本發(fā)明屬于基于同步軌道衛(wèi)星的移動(dòng)通信領(lǐng)域，特別是涉及一種車載穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)及其穩(wěn)定跟蹤方法。

背景技術(shù)：

穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)由于能隔離載體(車輛、艦船)擾動(dòng)，不斷測(cè)量平臺(tái)姿態(tài)和位置變化，精確保持動(dòng)態(tài)姿態(tài)基準(zhǔn)，并通過(guò)圖像探測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)自動(dòng)跟蹤，所以在現(xiàn)代武器系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)代衛(wèi)星電視接收轉(zhuǎn)播，車船用移動(dòng)衛(wèi)星通訊等也需要具有穩(wěn)定跟蹤能力的平臺(tái)來(lái)很好的隔離載體的運(yùn)動(dòng)對(duì)平臺(tái)的姿態(tài)影響，并在各種氣象環(huán)境條件下保證對(duì)目標(biāo)信號(hào)的截獲、識(shí)別和跟蹤。

綜上可見(jiàn)穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)在軍事和民用等各個(gè)領(lǐng)域都已獲得了極其廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，隨著精密機(jī)械、微電子技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和伺服控制技術(shù)的飛速發(fā)展，微型陀螺儀等精密慣性敏感元件的發(fā)展和性能指標(biāo)的日益提高，陀螺穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)系統(tǒng)的研究取得很大的進(jìn)展，其主要發(fā)展方向是小型化、數(shù)字化和集成化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種車載穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)及其穩(wěn)定跟蹤方法，隔離載體干擾對(duì)天線波束指向的影響，將天線波束穩(wěn)定在載體地理坐標(biāo)系中，保證天線波束對(duì)衛(wèi)星的對(duì)準(zhǔn)，完成搜索、捕獲、指向、穩(wěn)定、跟蹤等功能，具有很大的軍事、民用前景和實(shí)踐意義。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：車載兩軸穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)，包括微處理器模塊、姿態(tài)檢測(cè)模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊，其特征在于，姿態(tài)檢測(cè)模塊包括陀螺儀、傾角儀和差分北斗，陀螺儀和差分北斗位于穩(wěn)定平臺(tái)的方位方向，傾角儀位于穩(wěn)定平臺(tái)的俯仰方向；執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊包括方位步進(jìn)電機(jī)和俯仰步進(jìn)電機(jī)；所述姿態(tài)檢測(cè)模塊用于檢測(cè)車輛的天線姿態(tài)數(shù)據(jù)，并傳送給微處理器模塊，所述微處理器模塊用于解析天線姿態(tài)數(shù)據(jù)，得到控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)，以實(shí)時(shí)隔離載體的擾動(dòng)對(duì)天線指向的影響，使其穩(wěn)定工作在性能指標(biāo)要求之下。

車載兩軸穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定跟蹤方法，包括以下步驟：

步驟1：車輛不發(fā)動(dòng)，讓系統(tǒng)上電，等待差分北斗尋星成功；

步驟2：尋星成功后，進(jìn)行天線的初始對(duì)準(zhǔn)：微處理器模塊從差分北斗獲取此刻車輛與衛(wèi)星之間的航向角，包括車輛相對(duì)于衛(wèi)星的方位角和俯仰角，并根據(jù)航向角計(jì)算得到方位電機(jī)和俯仰電機(jī)的脈沖數(shù)分別控制方位電機(jī)和俯仰電機(jī)動(dòng)作，使得天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星方向，至此車輛可以啟動(dòng)駕駛；

