CN102436262A - 高精度大负载航空遥感三轴惯性稳定平台控制系统及方法 - Google Patents

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CN102436262A CN2011102867421A CN201110286742A CN102436262A CN 102436262 A CN102436262 A CN 102436262A CN 2011102867421 A CN2011102867421 A CN 2011102867421A CN 201110286742 A CN201110286742 A CN 201110286742A CN 102436262 A CN102436262 A CN 102436262A
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Abstract

一种高精度大负载航空遥感三轴惯性稳定平台控制系统及方法，包括：DSP控制单元、PWM功率驱动单元、接口电路、信号采集单元、惯性器件及编码器、直流力矩电机。该系统通过信号采集单元获取各框架相对于惯性空间的姿态角和角速率、线圈电流、框架之间的相对转角，并通过接口电路送入到DSP内部寄存器供读取，DSP将其作为信号输入，通过三环路(电流环、速率环及位置环)复合控制算法生成PWM控制量，PWM信号经功率驱动单元送入到H桥直流电机换能电路，驱动直流力矩电机跟随参考指令的变化，从而实现此惯性稳定平台的主动控制。本发明提高了系统控制精度和带载能力，完善了控制算法，提高了平台工作模式的多样性与智能化。

Description

高精度大负载航空遥感三轴惯性稳定平台控制系统及方法
技术领域
本发明涉及一种高精度大负载航空遥感三轴惯性稳定平台控制系统及控制方法，属于高分辨率航空对地观测系统领域，可用于承载比大、稳定精度要求高的三轴惯性稳定平台的独立、自主控制，特别适合于轻高分辨率航空遥感惯性稳定平台。
背景技术
惯性稳定平台是实现高分辨率对地观测的必要设备，它可以有效隔离飞行平台的扰动及非理想姿态运动，使观测载荷视轴指向和航向始终保持惯性空间稳定。目前，国外代表性产品为瑞士Leica公司的PAV30和PAV80，而国内相关研究刚刚起步，无成熟产品。
现有的航空遥感三轴惯性稳定平台控制系统仅仅处于实验阶段，专利“一种轻量化快响应航空遥感惯性稳定平台控制系统”(201110155357.3)，填补了这方面的空白，但是存在以下三方面不足之处。第一，控制方案采用双环路从属控制，无电流环控制，不能克服电源电压、负载波动对系统造成的影响以及电流过大的问题，同时电机控制转矩脉动较大而且无法进行抑制；第二，系统控制精度较低，无法满足实际航测的需要，同时带载能力差，无法应用于大负载场合；第三，控制单元采用DSP+FPGA方案，而FPGA仅仅用于编码器信号采集和PWM信号生成，不但增加了成本、功耗，同时FPGA需要占用DSP宝贵的总线资源，不利于控制算法执行的实时性与快速性，而且对FPGA来说也是资源的浪费；第四，现有的工作模式仍然不够完善，在实际应用中还有很多不便性，首先它没有手动模式，不能解决任意手控的问题，其次组合模式下航向姿态设定值仍然需要上位机频繁发送指令，既繁琐又不利于实际操作。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种高精度大负载航空遥感三轴惯性稳定平台控制系统及控制方法，达到具有高精度、大负载能力并提高了实际操作的便捷性。
本发明的技术解决方案为：一种高精度大负载航空遥感三轴惯性稳定平台控制系统：
惯性器件及编码器包括：速率陀螺、编码器、加速度计及POS；速率陀螺与陀螺信号采集电路相连，输出电压信号，用于测量框架相对于惯性空间的角速率；编码器与编码器信号采集电路相连，输出差分形式的二进制代码，用于测量框架之间的相对转角；加速度计与加计信号采集电路相连，输出电流信号，用于测量框架相对于地理水平系的转角；POS与POS信号采集电路相连，输出串行二进制代码，用于测量框架相对于惯性空间的姿态角；
信号采集单元：包括陀螺信号采集电路、编码器信号采集电路、加计信号采集电路以及POS信号采集电路；其中，陀螺信号采集电路用于采集速率陀螺输出的电压信号，首先将电压信号进行放大，再经过V/I转换，输出到接口电路的I/V转换电路III；编码器信号采集电路用于采集编码器输出的二进制差分信号，首先将差分信号转化为单路信号，再经过高速光耦隔离，输出到接口电路的数据选择电路；加计信号采集电路用于采集加速度计输出的电流信号，首先将电流信号进行放大，再经过RC滤波，输出到接口电路的I/V转换电路I；POS信号采集电路将POS输出的串行二进制数据经过高速光耦隔离、TVS浪涌防护输出到接口电路的RS232电平转换电路；
