CN102519425A - 单自由度船用激光测距仪稳定平台及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种单自由度船用激光测距仪稳定平台及控制方法。包括机械支架、航姿传感器、伺服驱动控制器、伺服电机、光电编码器和激光测距仪；机械支架包括外支架和内支架，外支架与内支架通过传动轴转动连接；外支架安装在船上，航姿传感器固定在外支架上，伺服电机安装在外支架上并通过传动轴与内支架相连，激光测距仪安装在内支架上，光电编码器与伺服电机同轴安装；航姿传感器实时采集来自船舶的航姿信号并输入伺服驱动控制器，光电编码器实时监测伺服电机转动角度信息反馈给伺服控制驱动器；伺服驱动控制器内置PID调节器，接收航姿传感器的信号和光电编码器的反馈信号，通过PID调节器处理的输出信号，控制驱动电机转动。

Description

单自由度船用激光测距仪稳定平台及控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种稳定平台，更具体地说是一种单自由度船用激光测距仪稳定平台。

背景技术

海上救助是海运业和其他海上活动的派生需要。海运是高风险行业，有海运就有海难，有海难就有海上救助需求。由于海上环境的复杂恶劣，导致船舶事故时有发生，因此，海上救助变得尤为重要。

海上救助中最为重要的就是对失事船只的救援活动。由于受风、浪、流等因素的影响，救生船在水中很难保持与失事船之间的精确定位，只能通过相对动力定位的方法使其定位。相对动力定位技术能使动力定位船在定位点随着风、浪、流等环境的作用下，时刻跟随遇难船改变自己的姿态，以最佳的相对位置靠近遇难船，从而实施救助活动。这就需要能够精确的测量救助船与失事船的距离，为相对动力定位提供可靠的距离信息，以保持救助船与失事船间隔安全的救助距离。

利用激光测距仪实时检测海上失事船舶的方位和距离是有效实施海上救助作业的重要手段之一，但是恶劣海况条件所造成的救助船舶大角度倾斜运动使得测距传感器难以有效地捕捉目标，而长时间目标丢失必然造成救助船舶跟踪失事目标或保持与目标相对定位的失败。

车载摄像机稳定平台(CN101872198A)、航空摄影稳定平台(CN101619971A)、雷达天线稳定平台(CN2204069Y)等专利文件中公開的多为车载和机载稳定平台，多数采用高精度陀螺，电位计等作为测量元件，价格昂贵；所带负载相比激光测距仪都是较大负载，同时还要考虑多自由度的影响，设计结构复杂。

专利申请号为00203193.0的实用新型专利文件中公開了一种用于水面船的激光测距仪稳定平台，虽然此实用新型专利中的技术方案适用于船舶，但是它采用动量矩飞轮的陀螺力矩的效应保持稳定平台的空间稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够通过伺服运动控制补偿船体摇摆对测距效果的影响，很好地隔离船舶运动对激光测距仪的扰动的单自由度船用激光测距仪稳定平台。本发明的目的还在于提供一种基于单自由度船用激光测距仪稳定平台的控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的单自由度船用激光测距仪稳定平台包括机械支架、航姿传感器、伺服驱动控制器、伺服电机、光电编码器和激光测距仪；所述机械支架包括外支架和内支架，外支架与内支架通过传动轴转动连接；外支架安装在船上，航姿传感器固定在外支架上，伺服电机安装在外支架上并通过传动轴与内支架相连，激光测距仪安装在内支架上，光电编码器与伺服电机同轴安装；航姿传感器实时采集来自船舶的航姿信号并输入伺服驱动控制器，光电编码器实时监测伺服电机转动角度信息反馈给伺服控制驱动器；伺服驱动控制器内置PID调节器，接收航姿传感器的信号和光电编码器的反馈信号，通过PID调节器处理的输出信号，控制驱动电机转动，控制激光测距仪补偿船体的干扰角度。

本发明的单自由度船用激光测距仪稳定平台还可以包括：

1、内支架呈U形结构。

2、再U形内支架的U形的底部设置有配重。

3、外支架外侧设置有电机支架，伺服电机通过电机支架安装在外支架上。

4、航姿传感器和光电编码器通过RS232串口与伺服驱动控制器连接。

基于本发明的单自由度船用激光测距仪稳定平台的控制方法为：

(1)系统初始化，包括航姿传感器串口接收数据初始化和伺服驱动控制器串口接收数据初始化两部分；RS232串口初始化是通过串口读取航姿传感器是否正常工作信号，如果返回否，则检查工作情况，重新初始化；伺服驱动控制器初始化包括器工作模式选择、电机正转方向设置、工作电压电流限制，参数设置，如果一切准备就绪则执行下一步；

