穩(wěn)定平臺的動態(tài)位置環(huán)控制方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種穩(wěn)定平臺的動態(tài)位置環(huán)控制方法，包括以下步驟：確定平臺對慣性空間的第一位移變換量，及平臺對基座的第二位移變化量；利用所述第一位移變換量和所述第二位移變化量確定所述平臺對基座的第三位移變化量；根據(jù)所述第三位移變化量對平臺的方位向和俯仰向進行調(diào)整。同時本發(fā)明還公開了一種穩(wěn)定平臺的動態(tài)位置環(huán)控制系統(tǒng)。采用本發(fā)明可以在較低實時性的要求下解決穩(wěn)定精度較差的問題。
【專利說明】穩(wěn)定平臺的動態(tài)位置環(huán)控制方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種穩(wěn)定平臺的動態(tài)位置環(huán)控制方法及系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 陀螺穩(wěn)定平臺是一種以陀螺為敏感器件，在外界不穩(wěn)定干擾下能夠使被穩(wěn)對象相 對慣性空間指向不變，或者按一定規(guī)律調(diào)節(jié)被穩(wěn)對象的裝置。隨著測繪技術(shù)和衛(wèi)星應(yīng)急通 訊的快速發(fā)展，陀螺穩(wěn)定平臺被廣泛應(yīng)用于光電吊艙和動中通等設(shè)備中，高精度、低成本已 經(jīng)成為陀螺穩(wěn)定平臺的發(fā)展趨勢。
[0003] 目前陀螺穩(wěn)定平臺的控制算法大多是通過陀螺獲得外界干擾角速度，然后控制電 機在相同時間內(nèi)進行反向同速補償，達到穩(wěn)定效果。常用控制方法有單速度環(huán)控制和雙速 度環(huán)控制。
[0004] 單速度環(huán)控制：即在整個控制回路中，利用陀螺敏感穩(wěn)定平臺相對于慣性空間的 角速率。平臺開啟穩(wěn)定的情況下，系統(tǒng)期望的陀螺角速率為零，系統(tǒng)反饋的角速率為外部干 擾變化引起的角速率，上述兩者的差值即為閉環(huán)系統(tǒng)需要補償?shù)慕撬俾?，進而根據(jù)該差值 控制電機進行速率補償達到穩(wěn)定平臺視軸穩(wěn)定的目的。
[0005] 雙環(huán)穩(wěn)定控制方法：采用以測速機為電機轉(zhuǎn)速測量元件構(gòu)成速度內(nèi)環(huán)，利用陀螺 的慣性空間測速功能組成速度外環(huán)的雙環(huán)穩(wěn)定控制方法。內(nèi)環(huán)控制模型中包含了摩擦力矩 擾動參數(shù)，使得內(nèi)環(huán)控制器可以有效減少摩擦力矩、負載參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響；外環(huán)中速 率陀螺敏感框架相對于慣性空間的轉(zhuǎn)速，使得外環(huán)控制器可以隔離載體擾動，實現(xiàn)視軸穩(wěn) 定。雙環(huán)結(jié)構(gòu)將速度穩(wěn)定環(huán)的抗摩擦干擾功能和隔離載體干擾功能分開設(shè)計實現(xiàn)，而且速 度內(nèi)環(huán)比速度外環(huán)響應(yīng)快，能及時克服外部干擾，保證系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。
[0006] 但是，一方面，上述兩種控制方法的穩(wěn)定精度的保證必須建立在控制系統(tǒng)具有極 高的采樣頻率和控制帶寬的基礎(chǔ)上，同時對硬件平臺提出了較高的要求，不利于系統(tǒng)的實 現(xiàn)，提高了系統(tǒng)設(shè)計的成本。
[0007] 另一方面，上述方法僅建立在速度環(huán)基礎(chǔ)之上，系統(tǒng)控制原理上存在無法避免的 系統(tǒng)補償誤差，且隨著平臺使用時間的增長而不斷累積，造成系統(tǒng)視軸偏差變大而無法糾 正。并且，對于頻率較高的外部干擾，上述方法的缺點將更加凸顯。
