一种直驱光纤陀螺稳定平台结构及其控制方法

摘要

一种直驱光纤陀螺稳定平台结构及其控制方法，其特征是采用直角坐标轴结构，外框为横滚框，内框平台为俯仰框；惯性测量单元和被稳定对象安装在内框平台的平台上，采用直驱力矩电机直接驱动平台框架。控制系统采用模块化及DSP和单片机组合的双CPU设计，系统稳定，操作简单。本发明解决了现有稳定平台系统机械加工及装配难度大、精度不易保持、传动齿轮间隙误差大、控制响应速度慢以及单CPU多任务控制系统负荷重的问题。可有效应用于机载、舰载及车载测量设备的稳定。

权利要求

1.一种直驱光纤陀螺稳定平台的控制方法，其特征在于，包括上位机、传感器模块、控制模块、接口模块和执行输出模块；

所述上位机通过接口模块对控制模块发送指令；传感器模块的输出端连接接口模块的输入端，接口模块与控制模块互联；所述控制模块的输出端连接执行输出模块的输入端；

所述执行输出模块输出端连接外框力矩电机(21)转子和内框力矩电机(22)转子；

所述控制模块包括DSP和单片机；所述DSP用于进行伺服控制，所述单片机在伺服过程中接受上位机的控制，进行实时调整控制、滤波参数和系统设置并存储到EEPROM中；同时实时转发稳定平台结构(1)的姿态、角速率和跟踪精度信息；

所述传感器模块包括光纤陀螺惯性测量单元(3)和光栅旋转编码器(4)；

所述执行输出模块包括：DAC、PWM功放单元和直驱力矩电机；

该方法包括如下步骤：1)控制模块初始化：

1.1)DSP芯片初始化：时钟、IO、UART和I2C信号初始化；

1.2)单片机初始化：读取EEPROM中的控制参数和系统设置；

2)装订参数：DSP以SPI总线读取单片机中的控制、滤波参数，并装订到系统变量结构体中；

3)等待串口接收中断：设定中断向量表，使能串口中断，使能DSP串口缓冲区接收中断；

4)数据解析：程序等待与光纤陀螺惯性测量单元(3)相连的串口接收中断，当接收缓冲区积累到与光纤陀螺惯性测量单元(3)数据协议相同的字节数后，程序开始协议解析，并计算循环校验码；

5)检测：传感器模块通过光纤陀螺惯性测量单元(3)检测内框平台(12)的姿态角以及角速率的变化；

6)PID算法：当步骤5)中比对结果判定即时位置与当地水平位置存在姿态角偏差或偏离角速率时，利用光纤陀螺惯性测量单元(3)传来的姿态与陀螺速率采用双闭环控制，进行PID伺服解算；

7)驱动输出：更新两路DAC输出控制电压，PWM功放单元板根据控制电压调整PWM占空比，驱动外框力矩电机(21)转子和内框力矩电机(22)转子输出调节后的反向扭矩。

2.根据权利要求1所述的一种直驱光纤陀螺稳定平台的控制方法，其特征在于：所述接口模块包括隔离RS422和RS232通讯接口。

3.根据权利要求2所述的一种直驱光纤陀螺稳定平台的控制方法，其特征在于：所述DSP为32位；所述单片机为8位。

说明书

一种直驱光纤陀螺稳定平台结构及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种稳定系统，尤其是一种直驱光纤陀螺稳定平台结构及其控制方法。

背景技术

[0002] 陀螺稳定平台采用陀螺仪为反馈元件，其主要功能是隔离载体的角运动，使被稳定对象之轴指向导航坐标系(如惯性坐标系)中的特定方位。当负载的支承轴无任何干扰力矩作用时，平台将相对惯性空间始终保持在原来的角位置上。当负载因干扰力矩作用而偏离原来的方位时，陀螺敏感测量轴的姿态角或角速率，并经过控制系统后反馈给电机，通过电机产生补偿力矩对干扰力矩进行补偿，从而使负载保持稳定。

[0003] 常规的稳定平台的惯性测量单元(IMU)安装于运动载体之上，并且采用伺服电机和减速齿轮机构驱动平台。这样的设计对平台的加工、装配工艺要求极高，并且在使用过程中，台体会不可避免的发生长期或短期的形变，这些形变最终都会影响平台的稳定精度。另外，伺服电机在低转速的条件下，性能会显著下降。减速齿轮系的回差也会直接影响系统的响应速度。在小角度的情形下，减速齿轮系回差在控制系统的作用下甚至会造成台体的震荡，对结果造成不良影响。

[0004] 常规运动控制系统中，单一的DSP芯片完成所有的通讯、解算、控制、输出、监控等功能。这种结构导致DSP的工作负荷重，对上位机的通讯响应可能会影响伺服系统的实时性，在极端负荷条件下可能导致系统崩溃，从而使稳定平台倾覆。

[0005] 设计一种稳定的结构及控制方法，成为了该领域研究的方向。

发明内容

[0006] 发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种直驱光纤陀螺稳定平台结构及其控制方法，利用直驱力矩电机，克服了现有稳定平台系统机械加工要求高、精度不易保持、传动齿轮间隙误差大、控制响应速度慢的问题。