步驟3：車輛啟動(dòng)，穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)尋星狀態(tài)：微處理器模塊將傾角儀測(cè)量的俯仰角轉(zhuǎn)換成俯仰電機(jī)的脈沖數(shù)控制俯仰電機(jī)動(dòng)作，并根據(jù)天線的方位對(duì)準(zhǔn)方向確定方位電機(jī)的控制模式，方位電機(jī)的控制模式包括陀螺儀控制模式和差分北斗控制模式，當(dāng)天線的方位對(duì)準(zhǔn)方向未趨近于性能指標(biāo)上限時(shí)選擇陀螺儀控制模式，即微處理器模塊根據(jù)陀螺儀檢測(cè)的天線角速度和差分北斗檢測(cè)的方位角計(jì)算出方位電機(jī)的脈沖數(shù)，控制方位電機(jī)動(dòng)作，以到達(dá)天線在方位方向的穩(wěn)定跟蹤；當(dāng)天線的方位對(duì)準(zhǔn)方向趨近于性能指標(biāo)上限時(shí)選擇差分北斗控制模式，即微處理器模塊根據(jù)差分北斗檢測(cè)的方位角計(jì)算出方位電機(jī)的脈沖數(shù)，控制方位電機(jī)動(dòng)作，以達(dá)到天線的再次對(duì)準(zhǔn)，再將陀螺儀的積分清零，目的是告知系統(tǒng)當(dāng)前位置就是天線對(duì)準(zhǔn)的零點(diǎn)位置；若車輛繼續(xù)與衛(wèi)星通信，則返回步驟3繼續(xù)自動(dòng)尋星；

步驟4：衛(wèi)星通信任務(wù)完成后，系統(tǒng)設(shè)備斷電，結(jié)束工作。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于：1)本發(fā)明選用stm32f103低功耗單片機(jī)，其最高工作頻率達(dá)72mhz，有512k閃存、3個(gè)uart接口、2個(gè)spi接口和多達(dá)8個(gè)定時(shí)器等豐富外設(shè)，是一款功能強(qiáng)大的微處理器。2)本發(fā)明選用adis16265陀螺儀，其內(nèi)部最高刷新率為2048hz，內(nèi)部自帶陀螺零漂修正以及濾波處理。3)本發(fā)明選用國(guó)產(chǎn)北斗衛(wèi)星板卡，相對(duì)安全及穩(wěn)定。4)本發(fā)明的方位方向的傳動(dòng)比為13:1，方位電機(jī)采用16細(xì)分后，電機(jī)單個(gè)脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為0.1125度，具有較高精度。5)本發(fā)明采用速度環(huán)與位置環(huán)的控制方案，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其性能可滿足大多數(shù)常見(jiàn)路況。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明車載兩軸穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)的硬件原理框圖。

圖2是本發(fā)明車載兩軸穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)的方位軸的控制策略圖。

圖3是本發(fā)明車載兩軸穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)的天線控制流程圖。

圖4是本發(fā)明車載兩軸穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)的車體受正弦信號(hào)干擾時(shí)的天線位置誤差圖。

圖5是本發(fā)明車載兩軸穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)的天線位置誤差放大圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。

如圖1所示，車載兩軸穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)，包括微處理器模塊、姿態(tài)檢測(cè)模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊，其特征在于，姿態(tài)檢測(cè)模塊包括陀螺儀、傾角儀和差分北斗，陀螺儀和差分北斗位于穩(wěn)定平臺(tái)的方位方向，傾角儀位于穩(wěn)定平臺(tái)的俯仰方向；執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊包括方位步進(jìn)電機(jī)和俯仰步進(jìn)電機(jī)；所述姿態(tài)檢測(cè)模塊用于檢測(cè)車輛的天線姿態(tài)數(shù)據(jù)，并傳送給微處理器模塊，所述微處理器模塊用于解析天線姿態(tài)數(shù)據(jù)，得到控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)，以實(shí)時(shí)隔離載體的擾動(dòng)對(duì)天線指向的影響，使其穩(wěn)定工作在性能指標(biāo)要求之下。所述微處理器模塊采用意法半導(dǎo)體公司的stm32f103芯片，其豐富的外設(shè)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，且功耗低、價(jià)格便宜；所述陀螺儀采用亞得諾半導(dǎo)體公司的adis16265可編程數(shù)字陀螺儀傳感器，與單片機(jī)通過(guò)spi接口進(jìn)行通信；所述傾角儀采用sca830數(shù)字傾角傳感器，與單片機(jī)通過(guò)spi接口進(jìn)行通信；所述差分北斗采用和芯星通ub280高精度板卡，與單片機(jī)通過(guò)usart接口進(jìn)行通信；所述方位步進(jìn)電機(jī)和俯仰步進(jìn)電機(jī)均通過(guò)gpio口輸出的pwm脈沖波來(lái)控制電機(jī)動(dòng)作，采用2相混合式步進(jìn)電機(jī)，其步距角為1.8度，并選用a3980驅(qū)動(dòng)芯片，設(shè)置為16細(xì)分。

adis16265可編程數(shù)字陀螺儀、sca830數(shù)字傾角傳感器和ub280和芯星通的高精度板卡與微處理器進(jìn)行通信的過(guò)程分別為：