接口电路：包括I/V转换电路I、I/V转换电路II、I/V转换电路III、数据选择电路、模数转换电路、RS232电平转换电路以及电平转换芯片I。其中，I/V转换电路I输入为加计信号采集电路，将加计电流信号转化为电压信号，并叠加偏置电压，输出到模数转换电路；I/V转换电路II输入为V/I转换电路，将线圈电流信号转化为电压信号，并叠加偏置电压，输出到DSP控制单元的内部ADC寄存器，供DSP读取；I/V转换电路III输入为陀螺信号采集电路，将陀螺电流信号转化为电压信号，并叠加偏置电压，输出到DSP控制单元的内部ADC寄存器，供DSP读取；数据选择电路输入为编码器信号采集电路，进行编码器通道的选择以及时钟、数据信号的传输，输出到电平转换芯片I；模数转换电路输入为I/V转换电路I，将电压信号转化为数字量，输出到电平转换芯片I；RS232电平转换电路输入为POS信号采集电路，将232电平信号转化为TTL电平信号，输出到DSP控制单元的内部UART寄存器，供DSP读取；电平转换芯片I输入为数据选择电路、模数转换电路，将5V电压转换为3.3V电压，输出到DSP控制单元的内部寄存器；
DSP控制单元：通过内部寄存器读取各传感器数据；执行控制算法；生成PWM信号控制电机动作；所述DSP控制单元包括DSP和控制算法；所述控制算法实现自主模式、手动模式与组合模式三种工作模式，所述三个模式由三相开关进行手动选择；
在自主模式下，横滚框和俯仰框保持惯性稳定，方位框无控制；控制方式为三环控制，即位置环、速率环、电流环；横滚框和俯仰框的控制如下：首先DSP读取MCBSP寄存器中寄存的实时采集到的加速度计的信息，将其与姿态设定值作差，通过PID控制器生成速率设定值，完成位置闭环；然后将速率设定值与ADC寄存器中寄存的实时采集到的速率陀螺信息进行作差，通过PID控制器生成电流设定值，完成速率闭环；然后将电流设定值与ADC寄存器中寄存的电流传感器实时采集到的电机电流信息作差，通过PID控制器生成PWM控制量，完成电流闭环；PWM信号输出到PWM功率驱动单元驱动电机动作，无需换向控制；
在手动模式下，横滚框和俯仰框在手动按钮控制下以指定速率旋转，方位框无控制；DSP通过监测横滚框和俯仰框的正转和反转四个手动按钮对这两框进行独立控制；控制方式为双环控制，即速率环和电流环；横滚框或俯仰框控制如下：首先DSP将转速率设定值与ADC寄存器中寄存的实时采集到的速率陀螺信息进行作差，通过PID控制器生成电流设定值，完成速率闭环；然后将电流设定值与ADC寄存器中寄存的电流传感器实时采集到的电机电流信息作差，通过PID控制器生成PWM控制量，完成电流闭环；PWM信号输出到PWM功率驱动单元横滚或俯仰驱动电机以指定速率旋转，无需换向控制；
在组合模式下，横滚框、俯仰框和方位框依据姿态设定值都保持惯性稳定状态，控制方式为三环控制，即位置环、速率环、电流环；对于横滚框或俯仰框控制分别为：首先DSP读取UART寄存器中寄存的实时采集到的POS横滚或俯仰姿态信息，将其与姿态设定值作差，通过PID控制器生成速率设定值，完成位置闭环；然后将速率设定值与ADC寄存器中寄存的速率陀螺信息进行作差，通过PID控制器生成电流设定值，完成速率闭环；然后将电流设定值与ADC寄存器中寄存的电流传感器实时采集到的电机电流信息作差，通过PID控制器生成PWM控制量，完成电流闭环；PWM信号输出到PWM功率驱动单元驱动横滚电机或俯仰电机动作，无需换向控制；对于方位框，姿态的设定值并不恒定，需要根据航迹进行自主设定，然后再进行三环控制，控制为：首先DSP将定时寄存器寄存的自主设定的方位姿态的设定值与UART寄存器中寄存的POS反馈得到的方位姿态值作差，通过PID控制器生成速率设定值，完成位置闭环；然后将速率设定值与ADC寄存器中寄存的实时采集的速率陀螺信息进行作差，通过PID控制器生成电流设定值，完成速率闭环；然后将电流设定值与ADC寄存器中寄存的电流传感器实时采集到的电机电流信息作差，通过PID控制器生成PWM控制量，完成电流闭环；PWM信号输出到PWM功率驱动单元驱动方位电机动作，无需换向控制。
所述方位框的姿态根据航迹进行自主设定过程如下：首先DSP读取UART寄存器中寄存的POS经纬度以及方位姿态信息，将经纬度信息与航摄区经纬度信息进行匹配判断是否进入摄区，如果不匹配，则将方位姿态的设定值设定为当前飞机机头姿态方向或者飞机飞行速度方向，如果匹配，则将方位姿态的设定值设定为航线姿态方向，其中，航线姿态方向根据航迹事先设定，而飞机机头方向和飞行速度方向实时在线获取；DSP通过内部定时器功能来完成上述方位姿态设定过程，此后根据方位姿态设定值便可以进行三环控制。
一种高精度大负载航空遥感三轴惯性稳定平台控制方法，所述控制方法有自主模式、手动模式与组合模式三种工作模式，所述三个模式由三相开关进行手动选择；在控制方式上采用三环路复合控制，即：位置环、速率环及电流环；最外环为位置环，在自主模式下采用加速度计作为位置反馈元件；在手动模式下无位置环；在组合模式下采用POS作为位置反馈元件；中间环为速率环，采用速率陀螺作为速率反馈元件；最内环为电流环，采用电流传感器作为电流反馈元件；
具体控制如下：
在自主模式下，横滚框和俯仰框保持惯性稳定，方位框无控制，横滚框或俯仰框控制过程为：首先DSP通过外扩模数转换电路采集加速度计信息，将其与姿态设定值作差，通过PID控制器生成速率设定值，完成位置闭环；然后将速率设定值与陀螺信号采集电路及接口电路实时采集到的速率陀螺信息进行作差，通过PID控制器生成电流设定值，完成速率闭环；然后将电流设定值与电流传感器实时采集到的电机电流信息作差，通过PID控制器生成PWM控制量，完成电流闭环；PWM信号输出到PWM功率驱动单元(3)驱动横滚或俯仰电机动作，无需换向控制；
