CN102722179A

CN102722179A - 基于三维悬浮技术的目标跟踪平台稳定控制系统

Info

Publication number: CN102722179A
Application number: CN2012101897759A
Authority: CN
Inventors: 张健; 何汉辉; 孙海洋
Original assignee: HUNAN ZHENGQI INFORMATION TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: HUNAN ZHENGQI INFORMATION TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2012-06-11
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2012-10-10

Abstract

本发明公开了一种基于三维悬浮技术的目标跟踪平台稳定控制系统。它包括横倾控制系统、俯仰控制系统、方位控制系统，所述横倾控制系统包括横倾控制器、横倾陀螺、横倾加速度传感器、水平仪、电机驱动器、直流电机；所述俯仰控制系统包括俯仰控制器、俯仰陀螺、俯仰加速度传感器、俯仰水平仪、电机驱动器、直流电机；所述方位控制系统包括方位控制器、方位陀螺、方位加速度传感器、电机驱动器、直流电机。本发明能主动隔离载体运动过程中自由度变化产生的消极影响，使跟踪机制如同载体在水平面静止状态中一样发挥作用，较大程度改善了当前目标跟踪应用系统的跟踪性能，具有很强的实践意义和应用价值。

Description

基于三维悬浮技术的目标跟踪平台稳定控制系统

技术领域

本发明涉及一种平台稳定控制系统，特别涉及一种基于三维悬浮技术的目标跟踪平台稳定控制系统。

背景技术

稳控系统是用来使被稳定对象相对某方位保持稳定的装置，其特有的功能是隔离被稳定对象安装基座的角运动使其不受影响，主要特征是广泛采用陀螺作为角运动敏感元件，所采用的技术手段归于惯性技术研究范畴。

现代战争的一个特点是要求部队高度的机动性，要求部队能在行进间进行通信联系，实现部队“动中通”；坦克、装甲战车、自行火炮等地面作战平台，军舰、征用民船、各种舰艇等海上作战平台，要具备运动间稳瞄、跟踪、射击能力和对我军、友军、敌军位置的即时感知能力；这种作战样式要求作战平台具有稳定、跟踪和导航能力，即能不断测量位置的变化，准确确定当前的位置，精确保持动态姿态基准。而且，在许多军事装备上，如机载合成孔径雷达的运动补偿，红外传感器的稳定，车载和舰载卫星通信天线的稳定，舰载雷达波束的稳定，也需要精确的传感器平台姿态信息。除此之外，远洋舰船移动卫星电视接收系统，也是移动跟踪平台的典型应用。稳定跟踪平台由于能隔离载体(战车、导弹、飞机、舰船)的运动，对目标进行自动跟踪，所以在现代武器系统中得到了广泛的应用。

民用方面，近年来随着信息技术的不断发展，卫星在通信、广播、导航定位、气象服务、遥感遥测、地球资源、环境监测、技术侦查等方面显示出了非常重要的应用价值。其中卫星移动通信自上世纪 90 年代以来得到了迅猛的发展，全球性的系统(如 Inmarsat 系统)和区域性的系统(如北美的 AMSC 系统和澳大利亚的 Mobilesat 系统)都已投入运行，并且在地质勘探、抢险救灾等许多方面都发挥了重要的作用。所谓卫星移动通信是指借助于通信卫星在固定地面站与移动站(如车载站、机载站)或者移动站与移动站之间提供通信链路的通信系统。

移动卫星天线稳定跟踪系统能够在载体(车、船、飞机)运动中接收卫星信号或进行发射、接收双向通信。移动卫星天线稳定跟踪系统采用激光制导、遥测天线控制技术、GPS 卫星定位等技术，能自动捕获目标卫星，同时还采用先进的自动跟踪技术，在载体运动的情况下对卫星进行高精度的自动跟踪。通过卫星在移动过程中直接通信，不间断地双向传输图像、数据、语音等多媒体信息，进行电视直播、电视转播、语音通讯、视频会议、远程调度管理。它主要应用于电视直播、卫星通信、转播车、电视台、银行、军队、军舰、气垫船、水陆两用坦克、公安、以及大型调度管理系统。

可见，稳控系统在军、民用电子系统中具有广泛的应用市场，其市场已经呈现快速发展和增长势头，其应用前景非常可观。

目标跟踪平台广泛应用在移动卫星天线通信系统、遥控武器站系统和观瞄仪等系统中，其作用主要是精准的识别或跟踪目标对象。由于这类应用往往部署于车、船、飞机等运动载体中，因而载体运动过程中姿态的变化对跟踪的即时性、准确性等性能的影响至关重要。稳控环节是目标跟踪平台的重要机制，如何有效隔离载体在运动中自由度的变化，从而使应用逼近载体在静止状态下目标跟踪效果是当前目标跟踪平台及其应用系统面临的关键技术难题。稳控系统以车/船载移动卫星天线通信系统为例，该应用系统对稳控系统的要求是支持不小于5Hz的载体扰动频率，即在运动载体每秒钟随机扰动5次的情况下，卫星信号的跟踪质量完全不受此影响。

