhí)行輸出模塊包括:16位的DAC和PWM功放單元；
[0043]接口模塊包括隔離RS422和RS232通訊接口。
[0044]如圖3所示，該方法具體包括如下步驟:
[0045]步驟I)控制模塊初始化:系統(tǒng)上電后，控制模塊進(jìn)行初始化；
[0046]1.1) DSP芯片初始化:DSP內(nèi)部資源，如時鐘、10、UART和I2C等信號初始化；
[0047]1.2)單片機(jī)初始化:讀取EEPR0M(帶電可擦寫可編程只讀存儲器)中的控制參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)置；
[0048]步驟2)裝訂參數(shù):DSP以SPI總線讀取單片機(jī)中的控制、濾波參數(shù)，并將其裝訂到系統(tǒng)變量結(jié)構(gòu)體中；
[0049]步驟3 )等待串口接收中斷:設(shè)定中斷向量表，使能串口中斷，使能DSP串口緩沖區(qū)接收中斷；
[0050]步驟4)數(shù)據(jù)解析:程序等待與IMU相連的串口接收中斷，當(dāng)接收緩沖區(qū)積累到與IMU數(shù)據(jù)協(xié)議相同的字節(jié)數(shù)后，程序開始協(xié)議解析，并計算循環(huán)校驗碼；
[0051]5)檢測:傳感器模塊通過光纖陀螺慣性測量單元3檢測內(nèi)框平臺12的姿態(tài)角以及角速率的變化；
[0052]6)PID算法:當(dāng)步驟5)中比對結(jié)果判定即時位置與當(dāng)?shù)厮轿恢么嬖谧藨B(tài)角偏差或偏離角速率時，利用IMU傳來的姿態(tài)與陀螺速率采用雙閉環(huán)控制，進(jìn)行PID伺服解算；
[0053]7)驅(qū)動輸出:更新兩路DAC輸出控制電壓，PWM功放單元板根據(jù)控制電壓調(diào)整PWM占空比，驅(qū)動外框力矩電機(jī)(21)轉(zhuǎn)子和內(nèi)框力矩電機(jī)(22)轉(zhuǎn)子輸出調(diào)節(jié)后的反向扭矩。
[0054]具體舉例，被穩(wěn)定物體與光纖陀螺慣性測量單元3共同安裝在內(nèi)框平臺12的平臺上，當(dāng)傳感器模塊檢測到光纖陀螺慣性測量單元3相對水平位置產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)信號通過接口模塊輸入傳輸至控制模塊，控制模塊經(jīng)過上述步驟I) 一5)的相關(guān)計算，控制執(zhí)行輸出模塊的DAC對外框力矩電機(jī)21轉(zhuǎn)子和內(nèi)框力矩電機(jī)22轉(zhuǎn)子進(jìn)行調(diào)節(jié)，以修正所產(chǎn)生橫向和縱向的偏轉(zhuǎn)，達(dá)到控制穩(wěn)定平臺平穩(wěn)的目的。
[0055]如圖4所示為步驟五所述雙閉環(huán)PID控制系統(tǒng)的原理圖，由IMU輸出的姿態(tài)和陀螺輸出的角速率作為反饋量，對系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制，同時兼顧了控制精度和平臺穩(wěn)定剛度。當(dāng)IMU檢測到光纖陀螺慣性測量單元3所在平臺偏離姿態(tài)角或偏離角速率時，經(jīng)過解算處理模塊處理，控制器給出模擬控制電壓，驅(qū)動器根據(jù)控制電壓輸出功率放大的PWM信號驅(qū)動電機(jī)給出反向扭矩，糾正臺體向減小姿態(tài)誤差和角速率的方向運(yùn)動。
[0056]其中，DSP需經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后對輸出模塊進(jìn)行控制，如圖5所示的本方法中的電平橋接示意圖，該電平轉(zhuǎn)換芯片本實例中選用74ALVC164245 JfDSP的IO端口 3.3V TTL電平轉(zhuǎn)換為5V TTL電平。
[0057]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種直驅(qū)光纖陀螺穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)，包括光纖陀螺慣性測量單元(3)和一組光柵旋轉(zhuǎn)編碼器(4); 其特征在于:包括外框(11)、內(nèi)框平臺(12)、中框(13)、外框力矩電機(jī)(21)和內(nèi)框力矩電機(jī)(22);其中所述中框(13)為橫滾框，所述內(nèi)框平臺(12)為俯仰框； 所述外框力矩電機(jī)(21)安裝在外框(11)上，所述內(nèi)框平臺(12)安裝在中框(13)內(nèi)側(cè)； 所述中框(13)與外框力矩電機(jī)(21)轉(zhuǎn)子固定，中框(13)隨外框力矩電機(jī)(21)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動； 