CN103175445B - 基于mems陀螺的位标器系统及其跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于MEMS陀螺的位标器系统及跟踪方法。所述系统包括运动载体模块、电机及稳定平台模块、红外探测模块，安装在电机及稳定平台模块上、信号处理模块、光电跟踪控制模块、MEMS陀螺模块、陀螺信号处理模块、视轴稳定控制模块和功率驱动模块。与现有技术相比，本发明采用MEMS陀螺，使位标器体积和重量有效减小，生产成本降低，且本位标器敏感性和隔离度高，系统性能稳定、工作可靠，可以为多种红外探测设备提供准确的稳定平台。本发明的实用性更高，灵敏度和稳定性更好。

Description

基于MEMS陀螺的位标器系统及其跟踪方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种基于微机电MEMS(Micro-Electro Mechanical System)陀螺的位标器系统。

背景技术

导弹要在空中完成对目标的探测和跟踪任务，需要一个弹载的平台和搭载一个在该平台上有探测设备组成的集成系统，在硬件表现形式上称之为“位标器”， 广泛应用于红外制导控制系统中。位标器是一个典型的光、机、电结合的复杂组件，涉及的技术范围非常广泛。随着红外成像制导技术应用的不断扩展，急需解决如何提高视线稳定能力、扩大跟踪范围以及小型化、提高抗恶劣环境能力等问题。

目前大多数位标器里面的稳定平台用的是机械陀螺，具有体积大，重量大，安装难度大以及成本高等缺点。光纤陀螺同激光陀螺类似，由于制作工艺复杂，具有成本高，对振动不敏感，不利于批量生产等缺点。本发明的途径在于对制导信号进行分析，采用MEMS陀螺搭建位标器的稳定平台，该系统具有体积小，重量小，成本较低，易于批量生产以及隔离度高等优点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有位标器体积大、重量大、成本高，提供一种体积小、重量小、成本低的基于MEMS陀螺的位标器系统，还介绍了该系统的跟踪方法。

本发明的技术方案是以下述方式实现的：一种基于MEMS陀螺的位标器系统，包括运动载体模块，用于产生动态；电机及稳定平台模块，安装在运动载体模块上，用于控制运动载体的状态；红外探测模块，安装在电机及稳定平台模块上，用于探测机动目标模块的状态；信号处理模块，用于接收红外探测模块的信号，并将该信号处理后传输至光电跟踪控制模块；光电跟踪控制模块，接收信号处理模块的信息并将处理后的信号传输至视轴稳定控制模块；MEMS陀螺模块，安装在电机及稳定平台模块上，检测电机及稳定平台模块的状态；陀螺信号处理模块，处理MEMS陀螺模块的检测信息并输送至视轴稳定控制模块；视轴稳定控制模块，接收陀螺信号处理模块和光电跟踪控制模块的信息，把稳定后的信号送入功率驱动模块；功率驱动模块，根据视轴稳定控制模块的信息控制电机及稳定平台模块。

一种基于MEMS陀螺的位标器系统的跟踪方法，是按照下述步骤进行的：

步骤1：红外探测模块探测机动目标模块的状态，把探测信息传递给信号处理模块，然后把处理后的信息送到光电跟踪控制模块，然后将处理跟踪结果送入视轴稳定控制模块等待处理；

步骤2：MEMS陀螺模块敏感电机及稳定平台模块的稳定状态，把测量的信号传递给陀螺信号处理模块，然后把处理后的测量信号送入视轴稳定控制模块等待处理；

步骤3：视轴稳定控制模块把陀螺信号处理模块、光电跟踪控制模块的信号稳定后送入功率驱动模块；控制电机及稳定平台模块。

与现有技术相比，本发明采用MEMS陀螺，使位标器体积和重量有效减小，生产成本降低，且本位标器敏感性和隔离度高，系统性能稳定、工作可靠，可以为多种红外探测设备提供准确的稳定平台。本发明的实用性更高，灵敏度和稳定性更好。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

