穩(wěn)定平臺(tái)的動(dòng)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(tái)的動(dòng)態(tài)位置環(huán)控制方法，包括以下步驟：確定平臺(tái)對慣性空間的第一位移變換量，及平臺(tái)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(tái)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(tái)的方位向和俯仰向進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)本發(fā)明還公開了一種穩(wěn)定平臺(tái)的動(dòng)態(tài)位置環(huán)控制系統(tǒng)。采用本發(fā)明可以在較低實(shí)時(shí)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(tái)的動(dòng)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(tái)的動(dòng)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(tái)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(tái)被廣泛應(yīng)用于光電吊艙和動(dòng)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(tái)的發(fā)展趨勢。
[0003] 目前陀螺穩(wěn)定平臺(tái)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(jī)在相同時(shí)間內(nèi)進(jìn)行反向同速補(bǔ)償，達(dá)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(gè)控制回路中，利用陀螺敏感穩(wěn)定平臺(tái)相對于慣性空間的 角速率。平臺(tái)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(bǔ)償?shù)慕撬俾?，進(jìn)而根據(jù)該差值 控制電機(jī)進(jìn)行速率補(bǔ)償達(dá)到穩(wěn)定平臺(tái)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(jī)為電機(jī)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(dòng)參數(shù)，使得內(nèi)環(huán)控制器可以有效減少摩擦力矩、負(fù)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(dòng)，實(shí)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(jì)實(shí)現(xiàn)，而且速 度內(nèi)環(huán)比速度外環(huán)響應(yīng)快，能及時(shí)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(shí)對硬件平臺(tái)提出了較高的要求，不利于系統(tǒng)的實(shí) 現(xiàn)，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(bǔ)償誤差，且隨著平臺(tái)使用時(shí)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(diǎn)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(bǔ)償需要電機(jī)具備較高的低 速轉(zhuǎn)動(dòng)性能，同時(shí)對控制算法的精度提出了較高的要求，否則無法有效實(shí)現(xiàn)平臺(tái)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(gè)缺點(diǎn)，并提供下述至少一種優(yōu)點(diǎn)。
[0010] 本發(fā)明公開了一種穩(wěn)定平臺(tái)的動(dòng)態(tài)位置環(huán)控制方法及系統(tǒng)，可以在較低實(shí)時(shí)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(tái)的動(dòng)態(tài)位置環(huán)控制方法，包括以下步驟：
[0013] 確定平臺(tái)對慣性空間的第一位移變換量，及平臺(tái)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(tái)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(tái)的方位向和俯仰向進(jìn)行調(diào)整。
[0016] 進(jìn)一步的，所述第一位移變化量通過以下步驟獲?。?br> [0017] 獲取擾動(dòng)角速率；
[0018] 利用所述擾動(dòng)角速率確定所述第一位移變化量；
[0019] 進(jìn)一步的，所述第二位移變換量通過以下步驟獲?。?br> [0020] 獲取當(dāng)前位置值；
[0021] 將所述當(dāng)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(jìn)一步的，根據(jù)所述第三位移變化量對平臺(tái)的方位向和俯仰向進(jìn)行調(diào)整的步驟 為：
[0023] 確定當(dāng)前未完成的補(bǔ)償誤差；
[0024] 將所述補(bǔ)償誤差與所述第三位移變化量進(jìn)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(tái)的方位向和俯仰向進(jìn)行調(diào)整。
[0026] 本發(fā)明另一方面公開了一種穩(wěn)定平臺(tái)的動(dòng)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(tái)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(tái)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(tái)控制器，用于根據(jù)所述第三位移變化量對所述平臺(tái)的方位向和俯仰向進(jìn)行調(diào) 整。
[0031] 進(jìn)一步的，所述角速率陀螺用于獲取擾動(dòng)角速率，并根據(jù)所述擾動(dòng)角速率的積分 值確定所述第一位移變化量。
[0032] 進(jìn)一步的，所述角度編碼其用于確定當(dāng)前位置值，并根據(jù)所述當(dāng)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(jìn)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(jìn)一步的，所述平臺(tái)控制器將當(dāng)前未完成的補(bǔ)償誤差和所述第三位移變化量進(jìn)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(tái)的方位向和俯仰向進(jìn)行調(diào)整。
[0035] 通過采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明所達(dá)到的有益效果為：
