CN102628694A - 一种基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台的控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台的控制系统及控制方法，本发明涉及到一种转台控制系统及控制方法，属于惯性技术领域。目的是为了解决传统的单轴转台无法从控制上解决速率精度低和平稳性差的问题。基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台包括圆盘，它还包括液浮陀螺仪和六个加速度计，六个加速度计均安装在圆盘圆周的边缘上，且均匀分布。基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台的控制系统包括基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台、转台控制箱和转台控制计算机，转台控制箱包括角编码器测量接口、电机驱动接口电路、液浮陀螺仪测量接口、加速度计测量接口和串行或并行通信端口。用于测试转台的瞬时角速率。

Description

一种基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台的控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及到一种转台控制系统及控制方法，属于惯性技术领域。 
背景技术
惯性测试设备转台是陀螺仪测试和标定的主要设备之一，对于高精度单轴转台惯导测试设备来说，高精度、高稳定性、高分辨力、宽动态范围是转台的重要特征。在速率测试原理与方法上，传统单轴转台都是通过测角元件测取角度，并经过转台转过此角度所用时间平均后来间接获得转台转动的角速率，而不是转台的瞬时角速率，由此获得的角速率无法真正反映转台的速率精度和速率平稳性。但高精度单轴转台的速率精度和速率平稳性恰恰又是转台的主要技术精度指标，没有高精度的转台，也就无法对陀螺仪表的高精度测试和标定，为此提高转台速率精度和速率平稳性已经是转台设备研究的重要课题。 
从转台的构造来看，轴承摩擦、滑环摩擦和扰动不可避免地会引起转台角速率偏差和速率波动，通常现有的单轴转台都是使用大惯量的旋转主轴来保证速率精度和速率平稳性，此方法虽然能够克服一些速率偏差和速率波动，但无法从控制上解决速率精度和平稳性问题，尤其是在高速率值和低速率值时的速率平稳性差异很大情况，也会造成转台体积大、重量大、功耗高等不利因素。 
发明内容
本发明的目的是针对传统的单轴转台无法从控制上解决速率精度低和平稳性差的问题，提供一种基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台。 
一种基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台，包括圆盘，它还包括液浮陀螺仪和六个加速度计； 
所述液浮陀螺仪位于圆盘的中心，用于测量单轴转台的瞬时角速率； 
所述六个加速度计分别是：第二个测量瞬时向心加速度的加速度计、第二个测量瞬时切向加速度的加速度计、第一个测量瞬时向心加速度的加速度计、第一个测量瞬时切向加速度的加速度计、第三个测量瞬时向心加速度的加速度计和第三个测量瞬时切向加速度的加速度计； 
六个加速度计均安装在圆盘上，且第二个测量瞬时向心加速度的加速度计、第二个测量瞬时切向加速度的加速度计、第一个测量瞬时向心加速度的加速度计、第一个测量瞬时 切向加速度的加速度计、第三个测量瞬时向心加速度的加速度计和第三个测量瞬时切向加速度的加速度计依次沿圆盘圆周的边缘均匀分布，其中：第三个测量瞬时切向加速度的加速度计、第二个测量瞬时切向加速度的加速度计和第一个测量瞬时切向加速度的加速度计用于测量圆盘的瞬时切向加速度； 
其中：第二个测量瞬时向心加速度的加速度计、第一个测量瞬时向心加速度的加速度计和第三个测量瞬时向心加速度的加速度计用于测量瞬时向心加速度。 
一种基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台，它还包括主旋转平台、角编码器、转台控制驱动电机、机电随动机构、转台转动轴和转台基座； 
所述的转台转动轴通过滚珠轴承固定安装在转台基座的平台框架上，主旋转平台用于放置被测器件； 
主旋转平台、机电随动机构、圆盘均固定在转台转动轴上； 
圆盘被固定在转台转动轴上； 
转台控制驱动电机用于驱动转台转动轴转动，角编码器用于测量驱动转台转动轴的平均角速度； 
所述的转台基座上面是圆盘，所述圆盘的中心位置上是液浮陀螺仪，液浮陀螺仪上面是机电随动机构，所述的机电随动机构的上面是转台控制驱动电机，转台控制驱动电机上面是角编码器，角编码器上面是主旋转平台，以上所述各部件均是同轴固定在驱动转台转动轴上。 
