CN112414402A - 一种高精度稳定平台系统、控制方法、设备、介质及终端 - Google Patents
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Abstract
本发明属于惯性导航、重力测量、控制策略、信号处理等技术领域，公开了一种高精度稳定平台系统、控制方法、设备、介质及终端，将重力仪和光纤陀螺捷联测姿系统固联、采用角位置‑角速度双环PID控制策略进行姿态控制、光纤陀螺捷联测姿系统将重力仪的运动特征通过422口上传给上位机FPGA控制器、FPGA控制器通过双环PID控制策略，直接输出模拟电压DAC，输出的控制电压经过放大器放大，转化成PWM电流信号驱动俯仰轴和横滚轴上的力矩电机，控制平台追踪当地地理水平面。本发明实现了平台追踪水平面的快速响应能力、可靠性、和控制精度。同时，本发明对载体的线运动进行实时检测，可用于对重力仪的垂向测量值进行补偿。
Description
技术领域
本发明属于惯性导航、重力测量、控制策略、信号处理等技术领域，尤其涉及一种高精度稳定平台系统、控制方法、设备、介质及终端。
背景技术
目前，重力测量一直以来是大地测量的重要研究方向，完整、精确的地球表面的重力场信息可为水下导航、资源开采、地质勘探等提供重要的数据支持。对远洋或丘陵地带的重力勘探也是重要的工作内容，而要对其进行测量，需将重力仪置于飞机、舰艇之内，随之而来就面临载体的运动对重力的高精度测量带来干扰的问题。基于此，2011年，中科院与导航工程系合作，成功申请了国家重大科学仪器专项“海洋/航空重力仪”项目，旨在研制一种能够应用于航空和航海领域，测量精度为0.1毫伽保持能力为10天的重力仪。为实现重力仪的测量精度，需要为其提供一个在10天内姿态精度保持为1角分的稳定平台，目前这种高精度长航时的稳定平台国内还未见报道。本发明以此为背景，为了提高动基座下重力仪对当地重力的测量精度，考虑为其设计一个高精度稳定平台系统，使重力仪在机载、舰载、艇载环境下能够隔离载体运动，始终工作在稳定的垂向方向，借以提高重力仪的测量精度。
稳定平台系统是航空、航天、舰船、导弹系统工程中重要设备，能够隔离载体扰动，利用陀螺特性将平台台体姿态稳定在参考坐标系的精密机电装置。依照组成和功能的差异有不同划分方式。按照陀螺稳定平台被稳定的轴数，可分为单轴、双轴、三轴、全姿态(四轴)稳定平台；按照陀螺的种类划分，常见的有机械式陀螺稳定平台、光纤陀螺稳定平台、微机电陀螺稳定平台等。早期的稳定平台多采用挠性陀螺，目前主流的、精度较高的是光纤陀螺稳定平台；按照工作原理和系统组成的不同，陀螺稳定平台还可以划分为主动式和被动式稳定平台。
近年来，陀螺稳定平台得到了快速发展，在国外，陀螺稳定平台已广泛应用于车载、舰载、机载、弹载等设备，对稳定平台的研究最早可追溯到20世纪40年代末，为了减少车体震动对行进射击的影响，在坦克上开始安装火炮单项稳定器，该稳定器能在车体不断震动的情况下，将火炮和并列机枪稳定在所需的射角上。进入60年代后，为进一步提高坦克火炮的射击精度，包括高低向和方位向的双向稳定器开始进入人们的视野，80年代末，随着惯性传感器的发展，惯性技术产生一次新的飞跃。在英美等国的先进武器系统中，基于微惯性传感器的稳定跟踪平台已得到广泛应用，如美国的M1坦克、法国“勒克莱尔”坦克、英国“标枪”导弹海上发射平台等，都采用了不同类型的稳定跟踪平台。美国Honeywell公司以红外传感器平台为应用背景，研制了以GG1320环形激光陀螺为基础的惯性姿态控制装置，较好的满足了稳瞄跟踪系统的要求，在导弹导引方面，俄罗斯的X-29T、美国的“幼畜”AGM-65、以色列的“突眼”等成像制导导引引头中，都采用了陀螺稳定跟踪平台，稳定平台在机载光-电火控系统和机载光电侦查平台等机载设备中也得到了广泛的应用，美国、以色列、CONTROP精密技术公司研制的ESP-600C型无人机载光电侦查平台采用双轴平台，其方位转动范围360°×N，俯仰-10°～+10°、最大角速度50°/s、最大角加速度60°/s2，其稳定精度达到35μrad；MSSP-3型海事观察平台主要用于海事巡逻飞机和巡逻船，采用四框架陀螺稳定系统，带有高分辨率前视红外相机，高性能CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)相机和激光测距仪。又如，以色列IAI公司研制的MOSP(Multi-mission Optronic StabilizedPayload)系列多用途光电稳定平台，可以用在无人机侦查机昼夜光电侦查、直升机或固定翼飞机昼夜观察和激光测距、海事侦查等场合。该平台采用的四框架二轴稳定结构形式，方位转动范围360°×N，俯仰+15°～－110°、最大角速度30°/s、视轴稳定精度为25μrad(0.6角分)。这两种稳定平台代表了二框架结构和四框架二轴机构形式稳定平台的国际先进水平。
