捷聯(lián)慣性設(shè)備的低成本速率閉環(huán)轉(zhuǎn)位控制方法及控制裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種捷聯(lián)慣性設(shè)備的自動控制方法及控制裝置，特別是涉及一種捷聯(lián)慣性設(shè)備的定位定向信號的自動控制方法及控制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在捷聯(lián)式慣性導航設(shè)備中，通常包括東、北、天向陀螺儀及相應(yīng)加速計，為消除慣性器件(陀螺、加速度計)的零偏對導航參數(shù)的影響，常采用轉(zhuǎn)位對偶測量的方式，承載慣性器件的轉(zhuǎn)位機構(gòu)的位置精度、轉(zhuǎn)位時間等是影響初始對準性能的主要因素。一般來說，上述轉(zhuǎn)位機構(gòu)采用兩種方案，一種是開環(huán)控制方案，其位置精度靠機械定位保證，轉(zhuǎn)位機構(gòu)包括力矩電機和位于0°和180°的兩個限位擋塊；通過控制力矩電機轉(zhuǎn)動速率實現(xiàn)高速轉(zhuǎn)位，通過限位擋塊使轉(zhuǎn)位到位，通過力矩電機的堵轉(zhuǎn)率判斷轉(zhuǎn)位到位。開環(huán)控制的優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但由于控制過程中無反饋量，力矩電機高速轉(zhuǎn)動容易造成對機械限位的撞擊，引起機械限位精度的降低，進而影響尋北精度。
[0003]另外一種是閉環(huán)控制方案，其位置精度靠閉環(huán)回路中的角度傳感器精度以及主控板中的控制算法保證，角度傳感器適時反饋轉(zhuǎn)位角度，主控板適時調(diào)整轉(zhuǎn)動速率。閉環(huán)控制方案一般控制穩(wěn)定性高、精度高，但需要較昂貴的位置反饋元件，制造成本的和調(diào)試時間成本都會增加，整體可靠性有所下降。
[0004]如何實現(xiàn)帶轉(zhuǎn)位機構(gòu)的捷聯(lián)導航設(shè)備中低成本、高精度的轉(zhuǎn)位控制方案，對于批量生產(chǎn)產(chǎn)品的尋北精度尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種捷聯(lián)慣性設(shè)備的低成本速率閉環(huán)轉(zhuǎn)位控制方法，解決現(xiàn)有轉(zhuǎn)位機構(gòu)的控制過程中硬件結(jié)構(gòu)、反饋元件成本與控制精度無法有效協(xié)調(diào)的技術(shù)問題。
[0006]本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于捷聯(lián)慣性設(shè)備的低成本速率閉環(huán)轉(zhuǎn)位的控制裝置，解決轉(zhuǎn)位機構(gòu)轉(zhuǎn)動過程中多類型反饋信號不易及時處理的技術(shù)問題。
[0007]本發(fā)明的捷聯(lián)慣性設(shè)備的低成本速率閉環(huán)轉(zhuǎn)位控制方法，包括以下步驟:
[0008]驅(qū)動板接收主控板的使能控制信號、方向控制信號后，利用功率放大器生成功率信號驅(qū)動力矩電機帶動轉(zhuǎn)位機構(gòu)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)向目標方向；轉(zhuǎn)向過程中驅(qū)動板將天向陀螺測量的角速率變化信息發(fā)送給驅(qū)動板實現(xiàn)轉(zhuǎn)動速率控制，在轉(zhuǎn)向至相應(yīng)行程開關(guān)觸發(fā)位置時，執(zhí)行速率切換，按照預設(shè)的角速度轉(zhuǎn)動，靠緊限位擋塊。
[0009]還包括以下步驟:
[0010]步驟51、主控板、驅(qū)動板、功率放大器初始化，天向陀螺初始化，力矩電機初始化，
