專利名稱：高精度大負載航空遙感三軸慣性穩定平臺控制系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種高精度大負載航空遙感三軸慣性穩定平臺控制系統及控制方法， 屬于高分辨率航空對地觀測系統領域，可用于承載比大、穩定精度要求高的三軸慣性穩定平臺的獨立、自主控制，特別適合于輕高分辨率航空遙感慣性穩定平臺。
背景技術：
慣性穩定平臺是實現高分辨率對地觀測的必要設備，它可以有效隔離飛行平臺的擾動及非理想姿態運動，使觀測載荷視軸指向和航向始終保持慣性空間穩定。目前，國外代表性產品為瑞士 Leica公司的PAV30和PAV80，而國內相關研究剛剛起步，無成熟產品。現有的航空遙感三軸慣性穩定平臺控制系統僅僅處于實驗階段，專利“一種輕量化快響應航空遙感慣性穩定平臺控制系統” O01110155357. 3)，填補了這方面的空白，但是存在以下三方面不足之處。第一，控制方案采用雙環路從屬控制，無電流環控制，不能克服電源電壓、負載波動對系統造成的影響以及電流過大的問題，同時電機控制轉矩脈動較大而且無法進行抑制；第二，系統控制精度較低，無法滿足實際航測的需要，同時帶載能力差， 無法應用于大負載場合；第三，控制單元采用DSP+FPGA方案，而FPGA僅僅用于編碼器信號采集和PWM信號生成，不但增加了成本、功耗，同時FPGA需要占用DSP寶貴的總線資源，不利于控制算法執行的實時性與快速性，而且對FPGA來說也是資源的浪費；第四，現有的工作模式仍然不夠完善，在實際應用中還有很多不便性，首先它沒有手動模式，不能解決任意手控的問題，其次組合模式下航向姿態設定值仍然需要上位機頻繁發送指令，既繁瑣又不利于實際操作。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種高精度大負載航空遙感三軸慣性穩定平臺控制系統及控制方法，達到具有高精度、大負載能力并提高了實際操作的便捷性。本發明的技術解決方案為一種高精度大負載航空遙感三軸慣性穩定平臺控制系統慣性器件及編碼器包括速率陀螺、編碼器、加速度計及POS ；速率陀螺與陀螺信號采集電路相連，輸出電壓信號，用于測量框架相對于慣性空間的角速率；編碼器與編碼器信號采集電路相連，輸出差分形式的二進制代碼，用于測量框架之間的相對轉角；加速度計與加計信號采集電路相連，輸出電流信號，用于測量框架相對于地理水平系的轉角；POS與 POS信號采集電路相連，輸出串行二進制代碼，用于測量框架相對于慣性空間的姿態角；信號采集單元包括陀螺信號采集電路、編碼器信號采集電路、加計信號采集電路以及POS信號采集電路；其中，陀螺信號采集電路用于采集速率陀螺輸出的電壓信號，首先將電壓信號進行放大，再經過V/I轉換，輸出到接口電路的I/V轉換電路III ；編碼器信號采集電路用于采集編碼器輸出的二進制差分信號，首先將差分信號轉化為單路信號，再經過高速光耦隔離，輸出到接口電路的數據選擇電路；加計信號采集電路用于采集加速度計輸出的電流信號，首先將電流信號進行放大，再經過RC濾波，輸出到接口電路的I/V轉換電路I ；POS信號采集電路將POS輸出的串行二進制數據經過高速光耦隔離、TVS浪涌防護輸出到接口電路的RS232電平轉換電路；接口電路包括I/V轉換電路I、I/V轉換電路II、I/V轉換電路III、數據選擇電路、模數轉換電路、RS232電平轉換電路以及電平轉換芯片I。其中，I/V轉換電路I輸入為加計信號采集電路，將加計電流信號轉化為電壓信號，并疊加偏置電壓，輸出到模數轉換電路；I/V轉換電路II輸入為V/I轉換電路，將線圈電流信號轉化為電壓信號，并疊加偏置電壓，輸出到DSP控制單元的內部ADC寄存器，供DSP讀取；I/V轉換電路III輸入為陀螺信號采集電路，將陀螺電流信號轉化為電壓信號，并疊加偏置電壓，輸出到DSP控制單元的內部 ADC寄存器，供DSP讀取；數據選擇電路輸入為編碼器信號采集電路，進行編碼器通道的選擇以及時鐘、數據信號的傳輸，輸出到電平轉換芯片I ；模數轉換電路輸入為ΙΛ轉換電路 I，將電壓信號轉化為數字量，輸出到電平轉換芯片I ；RS232電平轉換電路輸入為POS信號采集電路，將232電平信號轉化為TTL電平信號，輸出到DSP控制單元的內部UART寄存器， 供DSP讀取；電平轉換芯片I輸入為數據選擇電路、模數轉換電路，將5V電壓轉換為3. 3V 電壓，輸出到DSP控制單元的內部寄存器；DSP控制單元通過內部寄存器讀取各傳感器數據；執行控制算法；生成PWM信號控制電機動作；所述DSP控制單元包括DSP和控制算法；所述控制算法實現自主模式、手動模式與組合模式三種工作模式，所述三個模式由三相開關進行手動選擇；在自主模式下，橫滾框和俯仰框保持慣性穩定，方位框無控制；控制方式為三環控制，即位置環、速率環、電流環；橫滾框和俯仰框的控制如下首先DSP讀取MCBSP寄存器中寄存的實時采集到的加速度計的信息，將其與姿態設定值作差，通過PID控制器生成速率設定值，完成位置閉環；然后將速率設定值與ADC寄存器中寄存的實時采集到的速率陀螺信息進行作差，通過PID控制器生成電流設定值，完成速率閉環；然后將電流設定值與ADC 