一种基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台的控制系统，它包括基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台、转台控制箱和转台控制计算机。 
转台控制箱包括角编码器测量接口、电机驱动接口电路、液浮陀螺仪测量接口、加速度计测量接口和串行或并行通信端口； 
角编码器的平均角速度信号输出端连接转台控制箱的角编码器测量接口输入端，角编码器测量接口的输出端通过串行或并行通信端口与转台控制计算机连接。 
液浮陀螺仪的瞬时角速度信号输出端连接转台控制箱的液浮陀螺仪测量接口的输入端； 
第一个测量瞬时向心加速度的加速度计的瞬时向心加速度的信号输出端、第二个测量瞬时向心加速度的加速度计的瞬时向心加速度的信号输出端和第三个测量瞬时向心加速度的加速度计的瞬时向心加速度的信号输出端分别连接加速度计测量接口三个瞬时向心加速度的信号输入端。 
第一个测量瞬时切向加速度的加速度计测量瞬时切向加速度的信号输出端、第二个测量瞬时切向加速度的加速度计测量瞬时切向加速度的信号输出端和第三个测量瞬时切向加速度的加速度计测量瞬时切向加速度的信号输出端分别连接加速度计测量接口三个瞬时切向加速度的信号的输入端； 
加速度计测量接口的信号输出端通过串行或并行通信端口与转台控制计算机连接。转台控制计算机通过串行或并行通信端口发送控制信号给电机驱动接口电路的控制信号输入端，所述电机驱动接口电路的控制信号输出端连接转台控制驱动电机控制信号输入端。 
一种基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台的控制系统，电机驱动接口电路内包括电机控制器和驱动电机功率放大器，串行或并行通信端口的控制信号输出端连接电机控制器的控制信号输入端，电机控制器的信号输出端连接驱动电机功率放大器的信号输入端，驱动电机功率放大器的信号输出端连接转台控制驱动电机。 
一种基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台的控制系统的单轴转台控制方法，其控制方法为： 
转台控制计算机产生一个给定转台转动角速率的基准信号Uref，角编码器通过测量转台转动轴转动的平均角速度信号获得转台的平均角速度信号，液浮陀螺仪通过测量转台转动轴转动的瞬时角速率信号获得转台的瞬时角速率信号，通过第三个测量瞬时切向加速度的加速度计、第二个测量瞬时切向加速度的加速度计和第一个测量瞬时切向加速度的加速度计测量转台转动轴转动的瞬时切向加速度信号转台，这些瞬时切向加速度信号测量可获取转台的角速度变化率； 
通过第三个测量瞬时向心加速度的加速度计、第二个测量瞬时向心加速度的加速度计和第一个测量瞬时向心加速度的加速度计测量转台转动轴转动的瞬时向心加速度信号获得转台的瞬时向心加速度信号； 
转台控制计算机通过转台控制箱获得同一时刻的上述八个信号，并根据所述八个信号获得转台转动角速率ωα和角速率波动状况，并将这些信号转换为测量角速率的反馈信号Ufb，将反馈信号Ufb与给定转台转动角速率的基准信号Uref做差值，得到差值信号e，然后将该差值信号e通过串行或并行通信端口发给转台控制箱中的电机驱动接口电路，电机驱动接口电路将差值信号e转换成电机驱动信号Udm，并将Udm发送给转台控制驱动电机，进而控制转台按给定的基准角速率旋转。 
一种基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台的控制系统的单轴转台控制方法，电机驱动接口电路将差值信号e转换成电机驱动信号Udm的过程为： 
差值信号e经串行或并行通信端口发送给电机驱动接口电路，由电机驱动接口电路的电机控制器产生驱动电机的功率放大器输入信号Ust，同时将信号Ust发送给电机功率驱动放大器，电机功率驱动放大器产生驱动电机的电气控制量Udm，该电气控制量Udm驱动电机转动，并带动转台转动。 
本发明的优点是：本发明不再采用传统的使用大惯量主轴，来保证速率精度和速率平稳性，而是基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台，在转台上安装有高精度陀螺仪和加速度计，用它们测量单轴转台的瞬时角速率和角速率波动，通过转台控制系统实现转台的实时角速率的控制，采用此方法的转台具有高速率精度和高速率平稳性，同时也降低了转台的体积、重量和功耗。 
附图说明
图1为本发明的结构示意图； 
图2为带有惯性器件的单轴转台控制原理图； 
图3为带有惯性器件的单轴转台系统结构图。 
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式： 