(2)PID控制，航姿传感器的输入角度信号是模拟信号，首先经过A/D采样转换成数字信号，再通过PID调节器调节输出电机的驱动信号，再经过D/A转换复现模拟的电压控制信号控制伺服电机实现位置控制；同时光电编码器反馈信号反馈给伺服驱动控制器，经比较计算稳定平台是否达到期望的输出位置，若未达到，则PID控制器调节输出，使伺服电机继续转动，直到稳态无误差时一次调节过程结束。

针对现有技术问题，发明提供了一种单自由度船用激光测距仪稳定平台及控制方法，能够通过伺服运动控制补偿船体摇摆对测距效果的影响，很好地隔离船舶运动对激光测距仪的扰动。

本发明的单自由度船用激光测距仪稳定平台，主要包括：稳定平台机械支架、航姿传感器、数字式直流伺服驱动控制器、伺服电机、光电编码器、激光测距仪。稳定平台机械支架主要由外支架，内支架组成，通过轴承相连接，能够实现内支架的单自由度转动运动。输入测量元件--航姿传感器能够实时采集来自船舶的航姿信号。驱动控制器内置PID调节器，接收航姿传感器的输入信号和光电编码器的反馈信号，通过PID调节器处理达成精确控制效果的输出信号，驱动电机转动，控制稳定平台带动激光测距仪补偿船体的干扰角度，保证激光测距仪水平，能够实时跟踪被测目标。

本发明的主要技术特点包括：

1.机械结构

稳定平台机械结构框架主要包括：外支架，轴承，内支架和电机支架。外支架固定在船甲板上，实现与船舶姿态同步的效果，两者相对静止以便航姿传感器采集正确的角度信号。内支架与外框架通过轴承连接，位于外支架内部，通过单自由度的转动运动实现控制补偿作用。内支架设计成为U型结构，首先便于安装激光测距仪，其次是为了使其自然水平时重力方向经过稳定平台的轴垂直向下(如不水平，可添加配重调节)，保证内支架在转动过程中重力矩的影响是使其一直趋于水平稳定的。电机支架位于外支架外侧，用于承载伺服电机。电机轴承与传动轴通过平键同轴相连，传动轴固定在内支架上，使得伺服电机和内支架同轴相连，实现电机驱动内支架和激光测距仪的转动运动，补偿船舶倾角带来的影响。

伺服电机和光电编码器同轴安放在电机支架上，光电编码器反馈量连接驱动控制器反馈接口，激光测距仪通过螺母以坐式安装方式固定在内支架上，通过串口与激光测距仪控制计算机相连接，实现测距数据保存，观测目标等任务。

2.控制系统设计

在工程应用领域中，PID经典控制方法应用广泛，便于实现，并且能够实现稳定平台的位置控制，所以采用经典的PID控制。系统程序设计主要分三部分：

(1)系统初始化。系统初始化包括航姿仪串口接收数据初始化和驱动器串口接收数据初始化两部分。RS232串口初始化是系统通过串口读取航姿传感器是否正常工作信号，如果返回否，则检查工作情况，重新初始化。驱动器初始化包括控制器工作模式选择、电机正转方向设置、工作电压电流限制，参数设置等，如果一切准备就绪则执行下一步。

(2)PID控制。数据输入是通过串口采集航姿传感器的输入角度信号。输入的角度信号是模拟信号，首先经过A/D采样转换成数字信号，再通过调节器调节输出电机的驱动信号，在经过D/A转换复现模拟的电压控制信号，控制伺服电机实现位置控制。同时光电编码器反馈信号反馈给驱动控制器，经系统比较计算稳定平台是否达到期望的输出位置，若未达到，则PID控制器调节输出，使电机继续转动，直到稳态无误差时一次调节过程结束。由于航姿传感器输入的角度是实时采集的信号，所以此调节过程也是实时的。通过此调节器，伺服控制系统实现稳定的位置控制，补偿由于外界海浪所引起的船纵横倾运动对激光测距仪的干扰。

(3)数据显示。调节器工作过程中，系统采集此时的航姿传感器输出入角度和光电编码器的反馈角度，在人机交互界面接口实现实时显示，通过比较观测控制效果。

本发明与现有技术相比的优点：

(1)本发明采用直流力矩电机的驱动方式，有着转速低、力矩大、力矩波动小、机械特性硬度大、线性度好等优点，可以在很低转速，甚至堵转下长期工作，适合于低速伺服控制系统。

(2)本发明采用位置闭环伺服控制系统和经典PID控制。原理简单，应用方便，最重要的是鲁棒性强，采用闭环控制达到了稳定控制的效果。

(3)本发明的负载激光测距仪重量不大，采用航姿传感器输入，力矩电机执行即可满足控制需要，无需配置高精度陀螺等价格昂贵的设备，降低成本。

(4)本发明结构简单，机械结构加工制作简易，稳定精度高，便于批量生产，推广应用。

附图说明

图1激光测距仪稳定平台机械结构图；

图2稳定平台伺服控制系统原理框图；

图3控制流程图；

图4DS3810驱动控制器接口图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述：

结合图1，图1为本发明的机械结构框架图，即本发明的基本形式。稳定平台框架包括：激光测距仪1，电机支架2，直流力矩伺服电机3，轴承座4，锁紧螺母5，垫圈6，轴承7，传动轴8，外支架9，内支架10。