国内对稳定平台的研究起步较晚，20世纪80年代开始对瞄准线稳定系统进行研制，90年代初开始研制机载稳定伺服平台。经过二十多年的积累，我国稳定伺服平台产品已从最初的引进仿制逐步走向自主研发阶段。北京618厂研制的光电稳定装置的稳定精度可达100μrad(2.16角分)，长春光机所研制的用于民用737飞机的四框架两轴陀螺稳定装置的稳定精度达到80μrad(1.7角分)，除了以上研究机构外，中科院成都光电所、华中光电技术研究所、昆明物理研究所、清华大学、北京航空航天大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学和南京理工大学等单位也开展了稳定跟踪平台、红外成像制导装置和天线稳定装置等方面的研究工作，并取得了一系列的成果。现有技术提供一种海狮(Sea Vision)3R型舰载红外、可见光陀螺稳定平台，为近期展出的天眼/海狮系列机载光电观测吊舱系统。该吊舱内置陀螺系统和红外热成像仪/可见光摄像机，能安装在不同的空中平台如固定翼飞机、直升机或无人机上，用于航空摄影、土地监测、空中巡逻、灾难评估、人员搜救和低强度空中作战等多种用途。
由上可知，现有技术稳定平台系统的稳定精度和国外相比还具有一定差距，稳定精度控制在1角分以内在国内还未见报道。因此，在稳定平台研究方面，需要设计一种使平台具备高精度、良好动态性能的机械结构与控制方法。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术稳定平台系统的稳定精度和国外相比还有一定差距。
10天内稳定精度控制在1角分以内在国内还未见报道。
现有技术只做了不到9小时的实验。
本发明在现有技术的基础上增加了减震系统，使用了漂移精度优于0.01°/h的光纤陀螺捷联惯导系统作为平台姿态传感器，同时使用在高速信号处理方面性能更加的优异FPGA控制器，得到了比现有技术更好的实验效果。
解决以上问题及缺陷的难度为：
一个高精度的稳定平台系统需要精密的平台设计、合理的控制策略、高精度的陀螺，以及信号处理。
解决以上问题及缺陷的意义为：
该高精度稳定平台系统，提高了国内现有技术水平，可支持航空、航海等领域长时间高精度的重力测量需求。
现有技术只做了不到9小时的实验，而本发明保持稳定精度的实验时间接近10天。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高精度稳定平台系统、控制方法、设备、介质及终端，尤其涉及一种基于陀螺角速率和姿态位置双闭环结构的高精度稳定平台系统及其控制方法。
本发明是这样实现的，一种高精度稳定平台系统，所述高精度稳定平台系统由惯性测量系统、控制系统、供电系统、减震系统组成；
惯性测量系统：惯性测量系统通过光纤陀螺对重力仪的姿态进行实时高精度测量，同时采集陀螺的输出，敏感重力仪相对于惯性空间的角运动信息。
控制系统：控制系统接受光纤陀螺测姿系统得到的重力仪运动特征，通过FPGA控制器控制力矩电机，从而进行姿态控制，使平台始终追踪当地地理水平面。
供电系统：本系统使用AC220V供电，通过变压器调节满足不同模块的电压要求。
减震系统：减震系统通过在稳定平台下方安装减震器，可以隔离基座的高频振动带来的有害扰动。
所述高精度稳定平台系统包括：重力仪、光纤陀螺捷联测姿系统、力矩电机、多极旋转变压器和减震器；
所述高精度稳定平台系统在平台台体上方安装有下方重力仪，在平台下方固定安装有光纤陀螺捷联测姿系统，在俯仰、横滚水平环架上安装有力矩电机，在平台的各水平轴上安装有测量平台台体姿态角的多极旋转变压器；所述高精度稳定平台系统下方安装减震器，用于隔离基座的高频振动带来的有害扰动；
所述重力仪和光纤陀螺捷联测姿系统固联，通过光纤陀螺惯性定姿系统对重力仪的姿态进行实时高精度测量，同时采集陀螺的输出，敏感重力仪相对于惯性空间的角运动信息，采用角位置-角速度双环PID控制策略进行姿态控制，使平台始终追踪当地地理水平面。