寄存器中寄存的電流傳感器實時采集到的電機電流信息作差，通過PID控制器生成PWM控制量，完成電流閉環；PWM信號輸出到PWM功率驅動單元驅動電機動作，無需換向控制；在手動模式下，橫滾框和俯仰框在手動按鈕控制下以指定速率旋轉，方位框無控制；DSP通過監測橫滾框和俯仰框的正轉和反轉四個手動按鈕對這兩框進行獨立控制；控制方式為雙環控制，即速率環和電流環；橫滾框或俯仰框控制如下首先DSP將轉速率設定值與ADC寄存器中寄存的實時采集到的速率陀螺信息進行作差，通過PID控制器生成電流設定值，完成速率閉環；然后將電流設定值與ADC寄存器中寄存的電流傳感器實時采集到的電機電流信息作差，通過PID控制器生成PWM控制量，完成電流閉環；PWM信號輸出到PWM 功率驅動單元橫滾或俯仰驅動電機以指定速率旋轉，無需換向控制；在組合模式下，橫滾框、俯仰框和方位框依據姿態設定值都保持慣性穩定狀態，控制方式為三環控制，即位置環、速率環、電流環；對于橫滾框或俯仰框控制分別為首先DSP 讀取UART寄存器中寄存的實時采集到的POS橫滾或俯仰姿態信息，將其與姿態設定值作差，通過PID控制器生成速率設定值，完成位置閉環；然后將速率設定值與ADC寄存器中寄存的速率陀螺信息進行作差，通過PID控制器生成電流設定值，完成速率閉環；然后將電流設定值與ADC寄存器中寄存的電流傳感器實時采集到的電機電流信息作差，通過PID控制器生成PWM控制量，完成電流閉環；PWM信號輸出到PWM功率驅動單元驅動橫滾電機或俯仰電機動作，無需換向控制；對于方位框，姿態的設定值并不恒定，需要根據航跡進行自主設定，然后再進行三環控制，控制為首先DSP將定時寄存器寄存的自主設定的方位姿態的設定值與UART寄存器中寄存的POS反饋得到的方位姿態值作差，通過PID控制器生成速率設定值，完成位置閉環；然后將速率設定值與ADC寄存器中寄存的實時采集的速率陀螺信息進行作差，通過PID控制器生成電流設定值，完成速率閉環；然后將電流設定值與ADC寄存器中寄存的電流傳感器實時采集到的電機電流信息作差，通過PID控制器生成PWM控制量， 完成電流閉環；PWM信號輸出到PWM功率驅動單元驅動方位電機動作，無需換向控制。所述方位框的姿態根據航跡進行自主設定過程如下首先DSP讀取UART寄存器中寄存的POS經緯度以及方位姿態信息，將經緯度信息與航攝區經緯度信息進行匹配判斷是否進入攝區，如果不匹配，則將方位姿態的設定值設定為當前飛機機頭姿態方向或者飛機飛行速度方向，如果匹配，則將方位姿態的設定值設定為航線姿態方向，其中，航線姿態方向根據航跡事先設定，而飛機機頭方向和飛行速度方向實時在線獲取；DSP通過內部定時器功能來完成上述方位姿態設定過程，此后根據方位姿態設定值便可以進行三環控制。一種高精度大負載航空遙感三軸慣性穩定平臺控制方法，所述控制方法有自主模式、手動模式與組合模式三種工作模式，所述三個模式由三相開關進行手動選擇；在控制方式上采用三環路復合控制，即位置環、速率環及電流環；最外環為位置環，在自主模式下采用加速度計作為位置反饋元件；在手動模式下無位置環；在組合模式下采用POS作為位置反饋元件；中間環為速率環，采用速率陀螺作為速率反饋元件；最內環為電流環，采用電流傳感器作為電流反饋元件；具體控制如下在自主模式下，橫滾框和俯仰框保持慣性穩定，方位框無控制，橫滾框或俯仰框控制過程為首先DSP通過外擴模數轉換電路采集加速度計信息，將其與姿態設定值作差，通過PID控制器生成速率設定值，完成位置閉環；然后將速率設定值與陀螺信號采集電路及接口電路實時采集到的速率陀螺信息進行作差，通過PID控制器生成電流設定值，完成速率閉環；然后將電流設定值與電流傳感器實時采集到的電機電流信息作差，通過PID控制器生成PWM控制量，完成電流閉環；PWM信號輸出到PWM功率驅動單元C3)驅動橫滾或俯仰電機動作，無需換向控制；在手動模式下，橫滾框和俯仰框在手動按鈕控制下以指定速率旋轉，方位框無控制；通過監測橫滾框和俯仰框的正轉和反轉四個手動按鈕對這兩框進行獨立控制，首先 DSP將轉速率設定值與陀螺信號采集電路及接口電路實時采集到的速率陀螺信息進行作差，通過PID控制器生成電流設定值，完成速率閉環；然后將電流設定值與電流傳感器實時采集到的電機電流信息作差，通過PID控制器生成PWM控制量，完成電流閉環；PWM信號輸出到PWM功率驅動單元驅動橫滾或俯仰電機以指定速率旋轉，無需換向控制；在組合模式下，橫滾框、俯仰框和方位框依據姿態設定值都保持慣性穩定狀態，對于橫滾框和俯仰框，姿態設定值均為恒定值，首先DSP通過RS232電平轉換電路采集POS橫滾或俯仰姿態信息，將其與姿態設定值作差，通過PID控制器生成速率設定值，完成位置閉環；然后將速率設定值與陀螺信號采集電路及接口電路實時采集到的速率陀螺信息進行作差，通過PID控制器生成電流設定值，完成速率閉環；然后將電流設定值與電流傳感器實時采集到的電機電流信息作差，通過PID控制器生成PWM控制量，完成電流閉環；PWM信號輸出到PWM功率驅動單元驅動橫滾電機或俯仰電機動作，無需換向控制；對于方位框，姿態設定值并不恒定，而是需要根據航跡進行自主設定，然后再進行三環控制，實現為首先DSP 將該方位姿態設定值與POS反饋得到的方位姿態值作差，通過PID控制器生成速率設定值， 完成位置閉環；然后將速率設定值與陀螺信號采集電路以及接口電路實時采集到的速率陀螺信息進行作差，通過PID控制器生成電流設定值，完成速率閉環；然后將電流設定值與電流傳感器實時采集到的電機電流信息作差，通過PID控制器生成PWM控制量，完成電流閉環；PWM信號輸出到PWM功率驅動單元驅動方位電機動作，無需換向控制。