一种基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台，包括圆盘8，它还包括液浮陀螺仪7和六个加速度计； 
所述液浮陀螺仪7位于圆盘8的中心，用于测量单轴转台的瞬时角速率； 
所述六个加速度计分别是：第二个测量瞬时向心加速度的加速度计9、第二个测量瞬时切向加速度的加速度计10、第一个测量瞬时向心加速度的加速度计11、第一个测量瞬时切向加速度的加速度计12、第三个测量瞬时向心加速度的加速度计13和第三个测量瞬时切向加速度的加速度计6； 
六个加速度计均安装在圆盘8上，且第二个测量瞬时向心加速度的加速度计9、第二个测量瞬时切向加速度的加速度计10、第一个测量瞬时向心加速度的加速度计11、第一个测量瞬时切向加速度的加速度计12、第三个测量瞬时向心加速度的加速度计13和第三个测量瞬时切向加速度的加速度计6依次沿圆盘8圆周的边缘均匀分布，其中：第三个测量瞬时切向加速度的加速度计6、第二个测量瞬时切向加速度的加速度计10和第一个测量瞬时切向加速度的加速度计12用于测量圆盘的瞬时切向加速度； 
第二个测量瞬时向心加速度的加速度计9、第一个测量瞬时向心加速度的加速度计11和第三个测量瞬时向心加速度的加速度计13用于测量瞬时向心加速度。 
具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一的进一步说明： 
一种基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台，它还包括主旋转平台2、角编码器3、转台控制驱动电机4、机电随动机构5、转台转动轴14和转台基座15； 
所述的转台转动轴14通过滚珠轴承固定安装在转台基座15的平台框架上，主旋转平台2用于放置被测器件1； 
主旋转平台2、机电随动机构5、圆盘8均固定在转台转动轴14上； 
转台控制驱动电机4用于驱动转台转动轴14转动，角编码器3用于测量转台转动轴14转动的平均角速度； 
所述的转台基座15上面是圆盘8，所述圆盘8的中心位置上是液浮陀螺仪7，液浮陀螺仪7上面是机电随动机构5，所述的机电随动机构5的上面是转台控制驱动电机4，所述的转台控制驱动电机4上面是角编码器3，所述的角编码器3上面是主旋转平台2，以上所述各部件均是同轴固定在转台转动轴14上。 
具体实施方式三：下面结合图3说明本实施方式： 
一种基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台的控制系统，它包括基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台16、转台控制箱17和转台控制计算机18， 
转台控制箱17包括角编码器测量接口1-1、电机驱动接口电路1-2、液浮陀螺仪测量接口1-3、加速度计测量接口1-5和串行或并行通信端口1-4； 
角编码器3的平均角速度信号输出端连接转台控制箱17的角编码器测量接口1-1的输入端，角编码器测量接口1-1的输出端通过串行或并行通信端口1-4与转台控制计算机18连接； 
液浮陀螺仪7的瞬时角速度信号输出端连接转台控制箱17的液浮陀螺仪测量接口1-3的输入端； 
第一个测量瞬时向心加速度的加速度计11的瞬时向心加速度的信号输出端、第二个测量瞬时向心加速度的加速度计9的瞬时向心加速度的信号输出端和第三个测量瞬时向心加速度的加速度计13的瞬时向心加速度的信号输出端分别连接加速度计测量接口1-5三个瞬时向心加速度的信号输入端； 
第一个测量瞬时切向加速度的加速度计12测量瞬时切向加速度的信号输出端、第二个测量瞬时切向加速度的加速度计10测量瞬时切向加速度的信号输出端和第三个测量瞬时切向加速度的加速度计6测量瞬时切向加速度的信号输出端分别连接加速度计测量接口1-5三 个瞬时切向加速度的信号输入端； 
加速度计测量接口1-5的信号输出端通过串行或并行通信端口1-4与转台控制计算机18连接；转台控制计算机18通过串行或并行通信端口1-4发送控制信号给电机驱动接口电路1-2的控制信号输入端，所述电机驱动接口电路1-2的控制信号输出端连接转台控制驱动电机4控制信号输入端。 
具体实施方式四：下面结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式是对实施方式三的进一步说明： 
一种基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台的控制系统，电机驱动接口电路1-2内包括电机控制器和驱动电机功率放大器，串行或并行通信端口1-4的控制信号输出端连接电机控制器的控制信号输入端，电机控制器的信号输出端连接驱动电机功率放大器的信号输入端，驱动电机功率放大器的信号输出端连接转台控制驱动电机4。 