在手动模式下，横滚框和俯仰框在手动按钮控制下以指定速率旋转，方位框无控制；通过监测横滚框和俯仰框的正转和反转四个手动按钮对这两框进行独立控制，首先DSP将转速率设定值与陀螺信号采集电路及接口电路实时采集到的速率陀螺信息进行作差，通过PID控制器生成电流设定值，完成速率闭环；然后将电流设定值与电流传感器实时采集到的电机电流信息作差，通过PID控制器生成PWM控制量，完成电流闭环；PWM信号输出到PWM功率驱动单元驱动横滚或俯仰电机以指定速率旋转，无需换向控制；
在组合模式下，横滚框、俯仰框和方位框依据姿态设定值都保持惯性稳定状态，对于横滚框和俯仰框，姿态设定值均为恒定值，首先DSP通过RS232电平转换电路采集POS横滚或俯仰姿态信息，将其与姿态设定值作差，通过PID控制器生成速率设定值，完成位置闭环；然后将速率设定值与陀螺信号采集电路及接口电路实时采集到的速率陀螺信息进行作差，通过PID控制器生成电流设定值，完成速率闭环；然后将电流设定值与电流传感器实时采集到的电机电流信息作差，通过PID控制器生成PWM控制量，完成电流闭环；PWM信号输出到PWM功率驱动单元驱动横滚电机或俯仰电机动作，无需换向控制；对于方位框，姿态设定值并不恒定，而是需要根据航迹进行自主设定，然后再进行三环控制，实现为：首先DSP将该方位姿态设定值与POS反馈得到的方位姿态值作差，通过PID控制器生成速率设定值，完成位置闭环；然后将速率设定值与陀螺信号采集电路以及接口电路实时采集到的速率陀螺信息进行作差，通过PID控制器生成电流设定值，完成速率闭环；然后将电流设定值与电流传感器实时采集到的电机电流信息作差，通过PID控制器生成PWM控制量，完成电流闭环；PWM信号输出到PWM功率驱动单元驱动方位电机动作，无需换向控制。
本发明的工作原理：本发明旨在实现三轴惯性稳定平台水平方向(横滚、俯仰两个方向)始终保持对地垂直指向，航向能够跟踪指令变化保持方位不变。控制算法实现自主模式、手动模式与组合模式三种工作模式，所述三个模式由三相开关进行手动选择。本发明控制方式采用三环路(电流环、速率环、位置环)复合控制方案，如图2所示为基于DSP的单框架三环复合控制算法框图，控制器仅采用DSP方案而摒弃DSP+FPGA方案，以节约成本降低功耗。其中，位置环以POS或者加速度计为负反馈，速率环以速率陀螺为负反馈，电流环以电流传感器为负反馈。本发明正是通过DSP实现了这三个环路并完善控制算法，完成了控制系统高精度、大负载能力并提高了实际操作的便捷性。下面针对这三个环路进行详细介绍。
位置环：本发明通过DSP内部定时器功能实现了姿态的自主设定，完善了系统工作模式：手动模式、自主模式和组合模式。根据图1所示，手动模式无位置环。组合工作模式下，POS测量出的框架姿态角信息经过采集单元转化为TTL电平读入到DSP内部UART寄存器，DSP将姿态设定值与其作差，经过位置补偿器算法生成速率设定值，完成位置闭环。同样，独立工作模式下，加计信号经过采集单元输出到I/V转换电路，经过高精度模数转换化模拟量为数字量，再经过电平转换芯片化5V为3.3V电压，输出到DSP内部MCBSP寄存器，DSP将姿态设定值与其作差，再经过位置补偿器算法生成速率设定值，完成位置闭环。
速率环：速率陀螺采用精度较高的光纤速率陀螺VGA941而摒弃精度较低的MEMS速率陀螺，它可以快速敏感框架角速率，根据图1所示，其角速率信息经过采集单元化电压信号为电流信号，加强了信号平滑性和抗干扰能力，再经过I/V转换后输出到DSP内部ADC寄存器，DSP将速率设定值与其作差，经过速率补偿器算法后生成电流设定值，完成速率闭环。速率环提高了系统的响应速度和抗外界干扰能力，对控制精度的提高有很大作用。
电流环：本发明采用电流环作为最内环，可以抑制电源电压、负载波动对系统造成的影响以及可以对电流进行限幅，同时提高电机转矩线性度并抑制其脉动，进一步提高系统控制精度；在大力矩电机的配合下，电流环控制可以提高力矩刚度和带载能力。根据图1所示，电流传感器测量出电机线圈电流信息经过V/I转换后输出到I/V转换电路，供DSP内部ADC寄存器读取，DSP将电流设定值与其作差，经过电流补偿器算法后生成PWM控制量，完成电流闭环。PWM信号经过电平转换芯片输出到PWM功率驱动单元，经过高速光耦隔离、逻辑取反、MOSFET功率驱动、H全桥换能电路后，输出到直流力矩电机两端，控制电机带动稳定平台旋转。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用三环路复合控制方案，即位置环、速率环与电流环，位置环采用加速度计或者POS作为反馈元件，速率环采用速率陀螺作为反馈元件，电流环采用电流传感器作为反馈元件。其中，电流环为最内环，以电机线圈电流信号为负反馈，将电源电压、负载波动等因素全部包含在电流环内，从而抑制其对系统的影响；同时，通过给电流设定值进行限幅可以解决电流过大的问题；另外，直流力矩电机输出转矩与电机电流成正比，电流环可以实现转矩控制，对转矩的脉动有很好的抑制能力。
(2)本发明提高了系统的控制精度和带载能力。本发明作为速率环路反馈元件，同时增加了陀螺信号采集以及接口电路，加强了信号抗干扰能力，从而提高了速率敏感精度和平滑性，进一步提高了响应速度和控制精度；另外，本发明的电流环提高了转矩控制线性度并加大了系统的力矩刚度，对于系统抗干扰能力和控制精度都有较大提高。同时，本发明采用可输出大力矩的直流力矩电机作为执行元件，在本发明配合下可以适当发挥出最大能力，所以带载能力有较大幅度提高。