[0008] 還一方面，上述方法對于陀螺敏感的較低干擾速率的補償需要電機具備較高的低 速轉(zhuǎn)動性能，同時對控制算法的精度提出了較高的要求，否則無法有效實現(xiàn)平臺的精確穩(wěn) 定。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 有鑒于此，為克服上述至少一個缺點，并提供下述至少一種優(yōu)點。
[0010] 本發(fā)明公開了一種穩(wěn)定平臺的動態(tài)位置環(huán)控制方法及系統(tǒng)，可以在較低實時性的 要求下解決穩(wěn)定精度較差的問題。
[0011] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0012] 本發(fā)明一方面公開了一種穩(wěn)定平臺的動態(tài)位置環(huán)控制方法，包括以下步驟：
[0013] 確定平臺對慣性空間的第一位移變換量，及平臺對基座的第二位移變化量；
[0014] 利用所述第一位移變換量和所述第二位移變化量確定所述平臺對基座的第三位 移變化量；
[0015] 根據(jù)所述第三位移變化量對平臺的方位向和俯仰向進行調(diào)整。
[0016] 進一步的，所述第一位移變化量通過以下步驟獲取：
[0017] 獲取擾動角速率；
[0018] 利用所述擾動角速率確定所述第一位移變化量；
[0019] 進一步的，所述第二位移變換量通過以下步驟獲?。?br> [0020] 獲取當前位置值；
[0021] 將所述當前位置值與前一位置的差值作為所述第二位移變化量。
[0022] 進一步的，根據(jù)所述第三位移變化量對平臺的方位向和俯仰向進行調(diào)整的步驟 為：
[0023] 確定當前未完成的補償誤差；
[0024] 將所述補償誤差與所述第三位移變化量進行矢量累積；
[0025] 根據(jù)所述矢量累積的結(jié)果利用PID算法對平臺的方位向和俯仰向進行調(diào)整。
[0026] 本發(fā)明另一方面公開了一種穩(wěn)定平臺的動態(tài)位置環(huán)控制系統(tǒng)，包括：
[0027] 角速率陀螺，用于確定平臺對慣性空間的第一位移變換量；
[0028] 角度編碼器，用于確定平臺對基座的第二位移變化量；
[0029] 變量控制器，用于根據(jù)所述第一位移變換量和所述第二位移變化量獲得第三位移 變化量；
[0030] 平臺控制器，用于根據(jù)所述第三位移變化量對所述平臺的方位向和俯仰向進行調(diào) 整。
[0031] 進一步的，所述角速率陀螺用于獲取擾動角速率，并根據(jù)所述擾動角速率的積分 值確定所述第一位移變化量。
[0032] 進一步的，所述角度編碼其用于確定當前位置值，并根據(jù)所述當前位置值與前一 位置值的差值確定所述第二位移變化量。
[0033] 進一步的，所述變量控制器根據(jù)所述第一位移變化量和所述第二位移變化量的差 值確定所述第三位移變化量。
[0034] 進一步的，所述平臺控制器將當前未完成的補償誤差和所述第三位移變化量進行 矢量累積，根據(jù)所述矢量累積的結(jié)果利用PID算法對平臺的方位向和俯仰向進行調(diào)整。
[0035] 通過采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明所達到的有益效果為：
[0036] 現(xiàn)有技術(shù)方法多依靠單純速度補償實現(xiàn)平臺的穩(wěn)定，為了獲得較高的穩(wěn)定精度， 需要控制系統(tǒng)具備較高的實時性，因此對系統(tǒng)控制帶寬和采樣頻率提出了較高的要求，給 硬件設(shè)計帶來了難度。本發(fā)明實施例通過對陀螺角速率數(shù)據(jù)和電機速度的矢量計算獲得當 前周期的誤差值，并進行長時間累積，在較低實時性能的控制系統(tǒng)中可以有效解決穩(wěn)定精 度較差的問題。