本發明的工作原理本發明旨在實現三軸慣性穩定平臺水平方向(橫滾、俯仰兩個方向)始終保持對地垂直指向，航向能夠跟蹤指令變化保持方位不變。控制算法實現自主模式、手動模式與組合模式三種工作模式，所述三個模式由三相開關進行手動選擇。本發明控制方式采用三環路(電流環、速率環、位置環)復合控制方案，如圖2所示為基于DSP 的單框架三環復合控制算法框圖，控制器僅采用DSP方案而摒棄DSP+FPGA方案，以節約成本降低功耗。其中，位置環以POS或者加速度計為負反饋，速率環以速率陀螺為負反饋，電流環以電流傳感器為負反饋。本發明正是通過DSP實現了這三個環路并完善控制算法，完成了控制系統高精度、大負載能力并提高了實際操作的便捷性。下面針對這三個環路進行詳細介紹。位置環本發明通過DSP內部定時器功能實現了姿態的自主設定，完善了系統工作模式手動模式、自主模式和組合模式。根據圖1所示，手動模式無位置環。組合工作模式下，POS測量出的框架姿態角信息經過采集單元轉化為TTL電平讀入到DSP內部UART寄存器，DSP將姿態設定值與其作差，經過位置補償器算法生成速率設定值，完成位置閉環。同樣，獨立工作模式下，加計信號經過采集單元輸出到I/V轉換電路，經過高精度模數轉換化模擬量為數字量，再經過電平轉換芯片化5V為3. 3V電壓，輸出到DSP內部MCBSP寄存器， DSP將姿態設定值與其作差，再經過位置補償器算法生成速率設定值，完成位置閉環。速率環速率陀螺采用精度較高的光纖速率陀螺VGA941而摒棄精度較低的MEMS 速率陀螺，它可以快速敏感框架角速率，根據圖1所示，其角速率信息經過采集單元化電壓信號為電流信號，加強了信號平滑性和抗干擾能力，再經過I/V轉換后輸出到DSP內部ADC 寄存器，DSP將速率設定值與其作差，經過速率補償器算法后生成電流設定值，完成速率閉環。速率環提高了系統的響應速度和抗外界干擾能力，對控制精度的提高有很大作用。電流環本發明采用電流環作為最內環，可以抑制電源電壓、負載波動對系統造成的影響以及可以對電流進行限幅，同時提高電機轉矩線性度并抑制其脈動，進一步提高系統控制精度；在大力矩電機的配合下，電流環控制可以提高力矩剛度和帶載能力。根據圖1 所示，電流傳感器測量出電機線圈電流信息經過v/ 轉換后輸出到I/V轉換電路，供DSP內部ADC寄存器讀取，DSP將電流設定值與其作差，經過電流補償器算法后生成PWM控制量， 完成電流閉環。PWM信號經過電平轉換芯片輸出到PWM功率驅動單元，經過高速光耦隔離、 邏輯取反、MOSFET功率驅動、H全橋換能電路后，輸出到直流力矩電機兩端，控制電機帶動穩定平臺旋轉。本發明與現有技術相比的優點在于(1)本發明采用三環路復合控制方案，即位置環、速率環與電流環，位置環采用加
8速度計或者POS作為反饋元件，速率環采用速率陀螺作為反饋元件，電流環采用電流傳感 器作為反饋元件。其中，電流環為最內環，以電機線圈電流信號為負反饋，將電源電壓、負載 波動等因素全部包含在電流環內，從而抑制其對系統的影響；同吋，通過給電流設定值進行 限幅可以解決電流過大的問題；另外，直流力矩電機輸出轉矩與電機電流成正比，電流環可 以實現轉矩控制，對轉矩的脈動有很好的抑制能力。(2)本發明提高了系統的控制精度和帶載能力。本發明作為速率環路反饋元件，同 時增加了陀螺信號采集以及接ロ電路，加強了信號抗干擾能力，從而提高了速率敏感精度 和平滑性，進ー步提高了響應速度和控制精度；另外，本發明的電流環提高了轉矩控制線性 度并加大了系統的カ矩剛度，對于系統抗干擾能力和控制精度都有較大提高。同吋，本發明 采用可輸出大力矩的直流力矩電機作為執行元件，在本發明配合下可以適當發揮出最大能 力，所以帶載能力有較大幅度提高。(3)本發明具有三種工作模式，増加了手動模式，可以在不影響系統正常工作情況 下，實現平臺各框架的手動控制；因為航測過程中，經常需要人為的轉動載荷到相應位置， 所以必須給平臺増加手控功能，可以實現三軸姿態的任意手動控制。同吋，本發明實現了組 合模式下無需航向姿態指令可自主設定的功能，便于實際操作的便捷性。因為航測時間很 短，來不及接收指令，而且飛機上人為操作有限，所以必須自主完成姿態跟蹤任務。(4)本發明采用一片DSP即實現了傳感器數據采集、控制算法執行與PWM信號生 成，節約成本(FPGA以及外圍電路較昂貴)，降低功耗(FPGA功耗較大)。而且本發明控制 系統通過DSP集成的寄存器中斷功能來完成各子程序的執行，通過中斷優先級寄存器進行 排序，保證各任務互不干擾并實現時鐘同歩，程序執行過程充分占用總線資源，空閑時仍處 于系統監測狀態，保證系統運行的實時性與快速性。