(3)本发明具有三种工作模式，增加了手动模式，可以在不影响系统正常工作情况下，实现平台各框架的手动控制；因为航测过程中，经常需要人为的转动载荷到相应位置，所以必须给平台增加手控功能，可以实现三轴姿态的任意手动控制。同时，本发明实现了组合模式下无需航向姿态指令可自主设定的功能，便于实际操作的便捷性。因为航测时间很短，来不及接收指令，而且飞机上人为操作有限，所以必须自主完成姿态跟踪任务。
(4)本发明采用一片DSP即实现了传感器数据采集、控制算法执行与PWM信号生成，节约成本(FPGA以及外围电路较昂贵)，降低功耗(FPGA功耗较大)。而且本发明控制系统通过DSP集成的寄存器中断功能来完成各子程序的执行，通过中断优先级寄存器进行排序，保证各任务互不干扰并实现时钟同步，程序执行过程充分占用总线资源，空闲时仍处于系统监测状态，保证系统运行的实时性与快速性。
附图说明
图1为本发明控制系统结构框图；
图2为本发明的单框架三环复合控制算法框图；
图3为本发明方法的工作模式实现框图；
图4为本发明的组合模式方位姿态设定值自主设定流程图；
图5为本发明的陀螺信号采集电路图；
图6为本发明的编码器信号采集电路图；
图7为本发明的加计信号采集电路图；
图8为本发明的POS信号采集电路图；
图9为本发明的I/V转换电路图；
图10为本发明的数据选择电路图；
图11为本发明的高精度模数转换电路图；
图12为本发明的RS232电平转换电路图；
图13为本发明的电流传感器和V/I转换电路图；
图14为本发明的PWM功率驱动单元电路图；
图15为本发明的DSP芯片以及外围电路图；
图16为本发明的软件系统主循环流程图；
图17为本发明的软件系统定时器中断流程图；
图18为本发明的软件系统SPI中断流程图。
具体实施方式
如图1所示为本发明的控制系统结构框图，主要由DSP控制单元1、PWM功率驱动单元3、接口电路20、信号采集单元15、惯性器件及编码器10等组成。
其中，DSP选择TI公司浮点型芯片TMS320F28335，它具备32位浮点处理单元、150MHZ的高速数据处理能力、多达18路的PWM输出、12位16通道ADC等特性，该系统利用28335丰富的寄存器资源，与接口电路相连读取各传感器数据并生成PWM控制量驱动电机动作。在PWM功率驱动单元3中PWM控制量经过高速光耦隔离4、逻辑取反5送入到功率驱动单元6以提高输出功率，作为H桥电机换能电路7的MOSFET栅极信号实现全桥换能控制。
如图1所示，电流传感器8测量出电机线圈电流，连至V/I转换电路9，输出电流信号到接口电路20的I/V转换电路2，化电流为电压信号，并叠加偏置电压输出到DSP控制单元1的内部ADC寄存器，作为控制算法中电流环闭环负反馈值。速率陀螺11测量出框架角速率，输出到信号采集单元15的陀螺信号采集电路16，经过电压放大、V/I转换后输出到接口电路20的I/V转换电路III，化电流信号为电压信号，并叠加偏置电压输出到DSP控制单元1的内部ADC寄存器，作为控制算法中速率闭环负反馈值。编码器12测量出框架相对转角，输出到信号采集单元15的编码器信号采集电路17，经过差分信号转单路信号，输出到接口电路20的数据选择电路24，进行3路编码器的分时选通，连至电平转换芯片1，化5V电压为3.3V，输出到DSP控制单元1的内部SPI寄存器，以供读取。加速度计13测量出框架相对水平系转角，输出到信号采集单元15的加计信号采集电路18，经过电流放大，滤波，输出到接口电路20的I/V转换电路1，进行电流转电压，并连至模数转换电路25，化模型量为数字量，然后连至电平转换芯片I，化5V电压为3.3V，最后输出到DSP控制单元1的内部MCBSP寄存器，作为控制算法中独立工作模式下位置闭环负反馈值。POS14测量出框架姿态角，输出到信号采集单元15的POS信号采集电路19，经过高速光耦隔离、TVS浪涌防护，输出到接口电路20的RS232电平转换电路26，将232电平转化为TTL电平，输出到DSP控制单元1的内部UART寄存器，作为控制算法中组合工作模式下位置闭环负反馈值。
如图2所示，本发明的DSP控制单元1：完成以下三方面任务：通过内部寄存器读取各传感器数据；执行控制算法；生成PWM信号控制电机动作；这些都由DSP独立完成，无需FPGA的参与。
读取各传感器数据：DSP通过内部ADC寄存器完成电机线圈电流的高速采样，电流传感器8串联在电机两端，输出正比于线圈电流的电压信号，通过V/I转换9化电压为电流信号进行传输，再通过I/V转换II22连接到DSP的ADC输入引脚，供DSP读取；DSP通过内部SPI寄存器与数据选择器结合完成三路编码器信号的高速分时采样，无需FPGA参与，指令发送与数据接收一体化进行，保证了时钟的同步；编码器12通过信号采集电路17输出至数据选择器24，并通过电平转换芯片I 27连接到DSP的SPI寄存器，供DSP读取；DSP并不直接利用内部ADC寄存器读取加速度计数据，而是外扩位数更高的模数转换芯片来完成加计数据的高精准采样；加速度计13通过信号采集电路18输出至I/V转换电路I 21与模数转换电路25相连，再通过电平转换芯片I 27连接到DSP的MCBSP寄存器，供DSP读取。