进一步，所述双环PID指的是姿态位置环和角速度环，通过位置环PID提高快速性和精度；所述双环PID控制能够同时监测平台的角位置、角速度和角加速度，掌握平台的运动特征。
进一步，所述位置环PID的参数采用切换控制方式，分为大参数控制阶段和小参数调节阶段，设定合理的切换点，大参数位置环使稳定控制平台稳定在预定的角位置，然后通过小参数位置环提高平台的稳定精度。
进一步，所述速度环PID用于提高平台的稳定刚度，使稳定控制平台稳定后具备足够的刚度来隔离载体的突然变速运动。
进一步，所述光纤捷联测姿系统还包括核心敏感器惯性测量单元IMU，用于实现稳定控制策略的控制FPGA。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的高精度稳定平台系统的高精度稳定平台系统的控制方法，所述高精度稳定平台系统的控制方法包括以下步骤：
步骤一：在稳定平台上将重力仪和光纤陀螺捷联测姿系统固联，通电使平台产生确定的姿态变化，通过光纤陀螺惯性定姿系统对重力仪的姿态进行实时高精度测量，同时采集陀螺的输出，敏感重力仪相对于惯性空间的角运动信息；
步骤二：光纤陀螺捷联测姿系统将重力仪的运动特征通过422口上传给上位机FPGA控制器；其中，所述运动特征包括姿态信息，角速度和线运动信息；
步骤三：FPGA控制器接收捷联测姿系统得到的重力仪运动特征，使用角位置-角速度双环PID控制策略进行姿态控制，直接输出模拟电压DAC，输出的控制电压经过放大器放大，转化成PWM电流信号驱动俯仰轴和横滚轴上的力矩电机，进而控制平台追踪当地地理水平面；同时稳定平台下方安装的减震系统可以隔离基座的高频振动带来的有害扰动，使控制平台更加快速稳定的跟踪当地地理水平面。
进一步，所述高精度稳定平台系统的控制方法还包括对控制系统进行建模，包括：
力矩电机在输入的控制电压作用下输出转动力矩，旋转体在此力矩作用下克服摩擦力矩开始转动，其转动角速度和角加速度符合动力学模型。同时，IMU实时反馈平台的角度和角速度，控制计算机实时计算控制误差以改变控制电压。
忽略电机反电势电压的影响，直流力矩电机的传递函数可以表示为：
式中，Md为直流力矩电机的输出扭矩，Cm为力矩电机力矩常数，La为电机电枢电感，Ra为电机电枢电阻，Uc为加在电枢两端的电压。
本系统中电枢电感La远小于电枢电阻Ra。因此，力矩电机模型可以简化为：
电机轴上的力矩平衡方程可以表示为：
式中，M为电机轴上的输入力矩，Mf为电机轴上的摩擦力矩，J为旋转体的转动惯量，ω为旋转体的旋转角速率。
上式可以同样表示为：
式中，f为电机轴上的粘滞阻力系数。
因此，旋转体的传递函数可以表示为：
进一步，单轴控制回路由速度环(内环)和位置环(外环)组成。位置环控制器和速度环控制器都采用PID算法，控制系统须实现高速率的数据通信以及高频率的伺服更新。
已知系统力矩电机及旋转体参数如下：
电机力矩常数：Cm＝3.292N·m/A；
电枢电阻：Ra＝2.65Ω；
旋转体转动惯量：J＝1.185kg·m2；
粘滞阻力系数：f＝0.00004。
于是，可得直流力矩电机的传递函数和旋转体的传递函数分别为：
进一步，所述控制系统数学模型中，平台稳定基准θd与IMU输出角度θ作差得到控制位置环的控制误差e1(t)，位置环控制器输出u1(t)与速度环输出v(t)作差得到速度换的控制误差e2(t)，速度环控制器输出u2(t)控制被控对象，速度环输出v(t)经积分环节得到位置环的输出θ。
由控制系统数学模型可以得到，被控对象的传递函数为：
式中，KU-I为放大器的放大倍数。
另外，由于平台台体上的重力传感器和光纤IMU是精密仪器，为了保证其长时间正常工作，必须避免仪器控制过程中对重力传感器和IMU的过大冲击。这就需要避免平台控制过程中的急转、急停，同时避免控制过程中的过大冲击有利于延长力矩电机的使用寿命。
判断：若当θd＞1°，控制系统中PID选取小参数，也就是扶平参数，使得系统从大的不水平角缓慢的的追踪当地水平面；当误差角θd≤1°，控制系统中PID切换为稳定参数控制，使得系统具有满意的控制精度和控制刚度。
限幅电压：±5V；
电压电流转换U-I；
假设电压电流转换为线性关系，又已知电机的峰值堵转电流为12A，则电压电流转换系数KU-I＝2.4A/V。