第一行程開關(guān)接近0°位置設(shè)置，第二行程開關(guān)接近180°位置設(shè)置，各行程開關(guān)加電處于打開狀態(tài)；
[0011]步驟52、主控板持續(xù)采集天向陀螺數(shù)據(jù)，預處理后發(fā)送給驅(qū)動板；
[0012]步驟53、主控板接收指令確定轉(zhuǎn)位機構(gòu)轉(zhuǎn)向位置；
[0013]還包括以下步驟:
[0014]步驟54、主控板向驅(qū)動板發(fā)送使能控制信號、方向控制信號；
[0015]步驟55、判斷是否自180°轉(zhuǎn)向0°位置，是則執(zhí)行步驟63，否則執(zhí)行步驟56 ；
[0016]步驟63、驅(qū)動板根據(jù)控制邏輯生成PffM數(shù)據(jù)，經(jīng)功率放大器生成功率信號驅(qū)動力矩電機帶動轉(zhuǎn)位機構(gòu)轉(zhuǎn)動；
[0017]步驟64、驅(qū)動板接收天向陀螺數(shù)據(jù)，根據(jù)PID策略I調(diào)整速率控制信號，驅(qū)動板將控制信號轉(zhuǎn)換為PWM數(shù)據(jù)，經(jīng)功率放大器生成功率信號驅(qū)動力矩電機轉(zhuǎn)動；
[0018]步驟65、判斷是否達到第一行程開關(guān)觸發(fā)位置，否則執(zhí)行步驟64，是則執(zhí)行步驟66 ；
[0019]步驟66、驅(qū)動板根據(jù)PID策略2形成實時PffM數(shù)據(jù)，經(jīng)功率放大器生成功率信號驅(qū)動力矩電機減速轉(zhuǎn)動；
[0020]步驟67、轉(zhuǎn)位機構(gòu)與180°限位擋塊靠緊，力矩電機堵轉(zhuǎn)，等待后續(xù)指令或執(zhí)行步驟68 ；
[0021]步驟68、轉(zhuǎn)位結(jié)束。
[0022]還包括以下步驟:
[0023]步驟54、主控板向驅(qū)動板發(fā)送使能控制信號、方向控制信號；
[0024]步驟56、判斷是否自0°轉(zhuǎn)向180°位置，是則執(zhí)行步驟57，否則執(zhí)行步驟54 ;
[0025]步驟57、驅(qū)動板根據(jù)控制邏輯生成PffM數(shù)據(jù)，經(jīng)功率放大器生成功率信號驅(qū)動力矩電機帶動轉(zhuǎn)位機構(gòu)轉(zhuǎn)動；
[0026]步驟58、驅(qū)動板接收天向陀螺數(shù)據(jù)，根據(jù)PID策略I調(diào)整速率控制信號，驅(qū)動板將控制信號轉(zhuǎn)換為PWM數(shù)據(jù)，經(jīng)功率放大器生成功率信號驅(qū)動力矩電機提速轉(zhuǎn)動；
[0027]步驟59、判斷是否達到第二行程開關(guān)觸發(fā)位置？否則執(zhí)行步驟58，是則執(zhí)行步驟60 ；
[0028]步驟60、驅(qū)動板根據(jù)PID策略2形成實時PffM數(shù)據(jù)，經(jīng)功率放大器生成功率信號驅(qū)動力矩電機減速轉(zhuǎn)動；
[0029]步驟61、轉(zhuǎn)位機構(gòu)與180°限位擋塊靠緊，力矩電機堵轉(zhuǎn)，等待后續(xù)指令或執(zhí)行步驟68。
[0030]還包括以下步驟:
[0031]本控制方法中的PID策略I形成以下控制參數(shù):
[0032]相應(yīng)行程開關(guān)觸發(fā)前，以45° /s的角速率轉(zhuǎn)向目標位置；
[0033]本控制方法中的PID策略2形成以下控制參數(shù):
[0034]相應(yīng)行程開關(guān)觸發(fā)后，以20° /s的角速率轉(zhuǎn)向目標位置；
[0035]轉(zhuǎn)位機構(gòu)與相應(yīng)限位擋塊靠緊角速率小于0.1° /s時，位置靠緊，力矩電機堵轉(zhuǎn)。
[0036]用于捷聯(lián)慣性設(shè)備的低成本速率閉環(huán)轉(zhuǎn)位的控制裝置，包括:
[0037]主控板用于生成控制轉(zhuǎn)位裝置的使能控制信號、方向控制信號和，接收天向陀螺反饋的轉(zhuǎn)速信號，預處理后轉(zhuǎn)發(fā)給驅(qū)動板；