如图3所示，DSP在控制算法上实现了以下工作模式：自主模式、手动模式与组合模式，这三个模式由三相开关进行手动选择，状态1为自主模式，状态2为手动模式，状态3为组合模式；在控制方式上采用三环路复合控制(如图2所示)，即：位置环、速率环及电流环。最外环为位置环，在自主模式下采用加速度计13作为位置反馈元件，在手动模式下无位置环，在组合模式下采用POS14作为位置反馈元件；中间环为速率环，采用速率陀螺11作为速率反馈元件；最内环为电流环，采用电流传感器8作为电流反馈元件；
如图3所示，在自主模式下，横滚框和俯仰框保持惯性稳定，方位框无控制，具体实现方式为三环控制，即位置环、速率环、电流环。图3以横滚框为例进行说明，横滚框姿态设定值为0，首先DSP通过外扩模数转换电路25采集横滚的加速度计13信息，将其与0值作差，通过PID控制器生成速率设定值，完成位置闭环；然后将速率设定值与陀螺信号采集电路16及接口电路20实时采集到的横滚的速率陀螺11信息进行作差，通过PID控制器生成电流设定值，完成速率闭环；然后将电流设定值与电流传感器8实时采集到的电机电流信息作差，通过PID控制器生成PWM控制量，完成电流闭环；PWM信号输出到PWM功率驱动单元3驱动横滚电机动作，无需换向控制。同理，俯仰框也是上述同样的控制。
在手动模式下，横滚框和俯仰框在手动按钮控制下以指定速率旋转，方位框无控制。DSP通过监测四个手动按钮对这两框进行独立控制，具体实现方式为双环控制，即速率环和电流环，图3以横滚框正转为例进行说明。首先DSP将横滚框正转速率设定值与陀螺信号采集电路(16)及接口电路20实时采集到的速率陀螺11信息进行作差，通过PID控制器生成电流设定值，完成速率闭环；然后将电流设定值与电流传感器8实时采集到的电机电流信息作差，通过PID控制器生成PWM控制量，完成电流闭环；PWM信号输出到PWM功率驱动单元3驱动横滚电机以指定速率旋转，无需换向控制；
在组合模式下，横滚框、俯仰框和方位框依据姿态设定值都保持惯性稳定状态，具体实现方式为三环控制，即位置环、速率环、电流环。对于横滚框和俯仰框，姿态设定值均为0，首先DSP通过RS232电平转换电路26采集POS14横滚和俯仰姿态信息，将其与0值作差，通过PID控制器生成速率设定值，完成位置闭环；然后将速率设定值与陀螺信号采集电路16及接口电路20实时采集到的速率陀螺11信息进行作差，通过PID控制器生成电流设定值，完成速率闭环；然后将电流设定值与电流传感器8实时采集到的电机电流信息作差，通过PID控制器生成PWM控制量，完成电流闭环；PWM信号输出到PWM功率驱动单元3驱动横滚电机和俯仰电机动作，无需换向控制。对于方位框，姿态设定值并不恒定，而是需要根据航迹进行自主设定，如图4所示。首先DSP通过RS232电平转换电路26采集POS14经纬度以及方位姿态信息，将经纬度信息与航摄区经纬度信息进行匹配判断是否进入摄区，如果不匹配，则将方位姿态设定值设定为当前飞机机头姿态方向或者飞机飞行速度方向，如果匹配，则将方位姿态设定值设定为航线姿态方向，其中，航线姿态方向根据航迹事先设定，而飞机机头方向和飞行速度方向实时在线获取；DSP通过内部定时器功能来完成上述方位姿态设定过程，此后根据方位姿态设定值便可以进行三环控制。如图3所示，首先DSP将该方位姿态设定值与POS14反馈得到的方位姿态值作差，通过PID控制器生成速率设定值，完成位置闭环；然后将速率设定值与陀螺信号采集电路16以及接口电路20实时采集到的速率陀螺11信息进行作差，通过PID控制器生成电流设定值，完成速率闭环；然后将电流设定值与电流传感器8实时采集到的电机电流信息作差，通过PID控制器生成PWM控制量，完成电流闭环；PWM信号输出到PWM功率驱动单元3驱动方位电机动作，无需换向控制。
如图5所示为本发明的陀螺信号采集电路16。速率陀螺11采用光纤速率陀螺VGA941，连接方式如图P2所示，输入+5V电源、地，输出电压Gyro_out、Gyro_Return经过AD620差动放大器放大10倍左右，输出端通过电容滤波后进入ADOP07高精密运放进行V/I转换。该采集电路输出端为电流信号Gyro+、Gyro-，连至接口电路的I/V转换电路3。
如图6所示为本发明的编码器信号采集电路17。编码器12采用绝对式光电码盘，连接方式如图P1所示，输入+5V电源、地以及差分时钟信号Encoder_clk+、Encoder_clk-，输出差分数据信号Encoder_data+、Encoder_data-。差分时钟信号与差分数据信号通过图示的MAX490芯片转化为单路的时钟信号与数据信号：Encoder_clk、Encoder_data。同时差分信号之间有120欧姆电阻相连以避免信号串扰。该采集电路输出端为二进制信号Encoder_clk、Encoder_data，分别连至接口电路的电平转换芯片1和数据选择电路24。
如图7所示为本发明的加计信号采集电路18。加速度计13采用石英挠性加速度计JN-06M，连接方式如图P1所示，输入±15V电源、地，输出电流信号Acc_Out。该电流信号输入到OP284组成的电流放大电路放大7倍左右，电容C1、C3用于滤波。该采集电路输出端为电流信号Acc+、Acc-，连至接口电路的I/V转换电路1。
如图8所示为本发明的POS信号采集电路19。POS输出的二进制信息连至图6的POS_DATA端，光耦采用集成芯片HCPL0720，延迟时间仅有40ns，输出端为OPTO_DATA，并力TVS二极管进行浪涌防护。该采集电路输出端为OPTO_DATA，连至接口电路的RS232电平转换电路26。