由ia产生的电机输出扭矩为：
Mm(s)＝kmia(s)；
式中，km为电机的扭矩系数，即电机的电流-力矩系数。根据给定参数，得：
km＝39.5N·m/12A＝3.292N·m/A；
电机轴上的转矩平衡方程为：
Mm(s)＝J1sω+f1ω；
式中，J1是电动机和负载折合到电动机轴上的转动惯量，f1是电动机和负载折合到电动机轴上的粘滞系数。
单轴控制系统的开环传递函数为：
若I1＝0，则系统为I型；若I1≠0，则系统为II型。
进一步，所述控制系统的主要参数指标如下：
(1)要求惯导解算数据输出频率为1KHz，最高输出波特率为1843200bit/s。
(2)FPGA伺服控制频率为1KHz。
(3)FPGA实现控制算法。它将IMU的姿态角和角速率作为控制回路的输入信号，经过控制回路的运算，输出控制电压，其中AD芯片采用16位AD5752。
(4)功率放大器的作用主要是将控制电压进行放大，并转换成PWM信号。转换得到的PWM信号直接控制力矩电机。
本发明的另一目的在于提供一种车载、舰载、机载、弹载设备，所述车载、舰载、机载、弹载设备搭载所述高精度稳定平台系统。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述的高精度稳定平台系统的控制方法。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述的高精度稳定平台系统的控制方法。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的任意一项所述的高精度稳定平台系统的控制方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的高精度稳定平台系统，基于重力仪所搭载的飞机、舰船、潜艇的工作特征，为了提高重力仪的测量精度，将所有可能的干扰进行隔离，通过减震器隔离中、高频振动，当平台遇到急转、急停等大冲击情况时能够保持相对稳定的状态；通过角位置-角速度双环PID实现对稳定平台的姿态控制，使其始终追踪当地地理水平面；采用光纤陀螺角速率和惯导姿态的双闭环结构，具备长时间保持高精度、良好动态性能的稳定平台装置。
本发明将重力仪和光纤陀螺捷联测姿系统固联，通过光纤陀螺惯性定姿系统对重力仪的姿态进行实时高精度测量，同时采集陀螺的输出，敏感重力仪相对于惯性空间的角运动信息，采用角位置-角速度双环PID策略进行快速、高精度、高刚度的稳定控制，使平台始终追踪当地地理水平面。该双环PID控制使得控制策略更加合理，该方法能够同时监测平台的角位置、角速度和角加速度，比较全面的掌握平台的运动特征，实现平台追踪水平面的快速响应能力、可靠性、和控制精度。
本发明提供的稳定平台涉及光纤惯导系统的初始对准，导航解算，误差补偿，稳定平台的锁定和跟踪地平面的快速有效的控制策略。能够有效隔离载体角运动，为某些在动态性环境下测量效果不佳的高精度测量设备提供必要相对稳定的工作环境。角位置-角速度双环PID其特点在于能够全面的掌握并利用重力仪的运动特征，不仅能够保证精度还使得平台的内环具有必要的刚度，同时安装减震基座，这样能够较好的隔离高频扰动、冲击扰动、大机动扰动的影响，使得重力仪始终垂向高精度稳定；同时对载体的线运动进行实时检测，可用于对重力仪的垂向测量值进行补偿。
本发明能够全面的掌握重力仪的运动特征：姿态信息、角速度信息、角加速度信息、线加速度信息，高频振动频率和隔离效果、冲击隔离效果、大机动隔离效果；通过位置环PID提高快速性和精度。位置环PID的参数采用切换控制方式，分为大参数控制阶段和小参数调节阶段，设定合理的切换点，大参数位置环使稳定控制平台能够快速稳定在预定的角位置，然后通过小参数位置环提高平台的稳定精度；而速度环PID的作用提高平台的稳定刚度，使稳定控制平台稳定后具备足够的刚度来隔离载体的突然变速运动。
对比的技术效果或者实验效果。包括：
实验结果如图5、图6所示，该稳定平台可以在10天内保持姿态精度为1角分以内。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的控制方案框图。
图2是本发明实施例提供的单轴控制回路结构示意图。
图3是本发明实施例提供的控制系统数学模型示意图。
图4是本发明实施例提供的直流力矩电机等效电路图。