具体实施方式五：下面结合图1、图2和图3说明本实施方式： 
一种基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台的控制系统的单轴转台控制方法，其控制方法为： 
转台控制计算机18产生一个给定转台转动角速率的基准信号Uref，角编码器3通过测量转台转动轴14转动的平均角速度信号获得转台的平均角速度信号，液浮陀螺仪7通过测量转台转动轴14转动的瞬时角速率信号获得转台的瞬时角速率信号，通过第三个测量瞬时切向加速度的加速度计6、第二个测量瞬时切向加速度的加速度计10和第一个测量瞬时切向加速度的加速度计12测量转台转动轴14转动的瞬时切向加速度信号，获得转台的瞬时切向加速度信号；这些瞬时切向加速度信号测量可获取转台的角速度变化率； 
通过第三个测量瞬时向心加速度的加速度计13、第二个测量瞬时向心加速度的加速度计9和第一个测量瞬时向心加速度的加速度计11测量转台转动轴14转动的瞬时向心加速度信号，获得转台的瞬时角速率； 
转台控制计算机18通过转台控制箱17获得同一时刻的上述八个信号，并根据所述八个信号获得转台转动角速率ωα和角速率波动状况，并将这些信号转换为测量角速率的反馈信号Ufb，将反馈信号Ufb与给定转台转动角速率的基准信号Uref做差值，得到差值信号e，然后将该差值信号e通过串行或并行通信端口1-4发给转台控制箱17中的电机驱动接口电路1-2，电机驱动接口电路1-2将差值信号e转换成电机驱动信号Udm，并将Udm发送给转台控制驱动电机4，进而控制转台转速。 
具体实施方式六：下面结合图2和图3说明本实施方式： 
一种基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台的控制系统的单轴转台控制方法，电机驱动接口电路1-2将差值信号e转换成电机驱动信号Udm的过程为：差值信号e经串行或并行通信端口1-4发送给电机驱动接口电路1-2，由电机驱动接口电路1-2的电机控制器产生驱动电机的功率放大器输入信号Ust，同时将该Ust发送给电机功率驱动放大器，电机功率驱动放大器产生驱动电机的电气控制量Udm，该电气控制量Udm驱动电机转动，并带动转台转动。 
本发明不局限于上述实施方式，还可以是上述各实施方式中所述技术特征的合理组合。 

Claims (6)

1.一种基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台，包括圆盘(8)，其特征在于，它还包括液浮陀螺仪(7)和六个加速度计；
所述液浮陀螺仪(7)位于圆盘(8)的中心，用于测量单轴转台的瞬时角速率；
所述六个加速度计分别是：第二个测量瞬时向心加速度的加速度计(9)、第二个测量瞬时切向加速度的加速度计(10)、第一个测量瞬时向心加速度的加速度计(11)、第一个测量瞬时切向加速度的加速度计(12)、第三个测量瞬时向心加速度的加速度计(13)和第三个测量瞬时切向加速度的加速度计(6)；
六个加速度计均安装在圆盘(8)上，且第二个测量瞬时向心加速度的加速度计(9)、第二个测量瞬时切向加速度的加速度计(10)、第一个测量瞬时向心加速度的加速度计(11)、第一个测量瞬时切向加速度的加速度计(12)、第三个测量瞬时向心加速度的加速度计(13)和第三个测量瞬时切向加速度的加速度计(6)依次沿圆盘(8)圆周的边缘均匀分布，其中：第三个测量瞬时切向加速度的加速度计(6)、第二个测量瞬时切向加速度的加速度计(10)和第一个测量瞬时切向加速度的加速度计(12)用于测量圆盘的瞬时切向加速度；
第二个测量瞬时向心加速度的加速度计(9)、第一个测量瞬时向心加速度的加速度计(11)和第三个测量瞬时向心加速度的加速度计(13)用于测量瞬时向心加速度。
2.根据权利要求1所述的一种基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台，其特征在于，它还包括主旋转平台(2)、角编码器(3)、转台控制驱动电机(4)、机电随动机构(5)、转台转动轴(14)和转台基座(15)；
所述的转台转动轴(14)通过滚珠轴承固定安装在转台基座(15)的平台框架上，主旋转平台(2)用于放置被测器件(1)；
主旋转平台(2)、机电随动机构(5)、圆盘(8)均固定在转台转动轴(14)上；
圆盘(8)被固定在转台转动轴(14)上；
转台控制驱动电机(4)用于驱动转台转动轴(14)转动，角编码器(3)用于测量转台转动轴(14)转动的平均角速度；
所述的转台基座(15)上面是圆盘(8)，所述圆盘(8)的中心位置上是液浮陀螺仪(7)，液浮陀螺仪(7)上面是机电随动机构(5)，所述的机电随动机构(5)的上面是转台控制驱动电机(4)，所述的转台控制驱动电机(4)上面是角编码器(3)，所述的角编码器(3)上面是主旋转平台(2)，以上所述各部件均是同轴固定在转台转动轴(14)上。