圖1為本發明控制系統結構框圖；圖2為本發明的單框架三環復合控制算法框圖；圖3為本發明方法的工作模式實現框圖；圖4為本發明的組合模式方位姿態設定值自主設定流程圖；圖5為本發明的陀螺信號采集電路圖；圖6為本發明的編碼器信號采集電路圖；圖7為本發明的加計信號采集電路圖；圖8為本發明的POS信號采集電路圖；圖9為本發明的I/V轉換電路圖；圖10為本發明的數據選擇電路圖；圖11為本發明的高精度模數轉換電路圖；圖12為本發明的RS232電平轉換電路圖；圖13為本發明的電流傳感器和V/I轉換電路圖；圖14為本發明的PWM功率驅動單元電路圖；圖15為本發明的DSP芯片以及外圍電路圖；圖16為本發明的軟件系統主循環流程圖17為本發明的軟件系統定時器中斷流程圖；圖18為本發明的軟件系統SPI中斷流程圖。
具體實施例方式如圖1所示為本發明的控制系統結構框圖，主要由DSP控制單元1、PWM功率驅動單元3、接口電路20、信號采集單元15、慣性器件及編碼器10等組成。其中，DSP選擇TI公司浮點型芯片TMS320F28335，它具備32位浮點處理單元、 150MHZ的高速數據處理能力、多達18路的PWM輸出、12位16通道ADC等特性，該系統利用 28335豐富的寄存器資源，與接口電路相連讀取各傳感器數據并生成PWM控制量驅動電機動作。在PWM功率驅動單元3中PWM控制量經過高速光耦隔離4、邏輯取反5送入到功率驅動單元6以提高輸出功率，作為H橋電機換能電路7的MOSFET柵極信號實現全橋換能控制。如圖1所示，電流傳感器8測量出電機線圈電流，連至V/I轉換電路9，輸出電流信號到接口電路20的I/V轉換電路2，化電流為電壓信號，并疊加偏置電壓輸出到DSP控制單元1的內部ADC寄存器，作為控制算法中電流環閉環負反饋值。速率陀螺11測量出框架角速率，輸出到信號采集單元15的陀螺信號采集電路16，經過電壓放大、V/I轉換后輸出到接口電路20的I/V轉換電路III，化電流信號為電壓信號，并疊加偏置電壓輸出到DSP控制單元1的內部ADC寄存器，作為控制算法中速率閉環負反饋值。編碼器12測量出框架相對轉角，輸出到信號采集單元15的編碼器信號采集電路17，經過差分信號轉單路信號，輸出到接口電路20的數據選擇電路24，進行3路編碼器的分時選通，連至電平轉換芯片1，化5V 電壓為3. 3V，輸出到DSP控制單元1的內部SPI寄存器，以供讀取。加速度計13測量出框架相對水平系轉角，輸出到信號采集單元15的加計信號采集電路18，經過電流放大，濾波， 輸出到接口電路20的I/V轉換電路1，進行電流轉電壓，并連至模數轉換電路25，化模型量為數字量，然后連至電平轉換芯片I，化5V電壓為3. 3V，最后輸出到DSP控制單元1的內部 MCBSP寄存器，作為控制算法中獨立工作模式下位置閉環負反饋值。P0S14測量出框架姿態角，輸出到信號采集單元15的POS信號采集電路19，經過高速光耦隔離、TVS浪涌防護，輸出到接口電路20的RS232電平轉換電路26，將232電平轉化為TTL電平，輸出到DSP控制單元1的內部UART寄存器，作為控制算法中組合工作模式下位置閉環負反饋值。如圖2所示，本發明的DSP控制單元1 完成以下三方面任務通過內部寄存器讀取各傳感器數據；執行控制算法；生成PWM信號控制電機動作；這些都由DSP獨立完成，無需FPGA的參與。讀取各傳感器數據DSP通過內部ADC寄存器完成電機線圈電流的高速采樣，電流傳感器8串聯在電機兩端，輸出正比于線圈電流的電壓信號，通過V/I轉換9化電壓為電流信號進行傳輸，再通過I/V轉換1122連接到DSP的ADC輸入引腳，供DSP讀取；DSP通過內部SPI寄存器與數據選擇器結合完成三路編碼器信號的高速分時采樣，無需FPGA參與，指令發送與數據接收一體化進行，保證了時鐘的同步；編碼器12通過信號采集電路17輸出至數據選擇器24，并通過電平轉換芯片I 27連接到DSP的SPI寄存器，供DSP讀取；DSP并不直接利用內部ADC寄存器讀取加速度計數據，而是外擴位數更高的模數轉換芯片來完成加計數據的高精準采樣；加速度計13通過信號采集電路18輸出至I/V轉換電路I 21與模數轉換電路25相連，再通過電平轉換芯片I 27連接到DSP的MCBSP寄存器，供DSP讀取。如圖3所示，DSP在控制算法上實現了以下工作模式自主模式、手動模式與組合模式，這三個模式由三相開關進行手動選擇，狀態1為自主模式，狀態2為手動模式，狀態3 為組合模式；在控制方式上采用三環路復合控制(如圖2所示)，即位置環、速率環及電流環。最外環為位置環，在自主模式下采用加速度計13作為位 置反饋元件，在手動模式下無位置環，在組合模式下采用P0S14作為位置反饋元件；中間環為速率環，采用速率陀螺11作為速率反饋元件；最內環為電流環，采用電流傳感器8作為電流反饋元件；如圖3所示，在自主模式下，橫滾框和俯仰框保持慣性穩定，方位框無控制，具體實現方式為三環控制，即位置環、速率環、電流環。圖3以橫滾框為例進行說明，橫滾框姿態設定值為0，首先DSP通過外擴模數轉換電路25采集橫滾的加速度計13信息，將其與0值作差，通過PID控制器生成速率設定值，完成位置閉環；然后將速率設定值與陀螺信號采集電路16及接口電路20實時采集到的橫滾的速率陀螺11信息進行作差，通過PID控制器生成電流設定值，完成速率閉環；然后將電流設定值與電流傳感器8實時采集到的電機電流信息作差，通過PID控制器生成PWM控制量，完成電流閉環；PWM信號輸出到PWM功率驅動單元3驅動橫滾電機動作，無需換向控制。同理，俯仰框也是上述同樣的控制。在手動模式下，橫滾框和俯仰框在手動按鈕控制下以指定速率旋轉，方位框無控制。