稳定平台的主要结构为内支架10和外支架9，外支架9固定在船甲板上，实现与船舶姿态同步的效果，以便航姿传感器采集正确的角度信号。内支架10实现控制补偿作用。内支架10为U型结构，使其自然水平时重力方向经过稳定平台的轴垂直向下(如不水平，可添加配重调节)，保证内支架10在转动过程中重力矩的影响是使其一直趋于水平稳定。内支架10通过传动轴(即小轴)8、轴承座4、轴承7、垫圈6、锁紧螺母5与外支架9连接形成转动体，以供直流力矩伺服电机3驱动内支架10和激光测距仪1实现转动。直流力矩伺服电机3通过电机支架2安装在外支架9外侧，电机轴承与传动轴8通过平键同轴相连，传动轴8固定在内支架10上，以此实现电机控制稳定平台内支架10转动。轴承座4固定于外支架9，轴承[7]通过垫圈6和锁紧螺母5固定于传动轴8上。

所述的伺服电机]和光电编码器同轴安放在电机支架2上，光电编码器反馈量连接驱动控制器反馈接口，激光测距仪1通过螺母以坐式安装方式固定在内支架10上，激光测距仪额定工作电源24V，通过RS232串口与激光测距仪控制计算机相连接，实现测距数据保存，观测目标等任务。

下面介绍稳定平台伺服控制系统的设计与实现过程，稳定平台伺服控制系统包括：输入元件、驱动控制元件、执行元件、反馈测量元件四部分。

(1)输入元件

方案实施实际过程中，所述的测量元件采用北京七维航测科技发展公司的微型航姿系统MTI-G作为测量船体姿态的测量元件。该系统可以测量物体的三维转动速度、三维加速度以及方向和温度。中央处理单元则负责把数据收集进来，并进行处理，从而得出物体的真实运动姿态。

所述的输入元件航姿传感器和驱动控制器一起固定在稳定平台外支架9上，航姿传感器和驱动控制器同样采用串口RS232方式与伺服控制计算机传输数据，航姿传感器内部集成了陀螺、加速度计、中央处理单元等电路结构，能够直接输出处理后的角度数据。本发明采用航姿传感器采集的航姿信息作为输入信号，进而控制稳定平台的补偿运动。

(2)驱动控制元件

驱动控制器采用铭朗科技的直流伺服驱动控制器DS3810，串口通信协议为：8个数据位，1个停止位，无奇偶校验；波特率：2400、4800、9600、19200bps。它的指令结构是驱动器采用ASCII码指令与上位机通讯。通过DS3810控制器自带的伺服运行控制管理软件，能够产生动态图形来实时监测电机的运行状况。

所述的驱动控制器采用经典PID控制，P参数使系统有一定的开环增益但过大又会影响其闭环稳定性，I参数保证稳态控制实现无差，D参数保证系统动态性能良好。根据PID参数的特点结合实际系统需要完成PID参数整定。

所述的PID参数整定，要通过建立数学模型来实现。力矩电机的数学模型是二阶惯性系统。当干扰力矩为零时，将角速度作为输出量，直流力矩电机的传递函数为：

$G\left(s\right)=\frac{\mathrm{\ω}\left(s\right)}{U\left(s\right)}=\frac{1/C_e}{T_m{T}_e{s}^2+T_{m}s+1}$

所述的二阶惯性系统中T_m＞10T_e，T_e通常在ms级，1/T_e远超过了控制系统的通频带，传递函数可以进一步简化成一阶惯性系统。

所述的激光测距仪稳定平台的控制系统为无差随动系统，根据II型系统对于位置输入是无差随动系统的特性，把稳定平台控制系统校正成II型系统，其期望开环传递函数的形式为：

$G_s\left(s\right)=\frac{K_a(T_{1}s+1)}{s^2(T_{2}s+1)}$

通过伺服控制计算机编写人机交互界面，完成PID参数整定。伺服驱动控制器将输入信号和反馈信号通过PID调节器处理达成精确控制效果的输出信号。

(3)执行元件

所述的执行元件采用110LYX-4稀土永磁直流力矩伺服电机，具有转速低、力矩达、力矩波动小、机械特性硬度大、线性度好等优点，可以在较低转速，甚至堵转下长期工作。

力矩电机主要作用是驱动稳定平台动作，保证电机额定力矩能够轻易带动平台内支架及激光测距仪旋转。力矩电机接受驱动控制器发出的驱动信号，转动相应角度，进行位置伺服控制，实现船舶倾角补偿作用。