3.基于权利要求1所述的一种基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台的控制系统，其特征在于，它包括基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台(16)、转台控制箱(17)和转台控制计算机(18)；
转台控制箱(17)包括角编码器测量接口(1-1)、电机驱动接口电路(1-2)、液浮陀螺仪测量接口(1-3)、加速度计测量接口(1-5)和串行或并行通信端口(1-4)；
角编码器(3)的平均角速度信号输出端连接转台控制箱(17)的角编码器测量接口(1-1的输入端，角编码器测量接口(1-1)的输出端通过串行或并行通信端口(1-4)与转台控制计算机(18)连接；
液浮陀螺仪(7)的瞬时角速度信号输出端连接转台控制箱(17)的液浮陀螺仪测量接口(1-3)的输入端；
第一个测量瞬时向心加速度的加速度计(11)的瞬时向心加速度的信号输出端、第二个测量瞬时向心加速度的加速度计(9)的瞬时向心加速度的信号输出端和第三个测量瞬时向心加速度的加速度计(13)的瞬时向心加速度的信号输出端分别连接加速度计测量接口(1-5)三个瞬时向心加速度的信号输入端；
第一个测量瞬时切向加速度的加速度计(12)测量瞬时切向加速度的信号输出端、第二个测量瞬时切向加速度的加速度计(10)测量瞬时切向加速度的信号输出端和第三个测量瞬时切向加速度的加速度计(6)测量瞬时切向加速度的信号输出端分别连接加速度计测量接口(1-5)的三个瞬时切向加速度的信号输入端；
加速度计测量接口(1-5)的信号输出端通过串行或并行通信端口(1-4)与转台控制计算机(18)连接；转台控制计算机(18)通过串行或并行通信端口(1-4)发送控制信号给电机驱动接口电路(1-2)的控制信号输入端，所述电机驱动接口电路(1-2)的控制信号输出端连接转台控制驱动电机(4)控制信号输入端。
4.根据权利要求3所述的一种基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台的控制系统，其特征在于，电机驱动接口电路(1-2)内包括电机控制器和驱动电机功率放大器，串行或并行通信端口(1-4)的控制信号输出端连接电机控制器的控制信号输入端，电机控制器的信号输出端连接驱动电机功率放大器的信号输入端，驱动电机功率放大器的信号输出端连接转台控制驱动电机(4)。
5.基于权利要求3所述的一种基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台的控制系统的单轴转台控制方法，其特征在于，其控制方法为：
转台控制计算机(18)产生一个给定转台转动角速率的基准信号Uref，角编码器(3)通过测量转台转动轴(14)转动的平均角速度信号获得转台的平均角速度信号，液浮陀螺仪(7)通过测量转台转动轴(14)转动的瞬时角速率信号获得转台的瞬时角速率信号，通过第三个测量瞬时切向加速度的加速度计(6)、第二个测量瞬时切向加速度的加速度计(10)和第一个测量瞬时切向加速度的加速度计(12)测量转台转动轴(14)转动的瞬时切向加速度信号获得转台的瞬时切向加速度信号；
通过第三个测量瞬时向心加速度的加速度计(13)、第二个测量瞬时向心加速度的加速度计(9)和第一个测量瞬时向心加速度的加速度计(11)测量转台转动轴(14)转动的瞬时向心加速度信号获得转台的瞬时向心加速度信号；
转台控制计算机(18)通过转台控制箱(17)获得同一时刻的上述八个信号，并根据所述八个信号获得转台转动角速率ωα和角速率波动状况，并将这些信号转换为测量角速率的反馈信号Ufb，将反馈信号Ufb与给定转台转动角速率的基准信号Uref做差值，得到差值信号e，然后将该差值信号e通过串行或并行通信端口(1-4)发给转台控制箱(17)中的电机驱动接口电路(1-2)，电机驱动接口电路(1-2)将差值信号e转换成电机驱动信号Udm，并将Udm发送给转台控制驱动电机(4)，进而控制转台按给定的基准角速率旋转。
6.根据权利要求5所述的一种基于惯性器件陀螺仪和加速度计的单轴转台的控制系统的单轴转台控制方法，其特征在于，电机驱动接口电路(1-2)将差值信号e转换成电机驱动信号Udm的过程为：
差值信号e经串行或并行通信端口(1-4)发送给电机驱动接口电路(1-2)，由电机驱动接口电路(1-2)的电机控制器产生驱动电机的功率放大器输入信号Ust，同时将该Ust发送给电机功率驱动放大器，电机功率驱动放大器产生驱动电机的电气控制量Udm，该电气控制量Udm驱动电机转动，并带动转台转动。
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