如图9所示为本发明的I/V转换电路。如图1所示接口电路20包括三组I/V转换电路：I/V转换电路I、I/V转换电路II、I/V转换电路III。它们均采用高精密差动运放AD620进行电流转电压，电流信号经过图中的输入正流入，从输入负流出，经过电阻R2转化为电压信号，放大倍数取决于电阻R1。同时将双向信号通过叠加基准电压转化为单向信号，I/V转换电路1的基准电压为2.048V，I/V转换电路II和I/V转换电路III的基准电压为1.024V。I/V转换电路1输入为加计信号采集电路18，输出连至模数转换电路25；I/V转换电路2输入为V/I转换电路9，输出连至DSP控制单元1的ADC寄存器；I/V转换电路III的输入为陀螺信号采集电路16，输出连至DSP控制单元1的内部ADC寄存器。
如图10所示为本发明的数据选择电路24。数据选择器采用8选1选择器74151，使能端为
Figure BDA0000094182310000141
通过三个控制端S0、S1、S2进行8路信号I0～I7的选通，输出为Z和数据选择电路24的输入为编码器信号采集电路17的Encoder_data引脚，三路编码器信号分别连至74151的I0、I1、I2，输出Encoder_DATAOUT和使能端Encoder_CS#连至电平转换芯片1。电平转换芯片1化5V电压为3.3V，连至DSP控制单元1的内部SPI寄存器。
如图11所示为本发明的模数转换电路25。模数转换器采用16位模数转换芯片ADS8345，它有8路模拟输入：CH0～CH7，串行二进制端有5路信号：SCLK_8345、CS#_8345、DIN_8345、BUSY_8345、DOUT_8345。它的输入为I/V转换电路I输出的电压信号，分别连至ADS8345的CH0～CH3端口，输出连至电平转换芯片I。电平转换芯片I化5V电压为3.3V，连至DSP控制单元1的内部MCBSP寄存器。
如图12所示为本发明的RS232电平转换电路26。采用集成芯片MAX3232进行232电平转TTL电平。它的输入为POS信号采集电路19，连至MAX232的第8引脚，输出为DSP_SCIRXDB，连至DSP控制单元1的内部UART寄存器。
如图13所示为本发明的电流传感器8和V/I转换电路9。电流传感器采用集成霍尔电流传感器ACS712，它具有上升时间快、带宽高、体积小等优势。它的电流输入端I_IN和I_OUT分别连至H桥电机换能电路7的电机输出端。ACS712输出等比于电流的电压值，连至V/I转换电路9进行电压转电流。V/I转换电路采用AD620进行差动放大，放大倍数取决于R13和R14；采用高精密运放ADOP07进行电压转电流，C45用于电容滤波。V/I转换电路输出为M_Current+、M_Current-，连至接口电路20的I/V转换电路II。
如图14所示为本发明的PWM功率驱动单元3。DSP控制单元1通过内部PWM寄存器产生双极性PWM信号，经过电平转换芯片164245后化3.3V电压为5V，输出到该控制电路。经过HCPL0720高速光耦隔离、74HC04逻辑取反、HIP2101功率放大后作为高速开关管MOSFET的栅极驱动信号，从而实现全桥式换能电路的控制。它的输出端连至电机两端，同时串联电流传感器8。
如图15所示为本发明的DSP芯片以及外围电路。它主要包括内部寄存器引脚：PWM寄存器、ADC寄存器、定时器寄存器、SPI寄存器、MCBSP寄存器、UART寄存器；AD输入端口：ADCA0～ADCA7、ADCB0～ADCB7；晶振、JTAG端口：
Figure BDA0000094182310000151
TMS、TDI、TDO、EMU0、EMU1和复位引脚：
Figure BDA0000094182310000152
电源引脚：3.3V、1.8V以及地。
如图16所示为本发明的软件系统主循环流程图。系统上电后，DSP首先进行初始化，初始化结束后进入主循环。没有中断申请时，DSP读取键盘状态，执行键盘指令：有锁紧申请，DSP将相应锁紧标志置位，否则复位标志；DSP根据状态指令确定系统工作模式：手动控制、远程控制、本地调平。有中断申请而且DSP不在执行中断程序时，响应该中断请求；当有中断请求而且DSP正在执行中断程序时，等待中断执行结束，DSP再予以响应。
如图17所示为本发明的软件系统定时器中断流程图。本中断子程序通过1ms定时器和不同的计数值来实现2ms、10ms和100ms的定时功能。DSP初始化结束后，定时器中断使能开启，当1ms定时结束，而且此时DSP不在执行其它中断函数时，进入定时器中断子程序。首先分别给2ms、10ms和100ms计数值增1，然后各自判断定时是否结束，若未结束则下一次进入中断时继续增1判断，若结束则执行相应子程序，并清零相应定时计数值。结束中断前，首先复位中断标志。其中，2ms定时子程序完成码盘数据采样，10ms定时子程序完成加计数据采样和姿态自主设定以实现位置闭环，100ms定时子程序完成数据的发送。
如图18所示为本发明的软件系统SPI中断流程图。本中断子程序用于读取编码器数据。DSP初始化结束后，SPI中断使能开启。如图15所示定时器中断每2ms向编码器发送控制字和时钟信号供编码器进行数据转化，转化顺序为先X轴编码器、后Y轴编码器，再Z轴编码器。当SPI中断标志置位，而且DSP不在执行其它中断函数时，进入SPI中断子程序。首先给中断计数值增1，然后判断该计数值：如果等于1，则开启X轴通道，读取X轴编码器数据，之后复位中断标志，中断结束；如果等于2，则开启Y轴通道，读取Y轴编码器数据，之后复位中断标志，中断结束；如果等于3，则开启Z轴通道，读取Z轴编码器数据，之后清零中断计数值，然后复位中断标志，中断结束。