DSP通過監測四個手動按鈕對這兩框進行獨立控制，具體實現方式為雙環控制，即速率環和電流環，圖3以橫滾框正轉為例進行說明。首先DSP將橫滾框正轉速率設定值與陀螺信號采集電路(16)及接口電路20實時采集到的速率陀螺11信息進行作差，通過PID控制器生成電流設定值，完成速率閉環；然后將電流設定值與電流傳感器8實時采集到的電機電流信息作差，通過PID控制器生成PWM控制量，完成電流閉環；PWM信號輸出到PWM功率驅動單元3驅動橫滾電機以指定速率旋轉，無需換向控制；在組合模式下，橫滾框、俯仰框和方位框依據姿態設定值都保持慣性穩定狀態，具體實現方式為三環控制，即位置環、速率環、電流環。對于橫滾框和俯仰框，姿態設定值均為 0，首先DSP通過RS232電平轉換電路26采集P0S14橫滾和俯仰姿態信息，將其與0值作差， 通過PID控制器生成速率設定值，完成位置閉環；然后將速率設定值與陀螺信號采集電路 16及接口電路20實時采集到的速率陀螺11信息進行作差，通過PID控制器生成電流設定值，完成速率閉環；然后將電流設定值與電流傳感器8實時采集到的電機電流信息作差，通過PID控制器生成PWM控制量，完成電流閉環；PWM信號輸出到PWM功率驅動單元3驅動橫滾電機和俯仰電機動作，無需換向控制。對于方位框，姿態設定值并不恒定，而是需要根據航跡進行自主設定，如圖4所示。首先DSP通過RS232電平轉換電路26采集P0S14經緯度以及方位姿態信息，將經緯度信息與航攝區經緯度信息進行匹配判斷是否進入攝區，如果不匹配，則將方位姿態設定值設定為當前飛機機頭姿態方向或者飛機飛行速度方向，如果匹配，則將方位姿態設定值設定為航線姿態方向，其中，航線姿態方向根據航跡事先設定， 而飛機機頭方向和飛行速度方向實時在線獲取；DSP通過內部定時器功能來完成上述方位姿態設定過程，此后根據方位姿態設定值便可以進行三環控制。如圖3所示，首先DSP將該方位姿態設定值與P0S14反饋得到的方位姿態值作差，通過PID控制器生成速率設定值，完成位置閉環；然后將速率設定值與陀螺信號采集電路16以及接口電路20實時采集到的速率陀螺11信息進行作差，通過PID控制器生成電流設定值，完成速率閉環；然后將電流設定值與電流傳感器8實時采集到的電機電流信息作差，通過PID控制器生成PWM控制量，完成電流閉環；PWM信號輸出到PWM功率驅動單元3驅動方位電機動作，無需換向控制。如圖5所示為本發明的陀螺信號采集電路16。速率陀螺11采用光纖速率陀螺 VGA941，連接方式如圖P2所示，輸入+5V電源、地，輸出電壓Gyro_out、Gy ro_Return經過 AD620差動放大器放大10倍左右，輸出端通過電容濾波后進入AD0P07高精密運放進行V/I 轉換。該采集電路輸出端為電流信號Gyro+、Gyro-，連至接口電路的I/V轉換電路3。如圖6所示為本發明的編碼器信號采集電路17。編碼器12采用絕對式光電碼盤， 連接方式如圖Pl所示，輸入+5V電源、地以及差分時鐘信號Encoder_clk+、Encoder_clk-， 輸出差分數據信號EnCOder_data+、Encoder_data-0差分時鐘信號與差分數據信號通過圖示的MAX490芯片轉化為單路的時鐘信號與數據信號Encoder_clk、Encoder_data。同時差分信號之間有120歐姆電阻相連以避免信號串擾。該采集電路輸出端為二進制信號 Encoder_clk、Encoder_data，分別連至接口電路的電平轉換芯片1和數據選擇電路24。如圖7所示為本發明的加計信號采集電路18。加速度計13采用石英撓性加速度計JN-06M，連接方式如圖Pl所示，輸入士 15V電源、地，輸出電流信號Acc_0ut。該電流信號輸入到0P284組成的電流放大電路放大7倍左右，電容Cl、C3用于濾波。該采集電路輸出端為電流信號ACC+、ACC-，連至接口電路的I/V轉換電路1。如圖8所示為本發明的POS信號采集電路19。POS輸出的二進制信息連至圖6的 P0S_DATA端，光耦采用集成芯片HCPL0720，延遲時間僅有40ns，輸出端為0PT0_DATA，并力 TVS 二極管進行浪涌防護。該采集電路輸出端為0PT0_DATA，連至接口電路的RS232電平轉換電路26。如圖9所示為本發明的I/V轉換電路。如圖1所示接口電路20包括三組I/V轉換電路Ι/ν轉換電路I、I/V轉換電路II、I/V轉換電路III。它們均采用高精密差動運放 AD620進行電流轉電壓，電流信號經過圖中的輸入正流入，從輸入負流出，經過電阻R2轉化為電壓信號，放大倍數取決于電阻R1。同時將雙向信號通過疊加基準電壓轉化為單向信號， I/V轉換電路1的基準電壓為2. 048V, I/V轉換電路II和I/V轉換電路III的基準電壓為 1.024V。I/V轉換電路1輸入為加計信號采集電路18，輸出連至模數轉換電路25 ；I/V轉換電路2輸入為V/I轉換電路9，輸出連至DSP控制單元1的ADC寄存器；I/V轉換電路III 的輸入為陀螺信號采集電路16，輸出連至DSP控制單元1的內部ADC寄存器。如圖10所示為本發明的數據選擇電路24。數據選擇器采用8選1選擇器74151， 使能端為￡，通過三個控制端SO、Si、S2進行8路信號IO 17的選通，輸出為Z和z。