(a)陀螺儀的初始設(shè)置包括：動(dòng)態(tài)范圍設(shè)置為160°/秒(sens_avg寄存器的bit[10:8]寫(xiě)入010，地址為0x38,0x39)；采樣率設(shè)置為256sps(smpl_prd寄存器bit7＝0，bit[6:0]＝1，地址為0x36,0x37)；不對(duì)陀螺儀進(jìn)行修正(gyro_off寄存器寫(xiě)入0，地址為0x14,0x15)。

通過(guò)gryo_out寄存器(地址0x14,14bit有效數(shù)據(jù))，獲取陀螺儀的角速度數(shù)據(jù)，上電后第一次讀取數(shù)據(jù)無(wú)效，后一次讀取有效數(shù)據(jù)，獲取的是前一次采樣的角速度，按照160°/秒的設(shè)置，寄存器值的每個(gè)bit代表0.03663°/秒。

(b)傾角儀的初始設(shè)置包括：上電后等待95ms，以完成芯片內(nèi)部自檢；讀取ctrl寄存器(地址為0x01)，檢查st位(bit3)是否為0；讀取status寄存器(地址為0x02)，檢查csmerr位(bit1)是否為0；向ctrl寄存器寫(xiě)入0.

通過(guò)讀取y_msb(地址為0x07)和y_lsb(地址為0x06)寄存器，獲取重力加速度數(shù)據(jù)，然后通過(guò)公式：angle＝arcsin[(accel-offset)/sensitivity]轉(zhuǎn)化成角度，根據(jù)手冊(cè)，配置offset為0，sensitivity為32000。

(c)差分北斗的處理為：通過(guò)差分北斗的$xxrmc命令，獲取定位信息，用以獲取定位狀態(tài)和經(jīng)緯度坐標(biāo)；通過(guò)#heading命令，獲取航向信息，并且基線長(zhǎng)度不超過(guò)實(shí)際基線長(zhǎng)度時(shí)，航向角才是有效數(shù)據(jù)。

結(jié)合圖2和圖3，車載兩軸穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定跟蹤方法，包括以下步驟：

步驟1：車輛不發(fā)動(dòng)，讓系統(tǒng)上電，等待差分北斗尋星成功；

步驟2：尋星成功后，進(jìn)行天線的初始對(duì)準(zhǔn)：微處理器模塊從差分北斗獲取此刻車輛與衛(wèi)星之間的航向角，包括車輛相對(duì)于衛(wèi)星的方位角和俯仰角，并根據(jù)航向角計(jì)算得到方位電機(jī)和俯仰電機(jī)的脈沖數(shù)分別控制方位電機(jī)和俯仰電機(jī)動(dòng)作，使得天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星方向，至此車輛可以啟動(dòng)駕駛；

根據(jù)差分北斗檢測(cè)的方位角θa計(jì)算方位電機(jī)脈沖數(shù)的公式為：

式中，motorcontrola為方位電機(jī)的控制脈沖的數(shù)量，θ0為步進(jìn)電機(jī)的步距角，ndivide為步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)，na.ratio為方位電機(jī)的傳動(dòng)比，θ0、ndivide、na.ratio分別取1.8、16、13。

根據(jù)差分北斗測(cè)量的俯仰角θp計(jì)算俯仰電機(jī)脈沖數(shù)的公式為：

式中，motorcontrolp為俯仰電機(jī)的控制脈沖的數(shù)量，θ0為步進(jìn)電機(jī)的步距角，ndivide為步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)，np.ratio為俯仰電機(jī)的傳動(dòng)比，θ0、ndivide、np.ratio分別取1.816、4；

步驟3：車輛啟動(dòng)，穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)尋星狀態(tài)：

步驟3.1：微處理器模塊將傾角儀測(cè)量的俯仰角轉(zhuǎn)換成俯仰電機(jī)的脈沖數(shù)控制俯仰電機(jī)動(dòng)作，根據(jù)傾角儀測(cè)量的俯仰角θp計(jì)算俯仰電機(jī)脈沖數(shù)的公式為：