Claims (3)

1.一种高精度大负载航空遥感三轴惯性稳定平台控制系统，其特征在于包括惯性器件及编码器(10)、信号采集单元(15)、接口电路(20)、DSP控制单元(1)和PWM功率驱动单元(3)，其中：
惯性器件及编码器(10)包括：速率陀螺(11)、编码器(12)、加速度计(13)及POS(14)；速率陀螺(11)与陀螺信号采集电路(16)相连，输出电压信号，用于测量框架相对于惯性空间的角速率；编码器(12)与编码器信号采集电路(17)相连，输出差分形式的二进制代码，用于测量框架之间的相对转角；加速度计(13)与加计信号采集电路(18)相连，输出电流信号，用于测量框架相对于地理水平系的转角；POS(14)与POS信号采集电路(19)相连，输出串行二进制代码，用于测量框架相对于惯性空间的姿态角；
信号采集单元(15)：包括陀螺信号采集电路(16)、编码器信号采集电路(17)、加计信号采集电路(18)、POS信号采集电路(19)及电流传感器(8)；其中，陀螺信号采集电路(16)用于采集速率陀螺(11)输出的电压信号，首先将电压信号进行放大，再经过V/I转换，输出到接口电路(20)的I/V转换电路III(23)；编码器信号采集电路(17)用于采集编码器(12)输出的二进制差分信号，首先将差分信号转化为单路信号，再经过高速光耦隔离，输出到接口电路(20)的数据选择电路(24)；加计信号采集电路(18)用于采集加速度计(13)输出的电流信号，首先将电流信号进行放大，再经过RC滤波，输出到接口电路(20)的I/V转换电路I(21)；POS信号采集电路(19)将POS(14)输出的串行二进制数据经过高速光耦隔离、TVS浪涌防护输出到接口电路(20)的RS232电平转换电路(26)；电流传感器(8)串联在电机两端，输出正比于线圈电流的电压信号，通过V/I转换(9)化电压为电流信号；
接口电路(20)：包括I/V转换电路I(21)、I/V转换电路II(22)、I/V转换电路III(23)、数据选择电路(24)、模数转换电路(25)、RS232电平转换电路(26)及电平转换芯片I(27)；其中，I/V转换电路I(21)将加计信号采集电路(18)输出的加计电流信号转化为电压信号，并叠加偏置电压，输出到模数转换电路(25)，再通过电平转换芯片I(27)连接到DSP控制单元(1)内部的MCBSP寄存器，供DSP读取；I/V转换电路II(22)将V/I转换电路(9)输出的线圈电流信号转化为电压信号，并叠加偏置电压，输出到DSP控制单元(1)的内部ADC寄存器；I/V转换电路III(23)将陀螺信号采集电路(16)输出的陀螺电流信号转化为电压信号，并叠加偏置电压，输出到DSP控制单元(1)的内部ADC寄存器，供DSP读取；数据选择电路(24)根据编码器信号采集电路(17)输出的信号，进行编码器通道的选择及时钟、数据信号的传输，输出到电平转换芯片I(27)；模数转换电路(25)将I/V转换电路I(21)输出的电压信号转化为数字量，输出到电平转换芯片I(27)；RS232电平转换电路(26)将POS信号采集电路(19)输出的232电平信号转化为TTL电平信号，输出到DSP控制单元(1)的内部UART寄存器，供DSP读取；电平转换芯片I(27)将数据选择电路(24)和模数转换电路(25)输出的5V电压转换为3.3V电压，输出到DSP控制单元(1)的内部SPI寄存器；
DSP控制单元(1)：通过内部寄存器读取各传感器数据；执行控制算法；生成PWM信号控制电机动作；所述DSP控制单元(1)包括DSP和控制算法；所述控制算法实现自主模式、手动模式与组合模式三种工作模式，所述三个模式由三相开关进行手动选择；
在自主模式下，横滚框和俯仰框保持惯性稳定，方位框无控制；控制方式为三环控制，即位置环、速率环、电流环；横滚框和俯仰框的控制如下：首先DSP读取MCB SP寄存器中寄存的实时采集到的加速度计(13)的信息，将其与姿态设定值作差，通过PID控制器生成速率设定值，完成位置闭环；然后将速率设定值与ADC寄存器中寄存的实时采集到的速率陀螺(11)信息进行作差，通过PID控制器生成电流设定值，完成速率闭环；然后将电流设定值与ADC寄存器中寄存的电流传感器(8)实时采集到的电机电流信息作差，通过PID控制器生成PWM控制量，完成电流闭环；PWM信号输出到PWM功率驱动单元(3)驱动电机动作，无需换向控制；
在手动模式下，横滚框和俯仰框在手动按钮控制下以指定速率旋转，方位框无控制；DSP通过监测横滚框和俯仰框的正转和反转四个手动按钮对这两框进行独立控制；控制方式为双环控制，即速率环和电流环；横滚框或俯仰框控制如下：首先DSP将转速率设定值与ADC寄存器中寄存的实时采集到的速率陀螺(11)信息进行作差，通过PID控制器生成电流设定值，完成速率闭环；然后将电流设定值与ADC寄存器中寄存的电流传感器(8)实时采集到的电机电流信息作差，通过PID控制器生成PWM控制量，完成电流闭环；PWM信号输出到PWM功率驱动单元(3)横滚或俯仰驱动电机以指定速率旋转，无需换向控制；