數據選擇電路24的輸入為編碼器信號采集電路17的EnCOder_data引腳，三路編碼器信號分別連至74151的10、II、12，輸出Encoder_DATAOUT和使能端Encoder_CS#連至電平轉換芯片 1。電平轉換芯片1化5V電壓為3. 3V，連至DSP控制單元1的內部SPI寄存器。如圖11所示為本發明的模數轉換電路25。模數轉換器采用16位模數轉換芯片 ADS8345，它有8路模擬輸入CH0 CH7，串行二進制端有5路信號SCLK_8345、CS#_8345、 DIN_8345、BUSY_8345、D0UT_8345。它的輸入為I/V轉換電路I輸出的電壓信號，分別連至 ADS8345的CHO CH3端口，輸出連至電平轉換芯片I。電平轉換芯片I化5V電壓為3. 3V, 連至DSP控制單元1的內部MCBSP寄存器。如圖12所示為本發明的RS232電平轉換電路26。采用集成芯片MAX3232進行232電平轉TTL電平。它的輸入為POS信號采集電路19，連至MAX232的第8引腳，輸出為DSP_ SCIRXDB，連至DSP控制單元1的內部UART寄存器。 如圖13所示為本發明的電流傳感器8和V/I轉換電路9。電流傳感器采用集成霍爾電流傳感器ACS712，它具有上升時間快、帶寬高、體積小等優勢。它的電流輸入端I_IN 和I_0UT分別連至H橋電機換能電路7的電機輸出端。ACS712輸出等比于電流的電壓值， 連至V/I轉換電路9進行電壓轉電流。V/I轉換電路采用AD620進行差動放大，放大倍數取決于R13和R14 ；采用高精密運放AD0P07進行電壓轉電流，C45用于電容濾波。V/I轉換電路輸出為M_Current+、M_Current-，連至接口電路20的I/V轉換電路II。如圖14所示為本發明的PWM功率驅動單元3。DSP控制單元1通過內部PWM寄存器產生雙極性PWM信號，經過電平轉換芯片164245后化3. 3V電壓為5V，輸出到該控制電路。經過HCPL0720高速光耦隔離、74HC04邏輯取反、HIP2101功率放大后作為高速開關管 MOSFET的柵極驅動信號，從而實現全橋式換能電路的控制。它的輸出端連至電機兩端，同時串聯電流傳感器8。如圖15所示為本發明的DSP芯片以及外圍電路。它主要包括內部寄存器引腳PWM 寄存器、ADC寄存器、定時器寄存器、SPI寄存器、MCBSP寄存器、UART寄存器；AD輸入端口 ADCAO ADCA7、ADCBO ADCB7 ；晶振、JTAG 端口 ^^、TMS、TDI、TDO、EMUO、EMUl 和復位弓丨腳電源引腳3. 3VU.8V以及地。如圖16所示為本發明的軟件系統主循環流程圖。系統上電后，DSP首先進行初始化，初始化結束后進入主循環。沒有中斷申請時，DSP讀取鍵盤狀態，執行鍵盤指令有鎖緊申請，DSP將相應鎖緊標志置位，否則復位標志；DSP根據狀態指令確定系統工作模式手動控制、遠程控制、本地調平。有中斷申請而且DSP不在執行中斷程序時，響應該中斷請求；當有中斷請求而且DSP正在執行中斷程序時，等待中斷執行結束，DSP再予以響應。如圖17所示為本發明的軟件系統定時器中斷流程圖。本中斷子程序通過Ims定時器和不同的計數值來實現2ms、IOms和IOOms的定時功能。DSP初始化結束后，定時器中斷使能開啟，當Ims定時結束，而且此時DSP不在執行其它中斷函數時，進入定時器中斷子程序。首先分別給2ms、IOms和IOOms計數值增1，然后各自判斷定時是否結束，若未結束則下一次進入中斷時繼續增1判斷，若結束則執行相應子程序，并清零相應定時計數值。結束中斷前，首先復位中斷標志。其中，2ms定時子程序完成碼盤數據采樣，IOms定時子程序完成加計數據采樣和姿態自主設定以實現位置閉環，IOOms定時子程序完成數據的發送。如圖18所示為本發明的軟件系統SPI中斷流程圖。本中斷子程序用于讀取編碼器數據。DSP初始化結束后，SPI中斷使能開啟。如圖15所示定時器中斷每2ms向編碼器發送控制字和時鐘信號供編碼器進行數據轉化，轉化順序為先X軸編碼器、后Y軸編碼器， 再Z軸編碼器。當SPI中斷標志置位，而且DSP不在執行其它中斷函數時，進入SPI中斷子程序。首先給中斷計數值增1，然后判斷該計數值如果等于1，則開啟X軸通道，讀取X軸編碼器數據，之后復位中斷標志，中斷結束；如果等于2，則開啟Y軸通道，讀取Y軸編碼器數據，之后復位中斷標志，中斷結束；如果等于3，則開啟Z軸通道，讀取Z軸編碼器數據，之后清零中斷計數值，然后復位中斷標志，中斷結束。
權利要求