[0037] 進一步的，本發(fā)明實施例引入了位置環(huán)控制，即將速度環(huán)無法彌補的誤差映射于 位置環(huán)，從而解決了上述問題，且降低了較高頻率的外部擾動對平臺穩(wěn)定的影響，同時穩(wěn)定 精度不隨時間變化。
[0038] 本發(fā)明實施例可以將低速率干擾在位置環(huán)進行周期性積分累加，當累加值達到一 定量值時，可以通過位置環(huán)反饋準確彌補該干擾。有效的解決了穩(wěn)定平臺對低速率擾動的 補償問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0039] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對本發(fā)明實施例描述中所 需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施 例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)本發(fā)明實施 例的內(nèi)容和這些附圖獲得其他的附圖。
[0040] 圖1為本發(fā)明實施例動態(tài)位置環(huán)控制系統(tǒng)示意圖；
[0041] 圖2為本發(fā)明實施例運動模擬圖；
[0042] 圖3為本發(fā)明實施例方法流程圖。

【具體實施方式】
[0043] 為使本發(fā)明解決的技術(shù)問題、采用的技術(shù)方案和達到的技術(shù)效果更加清楚，下面 將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例的技術(shù)方案作進一步的詳細描述，顯然，所描述的實施例僅僅 是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在 沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0044] 下面結(jié)合附圖并通過【具體實施方式】來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0045] 圖1為本發(fā)明實施例動態(tài)位置環(huán)控制系統(tǒng)示意圖。
[0046] 參考圖1，在本發(fā)明實施例的動態(tài)位置環(huán)控制系統(tǒng)中，包括位置控制器、速度控制 器、電機驅(qū)動器、電機、負載以及角速率陀螺和角度編碼器。其中，位置控制器、速度控制器、 電機驅(qū)動器、電機、負載構(gòu)成對平臺的控制部分，角度率陀螺和角度編碼器構(gòu)成反饋部分。
[0047] 在控制部分中，位置控制器用于對第一和第二位移變化量進行矢量計算，獲得第 三位移變化量，形成位置外環(huán)。速度控制器用于比較目標角速率和實際角速率的值，形成速 率內(nèi)環(huán)。電機驅(qū)動器用于對電機進行驅(qū)動，從而使電機帶動負載進行工作。然后，由于不可 抗拒的因素，在電機和負載工作過程中，會分別引入摩擦擾動和平臺擾動。并且，由于平臺 設(shè)備中自身工作帶來的影響，因此，需要對平臺進行實時的穩(wěn)定控制。
[0048] 為實現(xiàn)對平臺穩(wěn)定的控制，本發(fā)明實施例中，在平臺的反饋部分分別設(shè)置了角速 率陀螺和角度編碼器。通過反饋部分中的角速率陀螺和角度編碼器分別從不同的測量角度 獲取平臺的位移變化數(shù)據(jù)，從而形成反饋量，進而實現(xiàn)根據(jù)反饋量對平臺的適度調(diào)整。通過 角速率陀螺和角度編碼器的組合，可以在單一速度環(huán)的情況下增加了編碼器位置差分和陀 螺角速率積分的反饋，不僅可以有效補償外界擾動，而且對于累計誤差也可以準確的補償， 使得穩(wěn)定效果更佳。
[0049] 上述角速率陀螺用于敏感平臺對慣性空間的擾動角速率，在敏感獲得擾動角速率 后，對該擾動角速率在控制周期上進行積分，從而獲得由該擾動角速率引起的位移偏移量， 即平臺對慣性空間的位移變化量。