式中，motorcontrolp為俯仰電機(jī)的控制脈沖的數(shù)量，θ0為步進(jìn)電機(jī)的步距角，ndivide為步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)，np.ratio為俯仰電機(jī)的傳動(dòng)比，θ0、ndivide、np.ratio分別取1.816、4；

步驟3.2：根據(jù)天線的方位對(duì)準(zhǔn)方向確定方位電機(jī)的控制模式，方位電機(jī)的控制模式包括陀螺儀控制模式和差分北斗控制模式，當(dāng)天線的方位對(duì)準(zhǔn)方向未趨近于性能指標(biāo)上限時(shí)選擇陀螺儀控制模式，即微處理器模塊根據(jù)陀螺儀檢測(cè)的天線角速度和差分北斗檢測(cè)的方位角計(jì)算出方位電機(jī)的脈沖數(shù)，控制方位電機(jī)動(dòng)作，以到達(dá)天線在方位方向的穩(wěn)定跟蹤；當(dāng)天線的方位對(duì)準(zhǔn)方向趨近于性能指標(biāo)上限時(shí)選擇差分北斗控制模式，即微處理器模塊根據(jù)差分北斗檢測(cè)的方位角計(jì)算出方位電機(jī)的脈沖數(shù)，控制方位電機(jī)動(dòng)作，以達(dá)到天線的再次對(duì)準(zhǔn)，再將陀螺儀的積分清零，目的是告知系統(tǒng)當(dāng)前位置就是天線對(duì)準(zhǔn)的零點(diǎn)位置；

根據(jù)陀螺儀檢測(cè)的天線角速度vout和差分北斗檢測(cè)的方位角θa計(jì)算方位電機(jī)脈沖數(shù)的方法為：

將陀螺儀檢測(cè)的天線角速度vout對(duì)其進(jìn)行積分得到方位方向的角位移θout1：

式中，ti為積分時(shí)間常數(shù)；

用差分北斗檢測(cè)的方位角θa減去天線的角位移θout1得到天線的航向偏差e航向，天線的航向偏差e航向經(jīng)過(guò)第一組pid參數(shù)計(jì)算得天線的初始方位角速度vin：

vin減去陀螺儀輸出的角速度vout得到角速度偏差ev，角速度偏差ev經(jīng)過(guò)第二組pid參數(shù)最終計(jì)算得控制方位電機(jī)的脈沖數(shù)，以到達(dá)天線在方位方向的穩(wěn)定跟蹤：

式中，u(t)為經(jīng)pid計(jì)算處理后的天線位移偏差量，θ0為步進(jìn)電機(jī)的步距角，ndivide為步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)，na.ratio為方位電機(jī)的傳動(dòng)比，θ0、ndivide、na.ratio分別取1.8、16、13；

分別調(diào)整和參數(shù)權(quán)重，使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)的性能；

根據(jù)差分北斗檢測(cè)的方位角θa計(jì)算方位電機(jī)脈沖數(shù)的公式為：

式中，motorcontrola為方位電機(jī)的控制脈沖的數(shù)量，θ0為步進(jìn)電機(jī)的步距角，ndivide為步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)，na.ratio為方位電機(jī)的傳動(dòng)比，θ0、ndivide、na.ratio分別取1.8、16、13；

步驟3.3：若車輛繼續(xù)與衛(wèi)星通信，則返回步驟3.1繼續(xù)自動(dòng)尋星。

步驟4：衛(wèi)星通信任務(wù)完成后，系統(tǒng)設(shè)備斷電，結(jié)束工作。

圖4給出的是一個(gè)模擬車輛運(yùn)動(dòng)對(duì)天線造成干擾的運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，選用正弦信號(hào)模擬車輛的運(yùn)動(dòng)干擾信號(hào)，來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)在干擾信號(hào)下的天線指向誤差。

由圖5可見(jiàn)，該系統(tǒng)在車體運(yùn)動(dòng)時(shí)，天線的位置誤差范圍在(-0.8°,+0.8°)，滿足性能指標(biāo)要求，能實(shí)時(shí)確保天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，保證通信的正常。