[0036] 現(xiàn)有技術(shù)方法多依靠單純速度補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)平臺(tái)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(shí)時(shí)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(jì)帶來了難度。本發(fā)明實(shí)施例通過對陀螺角速率數(shù)據(jù)和電機(jī)速度的矢量計(jì)算獲得當(dāng) 前周期的誤差值，并進(jìn)行長時(shí)間累積，在較低實(shí)時(shí)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(jìn)一步的，本發(fā)明實(shí)施例引入了位置環(huán)控制，即將速度環(huán)無法彌補(bǔ)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(dòng)對平臺(tái)穩(wěn)定的影響，同時(shí)穩(wěn)定 精度不隨時(shí)間變化。
[0038] 本發(fā)明實(shí)施例可以將低速率干擾在位置環(huán)進(jìn)行周期性積分累加，當(dāng)累加值達(dá)到一 定量值時(shí)，可以通過位置環(huán)反饋準(zhǔn)確彌補(bǔ)該干擾。有效的解決了穩(wěn)定平臺(tái)對低速率擾動(dòng)的 補(bǔ)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(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對本發(fā)明實(shí)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(shí)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(dòng)的前提下，還可以根據(jù)本發(fā)明實(shí)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(shí)施例動(dòng)態(tài)位置環(huán)控制系統(tǒng)示意圖；
[0041] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例運(yùn)動(dòng)模擬圖；
[0042] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例方法流程圖。

【具體實(shí)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(dá)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(shí)施例的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅 是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在 沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0044] 下面結(jié)合附圖并通過【具體實(shí)施方式】來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0045] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例動(dòng)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(shí)施例的動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、負(fù)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(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、負(fù)載構(gòu)成對平臺(tái)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(jìn)行矢量計(jì)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(biāo)角速率和實(shí)際角速率的值，形成速 率內(nèi)環(huán)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用于對電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而使電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載進(jìn)行工作。然后，由于不可 抗拒的因素，在電機(jī)和負(fù)載工作過程中，會(huì)分別引入摩擦擾動(dòng)和平臺(tái)擾動(dòng)。并且，由于平臺(tái) 設(shè)備中自身工作帶來的影響，因此，需要對平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)的穩(wěn)定控制。
[0048] 為實(shí)現(xiàn)對平臺(tái)穩(wěn)定的控制，本發(fā)明實(shí)施例中，在平臺(tái)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(tái)的位移變化數(shù)據(jù)，從而形成反饋量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)根據(jù)反饋量對平臺(tái)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(bǔ)償外界擾動(dòng)，而且對于累計(jì)誤差也可以準(zhǔn)確的補(bǔ)償， 使得穩(wěn)定效果更佳。
[0049] 上述角速率陀螺用于敏感平臺(tái)對慣性空間的擾動(dòng)角速率，在敏感獲得擾動(dòng)角速率 后，對該擾動(dòng)角速率在控制周期上進(jìn)行積分，從而獲得由該擾動(dòng)角速率引起的位移偏移量， 即平臺(tái)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(dāng)獲取到當(dāng)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(jìn)行差分運(yùn)算，從而確定當(dāng)前控制周期中位移變 化量，即平臺(tái)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(bǔ)的誤差映射于位 置環(huán)，且降低了較高頻率的外部擾動(dòng)對平臺(tái)穩(wěn)定的影響，同時(shí)穩(wěn)定精度不隨時(shí)間變化，
[0051] 在獲取上述平臺(tái)對慣性空間的位移變化量（第一位移變化量）和平臺(tái)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(jìn)行差值運(yùn)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(dòng)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(tái)的電機(jī)進(jìn)行方位向和俯仰 向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而彌補(bǔ)視軸角誤差偏移量，達(dá)到穩(wěn)定的功能。