1. 一種高精度大負載航空遙感三軸慣性穩定平臺控制系統，其特征在于包括慣性器件及編碼器(10)、信號采集單元(15)、接口電路O0)、DSP控制單元(1)和PWM功率驅動單元 ⑶，其中慣性器件及編碼器(10)包括速率陀螺(11)、編碼器(12)、加速度計(13)及P0S(14)； 速率陀螺(11)與陀螺信號采集電路(16)相連，輸出電壓信號，用于測量框架相對于慣性空間的角速率；編碼器(1 與編碼器信號采集電路(17)相連，輸出差分形式的二進制代碼， 用于測量框架之間的相對轉角；加速度計(1 與加計信號采集電路(18)相連，輸出電流信號，用于測量框架相對于地理水平系的轉角；POS (14)與POS信號采集電路(19)相連，輸出串行二進制代碼，用于測量框架相對于慣性空間的姿態角；信號采集單元(1 包括陀螺信號采集電路(16)、編碼器信號采集電路(17)、加計信號采集電路(18)、P0S信號采集電路(19)及電流傳感器(8)；其中，陀螺信號采集電路(16) 用于采集速率陀螺(11)輸出的電壓信號，首先將電壓信號進行放大，再經過V/I轉換，輸出到接口電路00)的I/V轉換電路III (23)；編碼器信號采集電路(17)用于采集編碼器 (12)輸出的二進制差分信號，首先將差分信號轉化為單路信號，再經過高速光耦隔離，輸出到接口電路00)的數據選擇電路04)；加計信號采集電路(18)用于采集加速度計(13)輸出的電流信號，首先將電流信號進行放大，再經過RC濾波，輸出到接口電路OO)的I/V轉換電路K21) ；POS信號采集電路(19)將P0S(14)輸出的串行二進制數據經過高速光耦隔離、TVS浪涌防護輸出到接口電路OO)的RS232電平轉換電路06)；電流傳感器(8)串聯在電機兩端，輸出正比于線圈電流的電壓信號，通過V/I轉換(9)化電壓為電流信號；接口電路OO)包括I/V轉換電路K21)、I/V轉換電路IK22)、I/V轉換電路111(23)、 數據選擇電路04)、模數轉換電路05)、RS232電平轉換電路06)及電平轉換芯片I、2Τ)； 其中，I/V轉換電路1(21)將加計信號采集電路(18)輸出的加計電流信號轉化為電壓信號， 并疊加偏置電壓，輸出到模數轉換電路(25)，再通過電平轉換芯片I (XT)連接到DSP控制單元(1)內部的MCBSP寄存器，供DSP讀取；I/V轉換電路II 02)將V/I轉換電路(9)輸出的線圈電流信號轉化為電壓信號，并疊加偏置電壓，輸出到DSP控制單元(1)的內部ADC寄存器；I/V轉換電路111(23)將陀螺信號采集電路(16)輸出的陀螺電流信號轉化為電壓信號，并疊加偏置電壓，輸出到DSP控制單元(1)的內部ADC寄存器，供DSP讀取；數據選擇電路04)根據編碼器信號采集電路(17)輸出的信號，進行編碼器通道的選擇及時鐘、數據信號的傳輸，輸出到電平轉換芯片K27)；模數轉換電路05)將I/V轉換電路K21)輸出的電壓信號轉化為數字量，輸出到電平轉換芯片I 07) ；RS232電平轉換電路06)將POS信號采集電路(19)輸出的232電平信號轉化為TTL電平信號，輸出到DSP控制單元(1)的內部 UART寄存器，供DSP讀取；電平轉換芯片I 07)將數據選擇電路04)和模數轉換電路05) 輸出的5V電壓轉換為3. 3V電壓，輸出到DSP控制單元(1)的內部SPI寄存器；DSP控制單元(1)通過內部寄存器讀取各傳感器數據；執行控制算法；生成PWM信號控制電機動作；所述DSP控制單元(1)包括DSP和控制算法；所述控制算法實現自主模式、 手動模式與組合模式三種工作模式，所述三個模式由三相開關進行手動選擇；在自主模式下，橫滾框和俯仰框保持慣性穩定，方位框無控制；控制方式為三環控制， 即位置環、速率環、電流環；橫滾框和俯仰框的控制如下首先DSP讀取MCB SP寄存器中寄存的實時采集到的加速度計(13)的信息，將其與姿態設定值作差，通過PID控制器生成速率設定值，完成位置閉環；然后將速率設定值與ADC寄存器中寄存的實時采集到的速率陀螺(11)信息進行作差，通過PID控制器生成電流設定值，完成速率閉環；然后將電流設定值與ADC寄存器中寄存的電流傳感器⑶實時采集到的電機電流信息作差，通過PID控制器生成PWM控制量，完成電流閉環；PWM信號輸出到PWM功率驅動單元(3)驅動電機動作，無需換向控制；在手動模式下，橫滾框和俯仰框在手動按鈕控制下以指定速率旋轉，方位框無控制； DSP通過監測橫滾框和俯仰框的正轉和反轉四個手動按鈕對這兩框進行獨立控制；控制方式為雙環控制，即速率環和電流環；橫滾框或俯仰框控制如下首先DSP將轉速率設定值與 ADC寄存器中寄存的實時采集到的速率陀螺(11)信息進行作差，通過PID控制器生成電流設定值，完成速率閉環；然后將電流設定值與ADC寄存器中寄存的電流傳感器(8)實時采集到的電機電流信息作差，通過PID控制器生成PWM控制量，完成電流閉環；PWM信號輸出到 PWM功率驅動單元C3)橫滾或俯仰驅動電機以指定速率旋轉，無需換向控制；在組合模式下，橫滾框、俯仰框和方位框依據姿態設定值都保持慣性穩定狀態，控制方式為三環控制，即位置環、速率環、電流環；對于橫滾框或俯仰框控制分別為首先DSP讀取 UART寄存器中寄存的實時采集到的P0S(14)橫滾或俯仰姿態信息，將其與姿態設定值作差，通過PID控制器生成速率設定值，完成位置閉環；然后將速率設定值與ADC寄存器中寄存的速率陀螺(11)信息進行作差，通過PID控制器生成電流設定值，完成速率閉環；然后將電流設定值與ADC寄存器中寄存的電流傳感器⑶實時采集到的電機電流信息作差，通過 PID控制器生成PWM控制量，完成電流閉環；PWM信號輸出到PWM功率驅動單元(3)驅動橫滾電機或俯仰電機動作，無需換向控制；對于方位框，姿態的設定值并不恒定，需要根據航跡進行自主設定，然后再進行三環控制，控制為首先DSP將定時寄存器寄存的自主設定的方位姿態的設定值與UART寄存器中寄存的POS (14)反饋得到的方位姿態值作差，通過PID 控制器生成速率設定值，完成位置閉環；然后將速率設定值與ADC寄存器中寄存的實時采集的速率陀螺(11)信息進行作差，通過PID控制器生成電流設定值，完成速率閉環；然后將電流設定值與ADC寄存器中寄存的電流傳感器⑶實時采集到的電機電流信息作差，通過 PID控制器生成PWM控制量，完成電流閉環；PWM信號輸出到PWM功率驅動單元(3)驅動方位電機動作，無需換向控制。