[0038]驅(qū)動板用于接收轉(zhuǎn)速信號，采集行程開關(guān)的觸發(fā)信號，根據(jù)控制邏輯形成修正速率的PffM控制信號；
[0039]功率放大器用于將接收的控制信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的功率信號并輸出；
[0040]力矩電機用于接收功率信號，帶動承載慣性器件的轉(zhuǎn)位機構(gòu)完成相應(yīng)速率的轉(zhuǎn)動，與限位擋塊配合，保持安全的堵轉(zhuǎn)；
[0041]天向陀螺用于向主控板實時反饋同軸向轉(zhuǎn)動的承載慣性器件的力矩電機轉(zhuǎn)動速率;
[0042]行程開關(guān)用于向主控板反饋力矩電機轉(zhuǎn)動過程中的單一確定角度。
[0043]行程開關(guān)包括第一行程開關(guān)和第二行程開關(guān)，第一行程開關(guān)用于在接近0°的轉(zhuǎn)動位置提供觸發(fā)信號；第二行程開關(guān)用于在接近180°的轉(zhuǎn)動位置提供觸發(fā)信號；
[0044]主控板通過其第一數(shù)據(jù)端口與天向陀螺的數(shù)據(jù)輸出端口連接，主控板通過其第二數(shù)據(jù)端口與驅(qū)動板的第一數(shù)據(jù)端口連接，驅(qū)動板通過其第二數(shù)據(jù)端口與功率放大器的數(shù)據(jù)輸入端口連接，功率放大器的信號輸出端口與力矩電機的信號輸入端口連接，第一行程開關(guān)和第二行程開關(guān)的信號輸出端分別連接驅(qū)動板的相應(yīng)信號輸入端。模擬信號和功率表信號的傳輸主要采用信號端口。
[0045]本發(fā)明的捷聯(lián)慣性設(shè)備的低成本速率閉環(huán)轉(zhuǎn)位控制方法，不需要引入專門角位置傳感器，而是利用捷聯(lián)慣性設(shè)備中的轉(zhuǎn)位軸向陀螺作為反饋元件，在以機械限位保證精度的開環(huán)轉(zhuǎn)位機構(gòu)方案基礎(chǔ)上實現(xiàn)簡易、低成本閉環(huán)控制的方案。從而簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高了轉(zhuǎn)位控制精度和平穩(wěn)性、節(jié)約了系統(tǒng)成本。
[0046]本發(fā)明的低成本速率反饋閉環(huán)轉(zhuǎn)位控制系統(tǒng)主要由控制板、驅(qū)動板、限位的行程開關(guān)、捷聯(lián)慣組的天向陀螺、力矩電機構(gòu)成。接收到轉(zhuǎn)位控制指令后，閉環(huán)控制算法以最大角速率轉(zhuǎn)向目標位置，此時閉環(huán)控制系統(tǒng)由捷聯(lián)慣組的天向陀螺作為角速率傳感器，與驅(qū)動板中的數(shù)字控制算法、PID策略配合力矩電機構(gòu)成速率閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)位過程中，轉(zhuǎn)位機構(gòu)受速率閉環(huán)控制算法的控制，其轉(zhuǎn)動角速率始終穩(wěn)定在固定誤差范圍內(nèi)。當轉(zhuǎn)位機構(gòu)接近目標位置時，行程開關(guān)閉合，表示轉(zhuǎn)位機構(gòu)即將到達目標位置，此時速率閉環(huán)控制回路將轉(zhuǎn)位速率轉(zhuǎn)換為小速率轉(zhuǎn)位模式，防止轉(zhuǎn)位機構(gòu)撞擊機械限位擋塊。
【附圖說明】
[0047]圖1為本發(fā)明捷聯(lián)慣性設(shè)備的低成本速率閉環(huán)轉(zhuǎn)位控制方法的信號反饋示意圖；
[0048]圖2為本發(fā)明捷聯(lián)慣性設(shè)備的低成本速率閉環(huán)轉(zhuǎn)位控制裝置的連接結(jié)構(gòu)示意圖；
[0049]圖3為本發(fā)明捷聯(lián)慣性設(shè)備的低成本速率閉環(huán)轉(zhuǎn)位控制方法的主要控制流程圖。