(4)反馈测量元件

反馈元件采用1000线增量式光电编码器，位置检测装置在伺服系统中处于反馈通路上，负责将实际位置信息反馈回DS3810驱动控制器的A+、A-、B+、B-四个端口。使得伺服控制器能够根据当前的实际位置计算出适当的控制量，同时可以使控制器掌握电机的实际运转的情况。所述的光电编码器和力矩电机同轴，时刻检测角度变化，反馈给驱动控制器，再经过PID调节器处理输出，构成位置闭环回路控制，提高系统控制精度。

具体实施过程中，将稳定平台和航姿传感器固定在转台上，航姿传感器接通5V稳压电源，驱动控制器接通38V稳压电源，激光测距仪接通24V稳压电源。伺服控制计算机通过串口RS232分别与航姿传感器和驱动控制器连接，激光测距控制计算机与激光测距仪通过串口RS232连接。设置航姿传感器通信波特率9600bps，频率50Hz，驱动控制器通信波特率9600bps，频率100Hz。

使用时，首先启动航姿传感器MTI-G和驱动控制器DS3810电源，运行伺服控制计算机的PID控制算法软件，打开激光测距仪电源，运行激光测距控制软件。转台控制计算机控制转台摇摆，模拟船舶在海上的运动情况。MTI-G采集roll、pitch、yaw实时数据，伺服驱动控制器接收角度输入信号roll和光电编码器的反馈信号，通过PID调节器处理输出驱动信号，驱动直流力矩电机，控制稳定平台内支架带动激光测距仪补偿运动，保持激光测距仪水平。通过PID控制算法软件观测伺服控制效果，激光测距效果软件检测稳定平台补偿效果。实际测试效果表明：本发明单自由度船用激光测距仪稳定平台可以根据航姿仪实时采集的测量姿态控制伺服系统实现稳定位置控制，补偿由于外界海浪所引起的船纵横倾运动对激光测距仪的干扰，这种单自由度补偿方案可以保证激光测距仪实时、稳定地跟踪测量海上目标，不会出现目标丢失的现象。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种单自由度船用激光测距仪稳定平台，包括机械支架、航姿传感器、伺服驱动控制器、伺服电机、光电编码器和激光测距仪；其特征是：所述机械支架包括外支架和内支架，外支架与内支架通过传动轴转动连接；外支架安装在船上，航姿传感器固定在外支架上，伺服电机安装在外支架上并通过传动轴与内支架相连，激光测距仪安装在内支架上，光电编码器与伺服电机同轴安装；航姿传感器实时采集来自船舶的航姿信号并输入伺服驱动控制器，光电编码器实时监测伺服电机转动角度信息反馈给伺服控制驱动器；伺服驱动控制器内置PID调节器，接收航姿传感器的信号和光电编码器的反馈信号，通过PID调节器处理的输出信号，控制驱动电机转动，控制激光测距仪补偿船体的干扰角度。

2.根据权利要求1所述的单自由度船用激光测距仪稳定平台，其特征是：内支架呈U形结构。

3.根据权利要求2所述的单自由度船用激光测距仪稳定平台，其特征是：再U形内支架的U形的底部设置有配重。

4.根据权利要求1、2或3所述的单自由度船用激光测距仪稳定平台，其特征是：外支架外侧设置有电机支架，伺服电机通过电机支架安装在外支架上。

5.根据权利要求1、2或3所述的单自由度船用激光测距仪稳定平台，其特征是：航姿传感器和光电编码器通过RS232串口与伺服驱动控制器连接。

6.根据权利要求4所述的单自由度船用激光测距仪稳定平台，其特征是：航姿传感器和光电编码器通过RS232串口与伺服驱动控制器连接。

7.一种基于权利要求1的单自由度船用激光测距仪稳定平台的控制方法，其特征是：

(1)系统初始化，包括航姿传感器串口接收数据初始化和伺服驱动控制器串口接收数据初始化两部分；RS232串口初始化是通过串口读取航姿传感器是否正常工作信号，如果返回否，则检查工作情况，重新初始化；伺服驱动控制器初始化包括器工作模式选择、电机正转方向设置、工作电压电流限制，参数设置，如果一切准备就绪则执行下一步；

(2)PID控制，航姿传感器的输入角度信号是模拟信号，首先经过A/D采样转换成数字信号，再通过PID调节器调节输出电机的驱动信号，再经过D/A转换复现模拟的电压控制信号控制伺服电机实现位置控制；同时光电编码器反馈信号反馈给伺服驱动控制器，经比较计算稳定平台是否达到期望的输出位置，若未达到，则PID控制器调节输出，使伺服电机继续转动，直到稳态无误差时一次调节过程结束。

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