发明内容

为了解决目标跟踪平台的稳定控制存在的上述技术问题，本发明提供一种可靠性高、稳定性好的基于基于三维悬浮技术的目标跟踪平台稳定控制系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：包括横倾控制系统、俯仰控制系统、方位控制系统，所述包括横倾控制器、横倾陀螺、横倾加速度传感器、水平仪、电机驱动器、直流电机，所述横倾陀螺、横倾加速度传感器、水平仪分别与横倾控制器相连，横倾控制器的输出接电机驱动器，电机驱动器的输出接直流电机；所述包括俯仰控制器、俯仰陀螺、俯仰加速度传感器、俯仰水平仪、电机驱动器、直流电机，所述俯仰陀螺、俯仰加速度传感器、俯仰水平仪分别与俯仰控制器相连，俯仰控制器的输出接电机驱动器，电机驱动器的输出接直流电机；所述方位控制系统包括方位控制器、方位陀螺、方位加速度传感器、电机驱动器、直流电机，所述方位陀螺、方位加速度传感器分别与方位控制器相连，方位控制器的输出接电机驱动器，电机驱动器的输出接直流电机。

本发明的技术效果在于：1）本发明主要用于“动中通”、观瞄仪、强声拒止系统和遥控武器站等众多目标识别与跟踪类别的应用，在车/船/机载基于声、光、电通讯领域具有广泛的应用，具有巨大的经济效益；2）本发明与目前大多数被动稳控方法不同，它能主动隔离载体运动过程中自由度变化产生的消极影响，使跟踪机制如同载体在水平面静止状态中一样发挥作用，较大程度改善了当前目标跟踪应用系统的跟踪性能，具有很强的实践意义和应用价值；3）本发明仅采用了价格低廉的数字罗盘、角速率陀螺和加速度传感器用于测姿，并未采用价格昂贵的激光陀螺，但通过引入三维悬浮技术，其稳控性能达到甚至超过了采用激光陀螺的稳控跟踪环节，具有竞争力较强的性价比。

附图说明

图1为本发明中天线稳定平台示意图。

图2为本发明中的横倾系统控制框图。

图3为本发明中的俯仰系统控制框图。

图4为为本发明中的方位系统控制框图。

具体实施方式

参见图1，本发明整个结构采用三轴轴线相互正交，但不相交于一点的结构。采用三台直流电机分别用于俯仰轴1、横倾轴2和方位轴3的控制（极化电机不在其中）。

传感器架构高设置：为实现三轴的最大程度解耦控制，需要设计科学的传感器部署结构，本专利主要采用了数字罗盘、角速度陀螺、加速度传感器、光电传感器和位置电位器，这些传感器的部署原则完全依据解耦控制的要求：

a）绕横倾轴转动，对其它两轴没有影响。对方位陀螺、俯仰陀螺和横倾陀螺都不会产生角速度输出，对横倾加速度传感器产生输出，对方位与俯仰加速度传感器不产生输出；

b）绕俯仰轴转动，对其它两轴没有影响。对方位陀螺、俯仰陀螺和横倾陀螺都不会产生角速度输出，对俯仰加速度传感器产生输出，对方位与横倾加速度传感器不产生输出；

c）绕方位轴转动，对其它两轴没有影响。对方位陀螺和方位加速度传感器会产生角速度输出，对俯仰陀螺和横倾陀螺都不会产生角速度输出，在载体倾斜情况下，对俯仰加速度传感器产生输出，但对横倾加速度传感器不产生输出；

（1）研究三轴稳控策略及相关算法，即三维悬浮系统

a)横倾系统控制策略

横倾系统稳定目标：保证平台俯仰轴始终平行于水平面。横倾系统的稳定是三轴稳定的基础，保证俯仰陀螺与俯仰加速度传感器轴线与水平面平行。

横倾系统的传感信号由安装在天线转动架上的横倾加速度传感器输出的加速度、横倾陀螺输出的角速度和横倾角漂移量组成，横倾电机转动轴平行于天线底座。横倾系统稳定控制框图如图2所示，稳定控制策略采用“加速度前馈补偿+角速度前馈补偿+角位移闭环修正”的主动稳控方法。