所述內(nèi)框平臺(12)與內(nèi)框力矩電機(jī)(22)轉(zhuǎn)子固定，內(nèi)框平臺(12)隨內(nèi)框力矩電機(jī)(22)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動； 所述外框力矩電機(jī)(21)和內(nèi)框力矩電機(jī)(22)的中軸線垂直且位于同一水平面；所述外框(11 )、內(nèi)框平臺(12)和中框(13)初始狀態(tài)下位置水平； 所述光纖陀螺慣性測量單元(3)安置在內(nèi)框平臺(12)上；一個光柵旋轉(zhuǎn)編碼器(4)穿過外框(11)，與外框力矩電機(jī)(21)轉(zhuǎn)子同軸，位于外框力矩電機(jī)(21)相對的外框(11)的另一側(cè)；另一個光柵旋轉(zhuǎn)編碼器(4)穿過中框平臺(13)，與內(nèi)框力矩電機(jī)(22)轉(zhuǎn)子同軸，位于內(nèi)框力矩電機(jī)(22)相 對的中框(13)的另一側(cè)。
2.一種直驅(qū)光纖陀螺穩(wěn)定平臺的控制方法，其特征在于，包括上位機(jī)、傳感器模塊、控制模塊、接口模塊和執(zhí)行輸出模塊； 所述上位機(jī)通過接口模塊對控制模塊發(fā)送指令；傳感器模塊的輸出端連接接口模塊的輸入端，接口模塊與控制模塊互聯(lián)；所述控制模塊的輸出端連接執(zhí)行輸出模塊的輸入端；所述輸出模塊輸出端連接外框力矩電機(jī)(21)轉(zhuǎn)子和內(nèi)框力矩電機(jī)(22)轉(zhuǎn)子； 所述控制模塊包括DSP和單片機(jī)；所述DSP用于進(jìn)行伺服控制，所述單片機(jī)在伺服過程中接受上位機(jī)的控制，進(jìn)行實時調(diào)整控制、濾波參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)置并存儲到EEPROM中；同時實時轉(zhuǎn)發(fā)穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)(I)的姿態(tài)、角速率和跟蹤精度信息； 所述傳感器模塊包括光纖陀螺慣性測量單元(3)和光柵旋轉(zhuǎn)編碼器(4)； 所述執(zhí)行輸出模塊包括:DAC、PWM功放單元和直驅(qū)力矩電機(jī)； 該方法包括如下步驟: 1)控制模塊初始化: ·1.1) DSP芯片初始化:時鐘、10、UART和I2C信號初始化； ·1.2)單片機(jī)初始化:讀取EEPROM中的控制參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)置； 2)裝訂參數(shù):DSP以SPI總線讀取單片機(jī)中的控制、濾波參數(shù)，并裝訂到系統(tǒng)變量結(jié)構(gòu)體中； 3)等待串口接收中斷:設(shè)定中斷向量表，使能串口中斷，使能DSP串口緩沖區(qū)接收中斷； 4)數(shù)據(jù)解析:程序等待與MU相連的串口接收中斷，當(dāng)接收緩沖區(qū)積累到與MU數(shù)據(jù)協(xié)議相同的字節(jié)數(shù)后，程序開始協(xié)議解析，并計算循環(huán)校驗碼； 5)檢測:傳感器模塊通過光纖陀螺慣性測量單元(3)檢測內(nèi)框平臺(12)的姿態(tài)角以及角速率的變化； 6)PID算法:當(dāng)步驟5)中比對結(jié)果判定即時位置與當(dāng)?shù)厮轿恢么嬖谧藨B(tài)角偏差或偏離角速率時，利用IMU傳來的姿態(tài)與陀螺速率采用雙閉環(huán)控制，進(jìn)行PID伺服解算； 7)驅(qū)動輸出:更新兩路DAC輸出控制電壓，PWM功放單元板根據(jù)控制電壓調(diào)整PWM占空t匕，驅(qū)動外框力矩電機(jī)(21)轉(zhuǎn)子和內(nèi)框力矩電機(jī)(22)轉(zhuǎn)子輸出調(diào)節(jié)后的反向扭矩。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種直驅(qū)光纖陀螺穩(wěn)定平臺的控制方法，其特征在于:所述接口模塊包括隔離RS422和RS232通訊接口。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種直驅(qū)光纖陀螺穩(wěn)定平臺的控制方法，其特征在于:所述DSP為32位；所述單片機(jī)為8位。
【文檔編號】G01C21/18GK103644915SQ201310674266
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月11日
【發(fā)明者】程向紅, 陸源, 朱倚嫻 申請人:東南大學(xué)