图2是本发明工作流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的位标器系统，包括运动载体模块1，用于产生动态；电机及稳定平台模块2，安装在运动载体模块1上，用于控制运动载体的状态；红外探测模块3，安装在电机及稳定平台模块2上，用于探测机动目标模块10的状态；信号处理模块4，用于接收红外探测模块3的信号，并将该信处理后传输至光电跟踪控制模块5；光电跟踪控制模块5，接收信号处理模块4的信息并将处理后的信号传输至视轴稳定控制模块8；MEMS陀螺模块6，安装在电机及稳定平台模块2上，检测电机及稳定平台模块2的状态；陀螺信号处理模块7，处理MEMS陀螺模块6的检测信息并输送至视轴稳定控制模块8；视轴稳定控制模块8，接收陀螺信号处理模块7和光电跟踪控制模块5的信息，把稳定后的信号送入功率驱动模块9；功率驱动模块9，根据视轴稳定控制模块8的信息控制电机及稳定平台模块2。

本发明中，电机及稳定平台模块2安装在运动载体模块1上，用于控制运动载体的状态。红外探测模块3安装在电机及稳定平台模块2上，用于探测机动目标模块10的状态。信号处理模块4和光电跟踪控制模块5都是用于处理红外探测模块3探测的信号。MEMS陀螺模块6安装在电机及稳定平台模块2上，用于敏感平台的稳定状态。陀螺信号处理模块7用于处理MEMS陀螺模块6的测量信号。将处理后的红外探测信号和陀螺信号一并送入视轴稳定控制模块8，把稳定后的信号送入功率驱动模块9，最后控制电机及稳定平台模块2。

本发明基于MEMS陀螺的位标器跟踪方法，整体稳定式惯性平台系统由稳定内回路和跟踪回路组成，跟踪时具体按照以下步骤实施：

步骤1：红外探测模块3探测机动目标模块10的状态，把探测信息传递给信号处理模块4，然后把处理后的信息送到光电跟踪控制模块5，然后将处理跟踪结果送入视轴稳定控制模块8等待处理。

为了能对目标进行跟踪观测，平台作为跟踪系统的内回路，为跟踪器提供跟踪指令输入以及平台角度和角速度信号反馈。通过手动或者自动扫描搜索视场、锁定目标，系统进入自动跟踪模式，跟踪控制器接收目标脱靶指令，控制平台转动，使视轴始终对准被测的机动目标，达到对目标的跟踪。

步骤2：MEMS陀螺模块6敏感平台的稳定状态，把测量的信号传递给陀螺信号处理模块7，然后把处理后的测量信号送入视轴稳定控制模块8等待处理。

步骤3：视轴稳定控制模块9把陀螺信号处理模块7、光电跟踪控制模块5的信号稳定后送入功率驱动模块9；控制电机及稳定平台模块2。

稳定回路依靠惯性器件实时敏感载体相对惯性空间的偏离，并通过视轴稳定控制器进行实时纠正，保证成像传感器视轴和引起它抖动的各种干扰源相隔离，使其在惯性空间保持相同的角度瞄准方，如和载体的振动无关或者使其残余的晃动量保持在所允许的范围内，为红外探测系统提供一个能获取稳定信号的平台。因此，陀螺稳定光电跟踪平台从伺服控制角度而言，其实质为“视轴稳定与跟踪系统”，稳定分系统的主要任务是使MEMS陀螺与运动载体的姿态变化、振动等相隔离，使视轴稳定在固定的惯性空间里，达到空间稳定。

作为位标器的稳定跟踪系统的速度环敏感器件，MEMS陀螺感受载体在惯性空间的扰动量，并输出与角速度成比例的电压信号，通过控制器输出驱动电机对框架施加一个与扰动力矩大小相等、方向相反的平衡力矩，使系统隔离载体在惯性空间的扰动。同时，速度环反馈控制能够提高系统位置环响应的频带，增加位置环响应的快速性，从而实现红外探测系统的稳定和快速跟踪。为使MEMS陀螺获得更好的应用，通常采用对陀螺进行噪声抑制和信号滤波等系统控制技术，可以使采用MEMS陀螺作为速度反馈器件的光电稳定跟踪平台获得更高精度。