【具體實施方式】
[0050]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行詳細說明。
[0051]如圖1所示，本實施例中的主控板01用于生成控制力矩電機的使能控制信號、方向控制信號，接收天向陀螺反饋的轉(zhuǎn)速信號，預處理后轉(zhuǎn)發(fā)給驅(qū)動板；
[0052]驅(qū)動板12用于接收轉(zhuǎn)速信號，采集行程開關(guān)的觸發(fā)信號，根據(jù)控制邏輯形成修正速率的PffM控制信號；
[0053]功率放大器13用于將接收的控制信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的功率信號并輸出；
[0054]力矩電機02用于接收功率信號，帶動承載慣性器件的轉(zhuǎn)位機構(gòu)完成相應(yīng)速率的轉(zhuǎn)動，與限位擋塊配合，保持安全的堵轉(zhuǎn)；
[0055]天向陀螺03用于向主控板OI實時反饋同軸向轉(zhuǎn)動的承載慣性器件的力矩電機02轉(zhuǎn)動速率；
[0056]行程開關(guān)04用于向主控板01反饋力矩電機02轉(zhuǎn)動過程中的單一確定角度。
[0057]主控板01根據(jù)將天向陀螺03實時反饋的速率信號傳送至驅(qū)動板，驅(qū)動板根據(jù)控制策略與功率放大器13配合，相應(yīng)調(diào)整力矩電機02速率控制信號，保證轉(zhuǎn)位機構(gòu)實現(xiàn)最短的轉(zhuǎn)位時長；驅(qū)動板根據(jù)行程開關(guān)04在單一確定角度形成的觸發(fā)信號，結(jié)合控制策略實現(xiàn)速率切換，相應(yīng)調(diào)整力矩電機02速率控制信號，保證轉(zhuǎn)位機構(gòu)平穩(wěn)的與限位擋塊靠近，保持到位。
[0058]本實施例的速率閉環(huán)轉(zhuǎn)位控制方法，可以利用天向陀螺03的轉(zhuǎn)動速率反饋在轉(zhuǎn)動初始提供較高的轉(zhuǎn)動速率，根據(jù)轉(zhuǎn)動行程調(diào)高轉(zhuǎn)動速率，滿足高速轉(zhuǎn)位過程，提高尋北精度。同時還可以利用行程開關(guān)04觸發(fā)信號啟動轉(zhuǎn)動速率下降控制，快速控制轉(zhuǎn)動速率下降，提高可靠性，滿足轉(zhuǎn)位到位時與限位擋塊的穩(wěn)定?？浚ＷC機械結(jié)構(gòu)的高可用性。
[0059]如圖2所示，本實施例的具體電路中包括第一行程開關(guān)41和第二行程開關(guān)42，第一行程開關(guān)41用于在接近0°的轉(zhuǎn)動位置提供觸發(fā)信號；第二行程開關(guān)42用于在接近180°的轉(zhuǎn)動位置提供觸發(fā)信號；
[0060]主控板01通過其第一數(shù)據(jù)端口與天向陀螺03的數(shù)據(jù)輸出端口連接，主控板01通過其第二數(shù)據(jù)端口與驅(qū)動板12的第一數(shù)據(jù)端口連接，驅(qū)動板12通過其第二數(shù)據(jù)端口與功率放大器13的數(shù)據(jù)輸入端口連接，功率放大器13的信號輸出端口與力矩電機02的信號輸入端口連接，第一行程開關(guān)41和第二行程開關(guān)42的信號輸出端分別連接驅(qū)動板12的相應(yīng)信號輸入端。模擬信號和功率表信號的傳輸主要采用信號端口。
[0061]本實施例中主控板01采用TI 6700系列DSP芯片，驅(qū)動板12采用C8051F系列單片機，功率放大器13采用LMD18245芯片。
[0062]驅(qū)動板12接收主控板01的使能控制信號、方向控制信號后，利用功率放大器13生成功率信號驅(qū)動力矩電機02帶動轉(zhuǎn)位機構(gòu)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)向目標方向；轉(zhuǎn)向過程中主控板01將