在组合模式下，横滚框、俯仰框和方位框依据姿态设定值都保持惯性稳定状态，控制方式为三环控制，即位置环、速率环、电流环；对于横滚框或俯仰框控制分别为：首先DSP读取UART寄存器中寄存的实时采集到的POS(14)横滚或俯仰姿态信息，将其与姿态设定值作差，通过PID控制器生成速率设定值，完成位置闭环；然后将速率设定值与ADC寄存器中寄存的速率陀螺(11)信息进行作差，通过PID控制器生成电流设定值，完成速率闭环；然后将电流设定值与ADC寄存器中寄存的电流传感器(8)实时采集到的电机电流信息作差，通过PID控制器生成PWM控制量，完成电流闭环；PWM信号输出到PWM功率驱动单元(3)驱动横滚电机或俯仰电机动作，无需换向控制；对于方位框，姿态的设定值并不恒定，需要根据航迹进行自主设定，然后再进行三环控制，控制为：首先DSP将定时寄存器寄存的自主设定的方位姿态的设定值与UART寄存器中寄存的POS(14)反馈得到的方位姿态值作差，通过PID控制器生成速率设定值，完成位置闭环；然后将速率设定值与ADC寄存器中寄存的实时采集的速率陀螺(11)信息进行作差，通过PID控制器生成电流设定值，完成速率闭环；然后将电流设定值与ADC寄存器中寄存的电流传感器(8)实时采集到的电机电流信息作差，通过PID控制器生成PWM控制量，完成电流闭环；PWM信号输出到PWM功率驱动单元(3)驱动方位电机动作，无需换向控制。
2.根据权利要求1所述的高精度大负载航空遥感三轴惯性稳定平台控制系统，其特征在于：所述方位框的姿态根据航迹进行自主设定过程如下：首先DSP读取UART寄存器中寄存的POS(14)经纬度以及方位姿态信息，将经纬度信息与航摄区经纬度信息进行匹配判断是否进入摄区，如果不匹配，则将方位姿态的设定值设定为当前飞机机头姿态方向或者飞机飞行速度方向，如果匹配，则将方位姿态的设定值设定为航线姿态方向，其中，航线姿态方向根据航迹事先设定，而飞机机头方向和飞行速度方向实时在线获取；DSP通过内部定时器功能来完成上述方位姿态设定过程，此后根据方位姿态设定值便可以进行三环控制。
3.一种高精度大负载航空遥感三轴惯性稳定平台控制方法，其特征在于：所述控制方法有自主模式、手动模式与组合模式三种工作模式，所述三个模式由三相开关进行手动选择；在控制方式上采用三环路复合控制，即：位置环、速率环及电流环；最外环为位置环，在自主模式下采用加速度计(13)作为位置反馈元件；在手动模式下无位置环；在组合模式下采用POS(14)作为位置反馈元件；中间环为速率环，采用速率陀螺(11)作为速率反馈元件；最内环为电流环，采用电流传感器(8)作为电流反馈元件；
具体控制如下：
在自主模式下，横滚框和俯仰框保持惯性稳定，方位框无控制，横滚框或俯仰框控制过程为：首先DSP通过外扩模数转换电路(25)采集加速度计(13)信息，将其与姿态设定值作差，通过PID控制器生成速率设定值，完成位置闭环；然后将速率设定值与陀螺信号采集电路(16)及接口电路(20)实时采集到的速率陀螺(11)信息进行作差，通过PID控制器生成电流设定值，完成速率闭环；然后将电流设定值与电流传感器(8)实时采集到的电机电流信息作差，通过PID控制器生成PWM控制量，完成电流闭环；PWM信号输出到PWM功率驱动单元(3)驱动横滚或俯仰电机动作，无需换向控制；
在手动模式下，横滚框和俯仰框在手动按钮控制下以指定速率旋转，方位框无控制；通过监测横滚框和俯仰框的正转和反转四个手动按钮对这两框进行独立控制，首先DSP将转速率设定值与陀螺信号采集电路(16)及接口电路(20)实时采集到的速率陀螺(11)信息进行作差，通过PID控制器生成电流设定值，完成速率闭环；然后将电流设定值与电流传感器(8)实时采集到的电机电流信息作差，通过PID控制器生成PWM控制量，完成电流闭环；PWM信号输出到PWM功率驱动单元(3)驱动横滚或俯仰电机以指定速率旋转，无需换向控制；
在组合模式下，横滚框、俯仰框和方位框依据姿态设定值都保持惯性稳定状态，对于横滚框和俯仰框，姿态设定值均为恒定值，首先DSP通过RS232电平转换电路(26)采集POS(14)横滚或俯仰姿态信息，将其与姿态设定值作差，通过PID控制器生成速率设定值，完成位置闭环；然后将速率设定值与陀螺信号采集电路(16)及接口电路(20)实时采集到的速率陀螺(11)信息进行作差，通过PID控制器生成电流设定值，完成速率闭环；然后将电流设定值与电流传感器(8)实时采集到的电机电流信息作差，通过PID控制器生成PWM控制量，完成电流闭环；PWM信号输出到PWM功率驱动单元(3)驱动横滚电机或俯仰电机动作，无需换向控制；对于方位框，姿态设定值并不恒定，而是需要根据航迹进行自主设定，然后再进行三环控制，实现为：首先DSP将该方位姿态设定值与POS(14)反馈得到的方位姿态值作差，通过PID控制器生成速率设定值，完成位置闭环；然后将速率设定值与陀螺信号采集电路(16)以及接口电路(20)实时采集到的速率陀螺(11)信息进行作差，通过PID控制器生成电流设定值，完成速率闭环；然后将电流设定值与电流传感器(8)实时采集到的电机电流信息作差，通过PID控制器生成PWM控制量，完成电流闭环；PWM信号输出到PWM功率驱动单元(3)驱动方位电机动作，无需换向控制。
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