图5是本发明实施例提供的稳定控制时的惯导俯仰角位置输出示意图。
图6是本发明实施例提供的稳定控制时的惯导横滚角位置输出示意图。
图7是本发明实施例提供的高精度稳定平台系统的控制方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高精度稳定平台系统及其控制方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明实施例提供的高精度稳定平台系统由惯性测量系统、控制系统、供电系统组成；所述高精度稳定平台系统包括：重力仪、光纤陀螺捷联测姿系统、力矩电机、多极旋转变压器和减震器。
本发明实施例提供的高精度稳定平台系统在平台台体上方安装有下方重力仪，在平台下方固定安装有光纤陀螺捷联测姿系统，在俯仰、横滚水平环架上安装有力矩电机，在平台的各水平轴上安装有测量平台台体姿态角的多极旋转变压器；所述高精度稳定平台系统下方安装减震器，用于隔离基座的高频振动带来的有害扰动。
本发明实施例提供的重力仪和光纤陀螺捷联测姿系统固联，通过光纤陀螺惯性定姿系统对重力仪的姿态进行实时高精度测量，同时采集陀螺的输出，敏感重力仪相对于惯性空间的角运动信息，采用角位置-角速度双环PID控制策略进行姿态控制，使平台始终追踪当地地理水平面。
发明实施例提供的高精度稳定平台系统的控制方法(如图7)包括以下步骤：
S101，将重力仪和光纤陀螺捷联测姿系统固联，通过光纤陀螺惯性定姿系统对重力仪的姿态进行实时高精度测量，同时采集陀螺的输出，敏感重力仪相对于惯性空间的角运动信息；
S102，采用角位置-角速度双环PID控制策略进行姿态控制，使平台始终追踪当地地理水平面；通过所述高精度稳定平台系统下方安装的减震器，隔离基座的高频振动带来的有害扰动；
S103，数据通信：光纤陀螺捷联测姿系统将重力仪的运动特征通过422口上传给上位机FPGA控制器；其中，所述运动特征包括姿态信息，角速度和线运动信息；
S104，控制策略：FPGA控制器通过双环PID控制策略，直接输出模拟电压DAC，输出的控制电压经过放大器放大，转化成PWM电流信号驱动俯仰轴和横滚轴上的力矩电机，进而控制平台追踪当地地理水平面。
下面结合实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该方案将重力仪和光纤陀螺捷联测姿系统固联，通过光纤陀螺惯性定姿系统对重力仪的姿态进行实时高精度测量，同时采集陀螺的输出，敏感重力仪相对于惯性空间的角运动信息，采用角位置-角速度双环PID控制策略进行姿态控制，使平台始终追踪当地地理水平面。
双环PID指的是姿态位置环和角速度环，通过位置环PID提高快速性和精度。
位置环PID的参数采用切换控制方式，分为大参数控制阶段和小参数调节阶段，设定合理的切换点，大参数位置环使稳定控制平台能够快速稳定在预定的角位置，然后通过小参数位置环提高平台的稳定精度。
速度环PID的作用提高平台的稳定刚度，使稳定控制平台稳定后具备足够的刚度来隔离载体的突然变速运动。
双环PID控制使得控制策略更加合理，该方法能够同时监测平台的角位置、角速度和角加速度，比较全面的掌握平台的运动特征，实现平台追踪水平面的快速响应能力、可靠性、和控制精度。
本方案的整体框图如图1所示，其中包括光纤捷联测姿系统的核心敏感器惯性测量单元(IMU)；实现稳定控制策略的控制FPGA。
实施例2
本系统采用的是两轴两框架结构，内外框架分别由独立的控制回路进行控制，互不影响，互不干扰。两个框架的控制回路基本相同，包括运动控制器、功率放大器、直流力矩电机和负载等。
本发明提供一种隔离载体运动，为重力仪提供稳定垂向测量环境的手段，它包括如下步骤：
第一步：机械加工，陀螺稳定平台系统在平台台体上方安装有下方重力仪，在平台下方固定安装有光纤捷联定姿系统，在俯仰、横滚水平环架上安装有力矩电机，在平台的各水平轴上安装有测量平台台体姿态角的多极旋转变压器等。整个系统主要由惯性测量系统、控制系统、供电系统等组成。
第二步：稳定平台下方安装减震器，主要用于隔离基座的高频振动带来的有害扰动。
第三步：由于重力仪与光纤捷联测姿系统固联，光纤捷联测姿系统实时给出重力仪的运动特征，主要包括姿态信息，角速度和线运动信息。
第三步：数据通信
光纤捷联测姿系统将重力仪的运动特征(姿态信息，角速度和线运动信息)通过422口上传给上位机FPGA控制器。