[0007] 技术方案：一种直驱光纤陀螺稳定平台结构，包括光纤陀螺惯性测量单元和一组光栅旋转编码器；包括外框、内框平台、中框、外框力矩电机和内框力矩电机；其中中框为横滚框，内框平台为俯仰框；

[0008] 外框力矩电机安装在外框上，内框平台安装在中框内侧；中框与外框力矩电机转子固定，中框随外框力矩电机转子转动；内框平台与内框力矩电机转子固定，内框平台随内框力矩电机转子转动；

[0009] 外框力矩电机和内框力矩电机的中轴线垂直且位于同一水平面；外框、内框平台和中框初始状态下位置水平；

[0010] 光纤陀螺惯性测量单元安置在内框平台上；一个光栅旋转编码器穿过外框，与外框力矩电机转子同轴，位于外框力矩电机相对的外框的另一侧；另一个光栅旋转编码器穿过中框平台，与内框力矩电机转子同轴，位于内框力矩电机相对的中框的另一侧。

[0011] 一种直驱光纤陀螺稳定平台的控制方法，包括上位机、传感器模块、控制模块、接口模块和执行输出模块；

[0012] 所述上位机通过接口模块对系统发布指令；传感器模块的输出端连接接口模块的输入端，接口模块与控制模块互联；所述控制模块的输出端连接执行输出模块的输入端；所述输出模块输出端连接外框力矩电机和内框力矩电机；

[0013] 所述控制模块包括DSP和单片机；所述DSP用于进行伺服控制，所述单片机在伺服过程中接受上位机的控制，进行实时调整控制、滤波参数和系统设置并存储到EEPROM中；同时实时转发稳定平台结构的姿态、角速率和跟踪精度信息；

[0014] 所述传感器模块包括光纤陀螺惯性测量单元和光栅旋转编码器；所述执行输出模块包括：DAC和PWM功放单元；

[0015] 1)控制模块初始化：

[0016] 1.1)DSP芯片初始化：时钟、IO、UART和I2C信号初始化；

[0017] 1.2)单片机初始化：读取EEPROM中的控制参数和系统设置；

[0018] 2)装订参数：DSP以SPI总线读取单片机中的控制、滤波参数，并装订到系统变量结构体中；

[0019] 3)等待串口接收中断：设定中断向量表，使能串口中断，使能DSP串口缓冲区接收中断；

[0020] 4)数据解析：程序等待与光纤陀螺惯性测量单元相连的串口接收中断，当接收缓冲区积累到与光纤陀螺惯性测量单元数据协议相同的字节数后，程序开始协议解析，并计算循环校验码；

[0021] 5)检测：传感器模块通过光纤陀螺惯性测量单元(3)检测内框平台(12)的姿态角以及角速率的变化；

[0022] 6)PID算法：当步骤5)中比对结果判定即时位置与当地水平位置存在姿态角偏差或偏离角速率时，利用光纤陀螺惯性测量单元传来的姿态与陀螺速率采用双闭环控制，进行PID伺服解算；

[0023] 7)驱动输出：更新两路DAC输出控制电压，PWM功放单元板根据控制电压调整PWM占空比，驱动外框力矩电机(21)转子和内框力矩电机(22)转子输出调节后的反向扭矩。

[0024] 有益效果：

[0025] (1)采用光纤陀螺惯性测量单元直接安装于稳定结构的平台上，测量结果无需内外框坐标系转换，消除了机械加工和装配带来的误差；在使用过程中即使出现挠性或者热形变，该结构也可以自动消除其带来的稳定误差。

[0026] (2)采用直驱力矩电机，取消了传动齿轮系，从而避免了齿轮回差带来的系统误差，提高了控制的精度和响应速度。

[0027] (3)控制系统采用DSP和单片机双CPU控制，由于单片机分担了处理的工作，大幅提高了系统的可靠性和稳定性，同时扩展了系统的功能。

附图说明

[0028] 图1为机械结构示意图

[0029] 图2为控制系统原理框图

[0030] 图3为控制系统流程图

[0031] 图4为双环PID控制系统原理图

[0032] 图5为电平桥接原理图

具体实施方式

[0033] 下面结合附图对本发明做更进一步的解释。如图1所示，一种直驱光纤陀螺稳定平台结构，包括光纤陀螺惯性测量单元3和一组光栅旋转编码器4；包括外框11、内框平台12、中框13、外框力矩电机21和内框力矩电机22；其中中框13为横滚框，内框平台12为俯仰框；

[0034] 外框力矩电机21安装在外框11上，内框平台12安装在中框13内侧；

[0035] 中框13与外框力矩电机21转子固定，中框13随外框力矩电机21转子转动；内框平台12与内框力矩电机22转子固定，内框平台12随内框力矩电机22转子转动；