[0053] 當(dāng)根據(jù)上述第三變化量進(jìn)行PID算法的控制時(shí)，需要結(jié)合平臺(tái)的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 當(dāng)平臺(tái)為初次運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，需要結(jié)合平臺(tái)開啟穩(wěn)定初始時(shí)刻的角位置，與該第三位移變化 量相加，從而獲得目標(biāo)運(yùn)動(dòng)位置。
[0054] 當(dāng)平臺(tái)為穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，需要將控制周期以前未完成的補(bǔ)償誤差與上述目標(biāo)運(yùn) 動(dòng)位置相疊加，從而確定當(dāng)前控制周期中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)位置環(huán)的精確位置。
[0055] 上述實(shí)施例由于采用角度編碼器實(shí)現(xiàn)了對平臺(tái)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(shí)現(xiàn)了對因系統(tǒng)實(shí)時(shí)性不夠所造成的誤差累積的補(bǔ)償。
[0056] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例運(yùn)動(dòng)模擬圖。
[0057] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例方法流程圖。
[0058] 參考圖2，Θ 為開啟穩(wěn)定時(shí)刻的初始位置值，^為平臺(tái)對地的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，Θ ^為 本控制周期結(jié)束后的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的位置值。進(jìn)一步參考圖3,對本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步介紹：
[0059] 穩(wěn)定開啟后的初始時(shí)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(dòng)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(tái)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(tái)相對于基座在一個(gè)控制周期內(nèi)的唯一變化量為 Δ Θ 平臺(tái)=Θ r(k)_ Θ ;
[0062] 由步驟2、3計(jì)算得到的Δ Θ _和Δ θ 可以計(jì)算得到外部擾動(dòng)造成的平臺(tái)位移 變化星Δ Θ擾動(dòng)=Δ Θ陀螺-Δ Θ平臺(tái)；。
[0063] 由此可以獲得動(dòng)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(dòng)態(tài)穩(wěn)定環(huán)控制算法第一個(gè)控制周期內(nèi)θ θ 為零，但是在以后的控制 周期當(dāng)中由于系統(tǒng)不可避免的滯后特性，每個(gè)控制周期內(nèi)不能保證完全補(bǔ)償位移偏移量， 因此θset〇^_ θ mo # 〇該補(bǔ)償誤差會(huì)被累加進(jìn)入動(dòng)態(tài)位置環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償。
[0066] 說明：
[0067] Θ srt亡為動(dòng)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(tái)相對于大地的運(yùn)動(dòng)角速率；
[0069] Θ ^為編碼器測量得到的平臺(tái)的角位置值；
[0070] Λ t為動(dòng)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(gè)控制周期內(nèi)的角位移變化量；
[0072] Θ Hk)為k時(shí)亥lj編碼器測量得到的平臺(tái)的角位置值；
[0073] θ 為k_l時(shí)亥lj編碼器測量得到的平臺(tái)的角位置值；
[0074] Λ Θ 為絕對值編碼器測量的在一個(gè)控制周期內(nèi)的角位移變化量；
[0075] Λ Θ 為外界擾動(dòng)在一個(gè)控制周期內(nèi)的角位移變化量；
[0076] Θ srt(k)為k時(shí)刻動(dòng)態(tài)位置環(huán)控制算法的給定輸入量；
[0077] Θ 為k-Ι時(shí)刻動(dòng)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(tái)的方位向和俯仰向進(jìn)行 調(diào)整。
[0079] 使用上述實(shí)施例對穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行測試與傳統(tǒng)速度補(bǔ)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(tái)的動(dòng)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(tái)對慣性空間的第一位移變換量，及平臺(tái)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(tái)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(tái)的方位向和俯仰向進(jìn)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(dòng)角速率； 利用所述擾動(dòng)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?。?獲取當(dāng)前位置值； 將所述當(dāng)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(tái)的方位向和 俯仰向進(jìn)行調(diào)整的步驟為： 確定當(dāng)前未完成的補(bǔ)償誤差； 將所述補(bǔ)償誤差與所述第三位移變化量進(jìn)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(tái)的方位向和俯仰向進(jìn)行調(diào)整。
5. -種穩(wěn)定平臺(tái)的動(dòng)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(tái)對慣性空間的第一位移變換量； 角度編碼器，用于確定平臺(tái)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(tái)控制器，用于根據(jù)所述第三位移變化量對所述平臺(tái)的方位向和俯仰向進(jìn)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(dòng)角速率，并根據(jù) 所述擾動(dòng)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(dāng)前位置值，并根據(jù) 所述當(dāng)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(tái)控制器將當(dāng)前未完成的補(bǔ)償誤差和 所述第三位移變化量進(jìn)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(tái)的方位 向和俯仰向進(jìn)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