[0050] 上述角度編碼器用于獲取控制周期內(nèi)的位置值，當獲取到當前控制周期的位置值 后，通過與上一控制周期中獲取的位置值進行差分運算，從而確定當前控制周期中位移變 化量，即平臺相對基座的位移變化量。角度編碼器可以將速度環(huán)無法彌補的誤差映射于位 置環(huán)，且降低了較高頻率的外部擾動對平臺穩(wěn)定的影響，同時穩(wěn)定精度不隨時間變化，
[0051] 在獲取上述平臺對慣性空間的位移變化量（第一位移變化量）和平臺對慣性空間 的位移變化量（第二位移變化量）后，將第一位移變化量和第二位移變化量進行差值運算， 從而獲取第三位移變化量。該第三位移變化量可用于表征由外部擾動引起的位移變化量， 且剔除了由于內(nèi)部摩擦帶來的影響。
[0052] 根據(jù)該上述第三位移變化量，可通過PID算法控制平臺的電機進行方位向和俯仰 向轉(zhuǎn)動，從而彌補視軸角誤差偏移量，達到穩(wěn)定的功能。
[0053] 當根據(jù)上述第三變化量進行PID算法的控制時，需要結(jié)合平臺的當前運動狀態(tài)。 當平臺為初次運行狀態(tài)時，需要結(jié)合平臺開啟穩(wěn)定初始時刻的角位置，與該第三位移變化 量相加，從而獲得目標運動位置。
[0054] 當平臺為穩(wěn)定運行狀態(tài)時，需要將控制周期以前未完成的補償誤差與上述目標運 動位置相疊加，從而確定當前控制周期中實現(xiàn)動態(tài)位置環(huán)的精確位置。
[0055] 上述實施例由于采用角度編碼器實現(xiàn)了對平臺相對基座的位移變化量，從而引入 了編碼器位置環(huán)反饋，實現(xiàn)了對因系統(tǒng)實時性不夠所造成的誤差累積的補償。
[0056] 圖2為本發(fā)明實施例運動模擬圖。
[0057] 圖3為本發(fā)明實施例方法流程圖。
[0058] 參考圖2，Θ 為開啟穩(wěn)定時刻的初始位置值，^為平臺對地的轉(zhuǎn)動速度，Θ ^為 本控制周期結(jié)束后的平臺運動的位置值。進一步參考圖3,對本發(fā)明實施例做進一步介紹：
[0059] 穩(wěn)定開啟后的初始時刻獲取視軸的指向即角度編碼器反饋角度值為0srt;
[0060] 采集的本控制周期的角速率陀螺敏感的方位慣性空間擾動角速率為并將其在 控制周期At內(nèi)積分，即可得到本控制周期內(nèi)的平臺相對于地的位移量Α Θ At;
[0061] 獲取上一次控制周期中角度編碼器采樣得到的角位置值Θ MM和本次采樣周 期內(nèi)的采樣得到的角位置值eHk)，則平臺相對于基座在一個控制周期內(nèi)的唯一變化量為 Δ Θ 平臺=Θ r(k)_ Θ ;
[0062] 由步驟2、3計算得到的Δ Θ _和Δ θ 可以計算得到外部擾動造成的平臺位移 變化星Δ Θ擾動=Δ Θ陀螺-Δ Θ平臺；。
[0063] 由此可以獲得動態(tài)位置環(huán)控制算法給定位置值即第三位移變化量：
[0064] θ set(k) = θ set(k-l)+A θ θ set(k-l)- θ r(k-l)；
[0065] 動態(tài)穩(wěn)定環(huán)控制算法第一個控制周期內(nèi)θ θ 為零，但是在以后的控制 周期當中由于系統(tǒng)不可避免的滯后特性，每個控制周期內(nèi)不能保證完全補償位移偏移量， 因此θset〇^_ θ mo # 〇該補償誤差會被累加進入動態(tài)位置環(huán)進行補償。
[0066] 說明：
[0067] Θ srt亡為動態(tài)位置環(huán)控制算法的給定輸入位置；
[0068] ^為陀螺感知的平臺相對于大地的運動角速率；
[0069] Θ ^為編碼器測量得到的平臺的角位置值；
[0070] Λ t為動態(tài)位置環(huán)控制算法的控制周期；
[0071] λ Θ 陀螺敏感的角速度在一個控制周期內(nèi)的角位移變化量；