第四步：控制策略
FPGA控制器通过双环PID控制策略，直接输出模拟电压DAC，输出的控制电压经过放大器放大，转化成PWM电流信号驱动俯仰轴和横滚轴上的力矩电机，进而控制平台追踪当地地理水平面。
根据控制系统的工作原理，对其进行控制系统建模。力矩电机在输入的控制电压作用下输出转动力矩，旋转体在此力矩作用下克服摩擦力矩开始转动，其转动角速度和角加速度符合动力学模型。同时，IMU实时反馈平台的角度和角速度，控制计算机实时计算控制误差以改变控制电压。
忽略电机反电势电压的影响，直流力矩电机的传递函数可以表示为：
式中，Md为直流力矩电机的输出扭矩，Cm为力矩电机力矩常数，La为电机电枢电感，Ra为电机电枢电阻，Uc为加在电枢两端的电压。
本系统中电枢电感La远小于电枢电阻Ra。因此，力矩电机模型可以简化为：
电机轴上的力矩平衡方程可以表示为：
式中，M为电机轴上的输入力矩，Mf为电机轴上的摩擦力矩，J为旋转体的转动惯量，ω为旋转体的旋转角速率。
上式可以同样表示为：
式中，f为电机轴上的粘滞阻力系数。
因此，旋转体的传递函数可以表示为：
为了保证控制精度和稳定刚度，考虑采用位置-速度双环控制，下面以单轴稳定系统为例，控制回路的结构如图3所示。
如图2所示，单轴控制回路由速度环(内环)和位置环(外环组成)。位置环控制器和速度环控制器都采用PID算法。为了使平台能够保持高度水平，IMU输出角速度信息一方面经过一次积分转化为角度信息θimu反馈给角位置外环控制器，一方面将角速度信息ω反馈给角速度内环控制器，同时控制系统必须实现高速率的数据通信以及高频率的伺服更新。
已知系统力矩电机及旋转体参数如下：
电机力矩常数：Cm＝3.292N·m/A；
电枢电阻：Ra＝2.65Ω；
旋转体转动惯量：J＝1.185kg·m2；
粘滞阻力系数：f＝0.00004。
于是，可得直流力矩电机的传递函数和旋转体的传递函数分别为：
因此控制精度和刚度是本系统的两大重要指标，采用位置环和速度环的双环控制。以俯仰通道为例，控制系统数学模型如图4所示。
如图3所示，平台稳定基准θd与速度环输出v(t)经过一次积分得到的角度θ作差得到控制位置环的控制误差e1(t)，位置环控制器输出u1(t)与速度环输出v(t)作差得到速度环的控制误差e2(t)，速度环控制器输出u2(t)控制被控对象，速度环输出v(t)经积分环节得到位置环的输出θ。
由控制系统数学模型可以得到，被控对象的传递函数为：
式中，KU-I为放大器的放大倍数。
另外，由于平台台体上的重力传感器和光纤IMU是精密仪器，为了保证其长时间正常工作，必须避免仪器控制过程中对重力传感器和IMU的过大冲击。这就需要避免平台控制过程中的急转、急停，同时避免控制过程中的过大冲击有利于延长力矩电机的使用寿命。在系统中，设置扶平过程，扶平过程的控制模型与工作状态控制模型一致。
判断：若当θd＞1°，控制系统中PID选取小参数，也就是扶平参数，使得系统从大的不水平角缓慢的的追踪当地水平面；当误差角θd≤1°，控制系统中PID切换为稳定参数控制，使得系统具有满意的控制精度和控制刚度。
限幅电压：±5V
电压电流转换U-I
假设电压电流转换为线性关系，又已知电机的峰值堵转电流为12A，则电压电流转换系数KU-I＝2.4A/V。
直流力矩电机等效电路图如图4所示。
由ia产生的电机输出扭矩为：
Mm(s)＝kmia(s) (9)
式中，km为电机的扭矩系数，即电机的电流-力矩系数。根据给定参数，得：
km＝39.5N·m/12A＝3.292N·m/A (10)
电机轴上的转矩平衡方程为：
Mm(s)＝J1sω+f1ω (11)
式中，J1是电动机和负载折合到电动机轴上的转动惯量，f1是电动机和负载折合到电动机轴上的粘滞系数。
单轴控制系统的开环传递函数为：
若I1＝0，则系统为I型；若I1≠0，则系统为II型。
现已经进入系统调试阶段，将稳定平台实物置于摇摆台上，考核动态摇摆时，姿态控制的精度。图5和图6分别稳定平台俯仰方向和横滚方向的控制效果图。
控制系统的主要参数指标如下：
(1)要求惯导解算数据输出频率为1KHz，最高输出波特率为1843200bit/s。
(2)FPGA伺服控制频率为1KHz。
(3)FPGA实现控制算法。它将IMU的姿态角和角速率作为控制回路的输入信号，经过控制回路的运算，输出控制电压，其中AD芯片采用16位AD5752。