[0036] 外框力矩电机21和内框力矩电机22的中轴线垂直且位于同一水平面；外框11、内框平台12和中框13初始状态下位置水平；

[0037] 光纤陀螺惯性测量单元3安置在内框平台12上；一个光栅旋转编码器4穿过外框11，与外框力矩电机21转子同轴，位于外框力矩电机21相对的外框11的另一侧；另一个光栅旋转编码器4穿过中框平台13，与内框力矩电机22转子同轴，位于内框力矩电机22相对的中框13的另一侧。

[0038] 如图2所示，一种直驱光纤陀螺稳定平台的控制方法，包括上位机、传感器模块、控制模块、接口模块和执行输出模块；

[0039] 上位机通过接口模块对系统发布指令；传感器模块的输出端连接接口模块的输入端，接口模块与控制模块互联；所述控制模块的输出端连接执行输出模块的输入端；所述输出模块输出端连接外框力矩电机21和内框力矩电机22；

[0040] 控制模块包括32位的DSP和8位的单片机，本实例选用32位的一片TMS320F28335位浮点DSP和一片8位的C8051F340单片机。常规运动控制系统中，单一的DSP芯片完成所有的通讯、解算、控制、输出、监控等功能。这种结构导致DSP的工作负荷重，对上位机的通讯响应可能会影响伺服系统的实时性，在极端负荷条件下可能导致系统崩溃，从而使稳定平台倾覆。本控制方法采用DSP和单片机共同控制，DSP用来采集光纤陀螺惯性测量单元3的数据、进行解析、伺服计算、DAC输出接口控制，单片机在伺服过程中可以接受上位机的控制，随时调整控制、滤波参数和系统设置并将其存储到EEPROM中；同时根据用户的设置，单片机还可以实时转发平台的姿态、角速率和跟踪精度等信息，DSP只用来进行伺服控制，从而降低了控制软件的复杂性，保证了伺服的实时性，提高了系统的可靠性。

[0041] 传感器模块包括光纤陀螺惯性测量单元3和光栅旋转编码器4；

[0042] 执行输出模块包括：16位的DAC和PWM功放单元；

[0043] 接口模块包括隔离RS422和RS232通讯接口。

[0044] 如图3所示，该方法具体包括如下步骤：

[0045] 步骤1)控制模块初始化：系统上电后，控制模块进行初始化；

[0046] 1.1)DSP芯片初始化：DSP内部资源，如时钟、IO、UART和I2C等信号初始化；

[0047] 1.2)单片机初始化：读取EEPROM(带电可擦写可编程只读存储器)中的控制参数和系统设置；

[0048] 步骤2)装订参数：DSP以SPI总线读取单片机中的控制、滤波参数，并将其装订到系统变量结构体中；

[0049] 步骤3)等待串口接收中断：设定中断向量表，使能串口中断，使能DSP串口缓冲区接收中断；

[0050] 步骤4)数据解析：程序等待与光纤陀螺惯性测量单元3相连的串口接收中断，当接收缓冲区积累到与光纤陀螺惯性测量单元3数据协议相同的字节数后，程序开始协议解析，并计算循环校验码；

[0051] 5)检测：传感器模块通过光纤陀螺惯性测量单元3检测内框平台12的姿态角以及角速率的变化；

[0052] 6)PID算法：当步骤5)中比对结果判定即时位置与当地水平位置存在姿态角偏差或偏离角速率时，利用光纤陀螺惯性测量单元传来的姿态与陀螺速率采用双闭环控制，进行PID伺服解算；

[0053] 7)驱动输出：更新两路DAC输出控制电压，PWM功放单元板根据控制电压调整PWM占空比，驱动外框力矩电机(21)转子和内框力矩电机(22)转子输出调节后的反向扭矩。

[0054] 具体举例，被稳定物体与光纤陀螺惯性测量单元3共同安装在内框平台12的平台上，当传感器模块检测到光纤陀螺惯性测量单元3相对水平位置产生偏转，偏转信号通过接口模块输入传输至控制模块，控制模块经过上述步骤1)—5)的相关计算，控制执行输出模块的DAC对外框力矩电机21转子和内框力矩电机22转子进行调节，以修正所产生横向和纵向的偏转，达到控制稳定平台平稳的目的。

[0055] 如图4所示为步骤五所述双闭环PID控制系统的原理图，由光纤陀螺惯性测量单元3输出的姿态和陀螺输出的角速率作为反馈量，对系统进行闭环控制，同时兼顾了控制精度和平台稳定刚度。当光纤陀螺惯性测量单元3检测到光纤陀螺惯性测量单元3所在平台偏离姿态角或偏离角速率时，经过解算处理模块处理，控制器给出模拟控制电压，驱动器根据控制电压输出功率放大的PWM信号驱动电机给出反向扭矩，纠正台体向减小姿态误差和角速率的方向运动。

[0056] 其中，DSP需经电平转换后对输出模块进行控制，如图5所示的本方法中的电平桥接示意图，该电平转换芯片本实例中选用74ALVC164245，将DSP的IO端口3.3V TTL电平转换为5V TTL电平。

[0057] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。