2.根據權利要求1所述的高精度大負載航空遙感三軸慣性穩定平臺控制系統，其特征在于所述方位框的姿態根據航跡進行自主設定過程如下首先DSP讀取UART寄存器中寄存的POS (14)經緯度以及方位姿態信息，將經緯度信息與航攝區經緯度信息進行匹配判斷是否進入攝區，如果不匹配，則將方位姿態的設定值設定為當前飛機機頭姿態方向或者飛機飛行速度方向，如果匹配，則將方位姿態的設定值設定為航線姿態方向，其中，航線姿態方向根據航跡事先設定，而飛機機頭方向和飛行速度方向實時在線獲取；DSP通過內部定時器功能來完成上述方位姿態設定過程，此后根據方位姿態設定值便可以進行三環控制。
3.一種高精度大負載航空遙感三軸慣性穩定平臺控制方法，其特征在于所述控制方法有自主模式、手動模式與組合模式三種工作模式，所述三個模式由三相開關進行手動選擇；在控制方式上采用三環路復合控制，即位置環、速率環及電流環；最外環為位置環，在自主模式下采用加速度計(1 作為位置反饋元件；在手動模式下無位置環；在組合模式下采用P0S(14)作為位置反饋元件；中間環為速率環，采用速率陀螺(11)作為速率反饋元件；最內環為電流環，采用電流傳感器( 作為電流反饋元件；具體控制如下在自主模式下，橫滾框和俯仰框保持慣性穩定，方位框無控制，橫滾框或俯仰框控制過程為首先DSP通過外擴模數轉換電路05)采集加速度計(13)信息，將其與姿態設定值作差，通過PID控制器生成速率設定值，完成位置閉環；然后將速率設定值與陀螺信號采集電路(16)及接口電路OO)實時采集到的速率陀螺(11)信息進行作差，通過PID控制器生成電流設定值，完成速率閉環；然后將電流設定值與電流傳感器(8)實時采集到的電機電流信息作差，通過PID控制器生成PWM控制量，完成電流閉環；PWM信號輸出到PWM功率驅動單元(3)驅動橫滾或俯仰電機動作，無需換向控制；在手動模式下，橫滾框和俯仰框在手動按鈕控制下以指定速率旋轉，方位框無控制；通過監測橫滾框和俯仰框的正轉和反轉四個手動按鈕對這兩框進行獨立控制，首先DSP將轉速率設定值與陀螺信號采集電路(16)及接口電路OO)實時采集到的速率陀螺(11)信息進行作差，通過PID控制器生成電流設定值，完成速率閉環；然后將電流設定值與電流傳感器⑶實時采集到的電機電流信息作差，通過PID控制器生成PWM控制量，完成電流閉環； PWM信號輸出到PWM功率驅動單元C3)驅動橫滾或俯仰電機以指定速率旋轉，無需換向控制；在組合模式下，橫滾框、俯仰框和方位框依據姿態設定值都保持慣性穩定狀態，對于橫滾框和俯仰框，姿態設定值均為恒定值，首先DSP通過RS232電平轉換電路06)采集 POS (14)橫滾或俯仰姿態信息，將其與姿態設定值作差，通過PID控制器生成速率設定值， 完成位置閉環；然后將速率設定值與陀螺信號采集電路(16)及接口電路OO)實時采集到的速率陀螺(11)信息進行作差，通過PID控制器生成電流設定值，完成速率閉環；然后將電流設定值與電流傳感器(8)實時采集到的電機電流信息作差，通過PID控制器生成PWM 控制量，完成電流閉環；PWM信號輸出到PWM功率驅動單元C3)驅動橫滾電機或俯仰電機動作，無需換向控制；對于方位框，姿態設定值并不恒定，而是需要根據航跡進行自主設定，然后再進行三環控制，實現為首先DSP將該方位姿態設定值與POS(14)反饋得到的方位姿態值作差，通過PID控制器生成速率設定值，完成位置閉環；然后將速率設定值與陀螺信號采集電路(16)以及接口電路OO)實時采集到的速率陀螺(11)信息進行作差，通過PID控制器生成電流設定值，完成速率閉環；然后將電流設定值與電流傳感器(8)實時采集到的電機電流信息作差，通過PID控制器生成PWM控制量，完成電流閉環；PWM信號輸出到PWM功率驅動單元(3)驅動方位電機動作，無需換向控制。
全文摘要
一種高精度大負載航空遙感三軸慣性穩定平臺控制系統及方法，包括DSP控制單元、PWM功率驅動單元、接口電路、信號采集單元、慣性器件及編碼器、直流力矩電機。該系統通過信號采集單元獲取各框架相對于慣性空間的姿態角和角速率、線圈電流、框架之間的相對轉角，并通過接口電路送入到DSP內部寄存器供讀取，DSP將其作為信號輸入，通過三環路(電流環、速率環及位置環)復合控制算法生成PWM控制量，PWM信號經功率驅動單元送入到H橋直流電機換能電路，驅動直流力矩電機跟隨參考指令的變化，從而實現此慣性穩定平臺的主動控制。本發明提高了系統控制精度和帶載能力，完善了控制算法，提高了平臺工作模式的多樣性與智能化。
文檔編號G05D1/08GK102436262SQ20111028674
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月26日 優先權日2011年9月26日
發明者房建成, 李樹勝, 趙巖, 鐘麥英 申請人:北京航空航天大學