[0072] Θ Hk)為k時亥lj編碼器測量得到的平臺的角位置值；
[0073] θ 為k_l時亥lj編碼器測量得到的平臺的角位置值；
[0074] Λ Θ 為絕對值編碼器測量的在一個控制周期內(nèi)的角位移變化量；
[0075] Λ Θ 為外界擾動在一個控制周期內(nèi)的角位移變化量；
[0076] Θ srt(k)為k時刻動態(tài)位置環(huán)控制算法的給定輸入量；
[0077] Θ 為k-Ι時刻動態(tài)位置環(huán)控制算法的給定輸入量；
[0078] 在確定上述第三位移變化量后，即可利用PID算法對平臺的方位向和俯仰向進行 調(diào)整。
[0079] 使用上述實施例對穩(wěn)定平臺進行測試與傳統(tǒng)速度補償算法對比，測試結(jié)果如下：
[0080] 表 1
[0081]

【權(quán)利要求】
1. 一種穩(wěn)定平臺的動態(tài)位置環(huán)控制方法，其特征在于包括以下步驟： 確定平臺對慣性空間的第一位移變換量，及平臺對基座的第二位移變化量； 利用所述第一位移變換量和所述第二位移變化量確定所述平臺對基座的第三位移變 化量； 根據(jù)所述第三位移變化量對平臺的方位向和俯仰向進行調(diào)整。
2. 如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于：所述第一位移變化量通過以下步驟獲?。?獲取擾動角速率； 利用所述擾動角速率確定所述第一位移變化量。
3. 如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于：所述第二位移變換量通過以下步驟獲取： 獲取當前位置值； 將所述當前位置值與前一位置的差值作為所述第二位移變化量。
4. 如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于：根據(jù)所述第三位移變化量對平臺的方位向和 俯仰向進行調(diào)整的步驟為： 確定當前未完成的補償誤差； 將所述補償誤差與所述第三位移變化量進行矢量累積； 根據(jù)所述矢量累積的結(jié)果利用PID算法對平臺的方位向和俯仰向進行調(diào)整。
5. -種穩(wěn)定平臺的動態(tài)位置環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于包括： 角速率陀螺，用于確定平臺對慣性空間的第一位移變換量； 角度編碼器，用于確定平臺對基座的第二位移變化量； 變量控制器，用于根據(jù)所述第一位移變換量和所述第二位移變化量獲得第三位移變化 量； 平臺控制器，用于根據(jù)所述第三位移變化量對所述平臺的方位向和俯仰向進行調(diào)整。
6. 如權(quán)利要求5所述系統(tǒng)，其特征在于：所述角速率陀螺用于獲取擾動角速率，并根據(jù) 所述擾動角速率的積分值確定所述第一位移變化量。
7. 如權(quán)利要求5所述系統(tǒng)，其特征在于：所述角度編碼其用于確定當前位置值，并根據(jù) 所述當前位置值與前一位置值的差值確定所述第二位移變化量。
8. 如權(quán)利要求5所述系統(tǒng)，其特征在于：所述變量控制器根據(jù)所述第一位移變化量和 所述第二位移變化量的差值確定所述第三位移變化量。
9. 如權(quán)利要求5所述系統(tǒng)，其特征在于：所述平臺控制器將當前未完成的補償誤差和 所述第三位移變化量進行矢量累積，根據(jù)所述矢量累積的結(jié)果利用PID算法對平臺的方位 向和俯仰向進行調(diào)整。
【文檔編號】G05D3/12GK104281159SQ201410455505
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月10日
【發(fā)明者】張勇, 郗小鵬, 胡紅亮, 王麗莉, 尹志博, 李創(chuàng), 陳浩 申請人:天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司