(4)功率放大器的作用主要是将控制电压进行放大，并转换成PWM信号。转换得到的PWM信号直接控制力矩电机。本系统使用的功率放大器是以MSK4205H为核心的放大模块，由相关人员自主研制，这里中不做详细说明。
下面结合工作原理对本发明作进一步描述。
本发明工作时，控制FPGA接收到IMU的综控口数据，判断与零位的偏差，根据角位置-角速度双环PID控制，输出模拟量控制电压，模拟量电压经过放大器控制对应的力矩电机对平台进行控制，IMU固联于平台之上，实时敏感平台真实姿态，然后将姿态信息传输给控制FPGA形成闭环控制，以保证平台始终保持水平；另有一监控FPGA同时接收IMU提供的载体姿态(综控口数据)以对稳定平台进行可靠性检测，当系统处于稳定控制模式时，姿态角输出超过1度，则监控FPGA向功放板切断功放使能控制，另外监控FPGA采集旋变信息，当旋变角位置超过20度时，同样切断功放板的使能控制，以提高稳定平台安全性和可靠性。
基于本方案的设计，本发明在实验室开展稳定平台测试实验，实验结果如图5、图6所示，该稳定平台可以在10天内保持姿态精度为1角分以内。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高精度稳定平台系统的控制方法，其特征在于，所述高精度稳定平台系统的控制方法包括：
在稳定平台上将重力仪和光纤陀螺捷联测姿系统固联，通电使平台产生确定的姿态变化，通过光纤陀螺惯性定姿系统对重力仪的姿态进行实时高精度测量，同时采集陀螺的输出，敏感重力仪相对于惯性空间的角运动信息；
光纤陀螺捷联测姿系统将重力仪的运动特征通过接口上传给上位机FPGA控制器；其中，所述运动特征包括姿态信息，角速度和线运动信息；
FPGA控制器接收捷联测姿系统得到的重力仪运动特征，使用角位置-角速度双环PID控制策略进行姿态控制，直接输出模拟电压DAC，输出的控制电压经过放大器放大，转化成PWM电流信号驱动俯仰轴和横滚轴上的力矩电机，进而控制平台追踪当地地理水平面；同时稳定平台下方安装的减震系统可以隔离基座的高频振动带来的有害扰动，使控制平台更加快速稳定的跟踪当地地理水平面。
2.如权利要求1所述的高精度稳定平台系统的控制方法，其特征在于，所述高精度稳定平台系统的控制方法还包括：
力矩电机在输入的控制电压作用下输出转动力矩，旋转体在此力矩作用下克服摩擦力矩开始转动，其转动角速度和角加速度符合动力学模型；同时，IMU实时反馈平台的角度和角速度，控制计算机实时计算控制误差以改变控制电压；
忽略电机反电势电压的影响，直流力矩电机的传递函数表示为：
式中，Md为直流力矩电机的输出扭矩，Cm为力矩电机力矩常数，La为电机电枢电感，Ra为电机电枢电阻，Uc为加在电枢两端的电压；
电枢电感La远小于电枢电阻Ra；力矩电机模型简化为：
电机轴上的力矩平衡方程表示为：
式中，M为电机轴上的输入力矩，Mf为电机轴上的摩擦力矩，J为旋转体的转动惯量，ω为旋转体的旋转角速率；
上式同样表示为：
式中，f为电机轴上的粘滞阻力系数；
旋转体的传递函数表示为：
3.如权利要求1所述的高精度稳定平台系统的控制方法，其特征在于，所述FPGA控制器包括单轴控制回路，所述单轴控制回路由速度环和位置环组成；位置环控制器和速度环控制器均采用PID算法；IMU输出角速度信息一方面经过一次积分转化为角度信息θimu反馈给角位置外环控制器，另一方面将角速度信息ω反馈给角速度内环控制器，同时控制系统实现高速率的数据通信以及高频率的伺服更新；
已知系统力矩电机及旋转体参数如下：
电机力矩常数：Cm＝3.292N·m/A；
电枢电阻：Ra＝2.65Ω；
旋转体转动惯量：J＝1.185kg·m2；
粘滞阻力系数：f＝0.00004；
于是，得直流力矩电机的传递函数和旋转体的传递函数分别为：
4.如权利要求3所述的高精度稳定平台系统的控制方法，其特征在于，所述所述FPGA控制器中，平台稳定基准θd与IMU输出角度θ作差得到控制位置环的控制误差e1(t)，位置环控制器输出u1(t)与速度环输出v(t)作差得到速度换的控制误差e2(t)，速度环控制器输出u2(t)控制被控对象，速度环输出v(t)经积分环节得到位置环的输出θ；
由所述FPGA控制器制系统的数学模型得到，被控对象的传递函数为：
式中，KU-I为放大器的放大倍数；