b)俯仰系统控制策略

俯仰系统稳定的目标：保证平台的俯仰指向不变。

俯仰系统的传感信号由安装在俯仰轴上的俯仰加速度传感器输出的加速度、俯仰陀螺角速度输出和俯仰倾角漂移量组成，俯仰电机转动轴与水平面平行。俯仰系统稳定控制框图如图3所示，稳定控制策略采用“加速度前馈补偿+角位移闭环修正”的主动稳控方法。

c)方位系统控制策略

方位系统稳定目的：保证天线的空间方位指向不变。

方位系统的传感信号由安装在方位轴上的方位加速度传感器输出的加速度、俯仰陀螺角速度输出组成，俯仰电机转动轴与方位陀螺轴线平行。由于方位陀螺既能感知载体方位扰动角速度，又能感知防卫系统自身转动角速度，因此其控制策略与横倾系统与俯仰策略不同，如图4所示，应采取“加速度前馈补偿+方位陀螺闭环控制”的主动稳控方法。

（2）研究模糊分区的PID控制算法

a) 为实现本系统的方位快速、无静差稳定, 克服载体可能产生的各种类型的扰动, 伺服系统的方位控制采用模糊PID 算法；

b) 研究总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立合适的模糊规则表，得到针对Kp，Ki，Kd三个参数分别标定的模糊控制表；

c) 研究Kp，Ki，Kd三个参数的校正方法，给出方位系统的稳定控制流程。

（3）研究影响平台稳定性能的测姿环节的误差分析，确定平台稳定所要达到的指标，仔细分析影响这些指标的各种因素及克服方法，尽量通过控制参数与结构调试与优化达到更好的性能，完成整个系统的建模。

（4）细化稳控PCB电路设计，分别对各个子电路进行设计、仿真、优化。

本发明的技术特点：

（1）系统设计基于三维悬浮抗扰技术，提高姿态稳定精度和姿态隔离响应频率，尤其是该技术从原理上独辟蹊径，创新性地解决了目前技术上长期以来难以解决的大惯量负载所导致的系统姿态隔离响应频率低的问题，对于大惯量负载，系统也同样可以达到很高的姿态隔离响应频率，目前系统在扰动频率10Hz-12Hz的情况下仍能保持平台稳定；

（2）采用三轴正交但不汇交于一点的稳定结构设计方案，机构设计基于动力学解耦和优化设计技术，传动设计基于直接驱动和无隙传动技术，横倾轴、俯仰轴和方位轴不存在耦合关系，在姿态校正方位角和俯仰角解算方面，不需要复杂的解耦计算；

（3）姿态校测与姿态反馈基于多传感器信息融合技术。通过合理部署多传感器，进一步实现了测姿的解耦，可以分别独立的检测、计算、补偿三轴稳定系统的姿态；

（4）姿态稳定控制策略基于多级控制技术，横倾轴与俯仰轴采用“加速度前馈补偿+角速度前馈补偿+角位移闭环修正”三级控制，方位轴采用“加速度前馈补偿+陀螺闭环控制”二级控制；

（5）数据读出电路采用自行研制的基于SOC技术的ADC芯片（已另申请专利），可以实现双通道12Bit、150Msps数模转换，芯片封装了DVGA、ADC和BGAP三个模块单元，功耗较低、功能更加强大；

（6）鉴于直流电机调速性能好，启动、制动转矩大，易于快启快停和易于控制的优点，结合系统的机构设计，采用直流电机作为三轴驱动的执行部件，较好地支持了稳定精度的改善；

（7）采用模块化的设计与调试技术，提高系统的可靠性和可维修性，产品通过更换接口盒可以灵活适用于动中通、声波拒止系统和遥控武器站等应用系统装备中，系统适用范围较广。

Claims

1.一种基于三维悬浮技术的目标跟踪平台稳定控制系统，其特征在于：包括横倾控制系统、俯仰控制系统、方位控制系统，所述包括横倾控制器、横倾陀螺、横倾加速度传感器、水平仪、电机驱动器、直流电机，所述横倾陀螺、横倾加速度传感器、水平仪分别与横倾控制器相连，横倾控制器的输出接电机驱动器，电机驱动器的输出接直流电机；所述包括俯仰控制器、俯仰陀螺、俯仰加速度传感器、俯仰水平仪、电机驱动器、直流电机，所述俯仰陀螺、俯仰加速度传感器、俯仰水平仪分别与俯仰控制器相连，俯仰控制器的输出接电机驱动器，电机驱动器的输出接直流电机；所述方位控制系统包括方位控制器、方位陀螺、方位加速度传感器、电机驱动器、直流电机，所述方位陀螺、方位加速度传感器分别与方位控制器相连，方位控制器的输出接电机驱动器，电机驱动器的输出接直流电机。