另外，由于平台台体上的重力传感器和光纤IMU是精密仪器，须避免仪器控制过程中对重力传感器和IMU的过大冲击，这就需要避免平台控制过程中的急转、急停；
判断：若当θd＞1°，控制系统中PID选取小参数，也就是扶平参数，使得系统从大的不水平角缓慢的的追踪当地水平面；当误差角θd≤1°，控制系统中PID切换为稳定参数控制，使得系统具有满意的控制精度和控制刚度；
限幅电压：±5V；
电压电流转换U-I；
假设电压电流转换为线性关系，又已知电机的峰值堵转电流为12A，则电压电流转换系数KU-I＝2.4A/V；
由ia产生的电机输出扭矩为：
Mm(s)＝kmia(s)；
式中，km为电机的扭矩系数，即电机的电流-力矩系数；根据给定参数，得：
km＝39.5N·m/12A＝3.292N·m/A；
电机轴上的转矩平衡方程为：
Mm(s)＝J1sω+f1ω；
式中，J1是电动机和负载折合到电动机轴上的转动惯量，f1是电动机和负载折合到电动机轴上的粘滞系数；
所述FPGA控制器的开环传递函数为：
若I1＝0，则系统为I型；若I1≠0，则系统为II型；
所述FPGA控制器参数指标如下：
(1)要求惯导解算数据输出频率为1KHz，最高输出波特率为1843200bit/s；
(2)FPGA伺服控制频率为1KHz；
(3)FPGA实现控制算法；将IMU的姿态角和角速率作为控制回路的输入信号，经过控制回路的运算，输出控制电压，其中AD芯片采用16位AD5752；
(4)功率放大器将控制电压进行放大，并转换成PWM信号；转换得到的PWM信号直接控制力矩电机。
5.一种高精度稳定平台系统，其特征在于，所述高精度稳定平台系统包括：
惯性测量系统：惯性测量系统通过光纤陀螺对重力仪的姿态进行实时高精度测量，同时采集陀螺的输出，敏感重力仪相对于惯性空间的角运动信息；
控制系统：控制系统接受光纤陀螺测姿系统得到的重力仪运动特征，通过FPGA控制器控制力矩电机，从而进行姿态控制，使平台始终追踪当地地理水平面；
供电系统：使用AC220V供电，通过变压器调节满足不同模块的电压要求。
减震系统：减震系统通过在稳定平台下方安装减震器，用于隔离基座的高频振动带来的有害扰动。
6.如权利要求5所述的高精度稳定平台系统，其特征在于，所述高精度稳定平台系统进一步包括：重力仪、光纤陀螺捷联测姿系统、力矩电机、多极旋转变压器和减震器；
在平台台体上方安装有重力仪，在平台下方固定安装有光纤陀螺捷联测姿系统，在俯仰、横滚水平环架上安装有力矩电机，在平台的各水平轴上安装有测量平台台体姿态角的多极旋转变压器；所述高精度稳定平台系统下方安装减震器，用于隔离基座的高频振动带来的有害扰动；
所述重力仪和光纤陀螺捷联测姿系统固联，通过光纤陀螺惯性定姿系统对重力仪的姿态进行实时高精度测量，同时采集陀螺的输出，敏感重力仪相对于惯性空间的角运动信息，采用角位置-角速度双环PID控制策略进行姿态控制，使平台始终追踪当地地理水平面；
所述双环PID指的是姿态位置环和角速度环，通过位置环PID提高快速性和精度；所述双环PID控制能够同时监测平台的角位置、角速度和角加速度，掌握平台的运动特征；
所述位置环PID的参数采用切换控制方式，分为大参数控制阶段和小参数调节阶段，设定合理的切换点，大参数位置环使稳定控制平台稳定在预定的角位置，然后通过小参数位置环提高平台的稳定精度；
所述速度环PID用于提高平台的稳定刚度，使稳定控制平台稳定后具备足够的刚度来隔离载体的突然变速运动；
所述光纤捷联测姿系统还包括核心敏感器惯性测量单元IMU，用于实现稳定控制策略的控制FPGA。
7.一种车载、舰载、机载、弹载设备，其特征在于，所述车载、舰载、机载、弹载设备搭载权利要5-6任意一项所述高精度稳定平台系统。
8.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1～4任意一项所述的高精度稳定平台系统的控制方法。
9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1～4任意一项所述的高精度稳定平台系统的控制方法。
10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现权利要求1～4任意一项所述的任意一项所述的高精度稳定平台系统的控制方法。
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