利用Kalman滤波对MEMS陀螺进行噪声抑制和信号滤波，对于单个陀螺，我们可以建立Kalman滤波方程:

             (1)

式中i=1,…,N,表示N个MEMS陀螺，标识量测时间。表示时刻稳定平台的偏差信息，表示时刻稳定平台的偏差信息。表示时刻MEMS陀螺的测量信息，、表示稳定平台的运动方程系数，表示陀螺的测量方程系数，表示稳定平台系统的噪声，表示测量方法的误差。由于采用了三个单轴的MEMS陀螺进行搭建平台,我们把这3个陀螺进行实验,采用ARMA(2，1)模型参数模型表达式：

             (2)

可以得到(1)式中，；；,为陀螺仪的量测值。噪声序列、满足统计特性：

                            (3)

构造如下滤波器：

                                             (4)

                        (5)

             (6)

 (7)

其中：为测量数据的方差；为系统过程噪声的方差，取值为。

MEMS陀螺用于敏感模拟坐标系相对理想坐标系的偏角或角速度，具有体积小，重量轻以及成本低，可靠性高，易于批量生产等优点。本发明将MEMS陀螺引入位标器系统中，该位标器安装在导引头里的速率陀螺作为速度环的反馈器件，能够敏感空间角速度，构成的高增益角速度稳定回路可以保证平台在惯性空间稳定，实时隔离载体扰动。

Claims (2)

1.一种基于MEMS陀螺的位标器系统，其特征在于包括

运动载体模块(1)，用于产生动态；

电机及稳定平台模块(2)，安装在运动载体模块(1)上，用于控制运动载体的状态；

红外探测模块(3)，安装在电机及稳定平台模块(2)上，用于探测机动目标模块(10)的状态；

信号处理模块(4)，用于接收红外探测模块(3)的信号，并将该信号处理后传输至光电跟踪控制模块(5)；

光电跟踪控制模块(5)，接收信号处理模块(4)的信息并将处理后的信号传输至视轴稳定控制模块(8)；

MEMS陀螺模块(6)，安装在电机及稳定平台模块(2)上，检测电机及稳定平台模块(2)的状态；

陀螺信号处理模块(7)，处理MEMS陀螺模块(6)的检测信息并输送至视轴稳定控制模块(8)；利用Kalman滤波对MEMS陀螺进行噪声抑制和信号滤波，对于单个陀螺，建立Kalman滤波方程：

$\left\{\begin{array}{c}{x}^i(k+1)=A^i\left(k\right)x^i\left(k\right)+B^i\left(k\right)W^i\left(k\right)\\ z^i\left(k\right)=C^i\left(k\right)x^i\left(k\right)+V^i\left(k\right)\end{array}\right.,$

式中i＝1，…，N，表示N个MEMS陀螺，k标识量测时间，xⁱ(k)表示k时刻稳定平台的偏差信息，xⁱ(k+1)表示k+1时刻稳定平台的偏差信息，zⁱ(k)表示k时刻MEMS陀螺的测量信息，Aⁱ(k)、Bⁱ(k)表示稳定平台的运动方程系数，Cⁱ(k)表示陀螺的测量方程系数，Wⁱ(k)表示稳定平台系统的噪声，Vⁱ(k)表示测量方法的误差；由于采用了三个单轴的MEMS陀螺进行搭建平台，把这3个陀螺进行实验，采用ARMA(2，1)模型参数模型表达式：

y(k)＝1.3772×y(k-1)-0.3772×y(k-2)

+a(k)-0.437×a(k-1)，

得到， $A^i=\left(\begin{array}{cc}1.3772& -0.3772\\ 1& 0\end{array}\right),B^i=\left(\begin{array}{cc}1& -0.437\\ 0& 0\end{array}\right),C^i=\left(\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right),$ z_k+1为陀螺仪的量测值；

噪声序列W_k、V_k满足统计特性：

E(W_k)＝E(V_k)＝0；cov(W_k)＝Q，

cov(V_k)＝R，cov(W_k，V_k)＝0；

构造如下滤波器：

P_k+1/k＝A×P_k×A^T+B×Q×B^T，

K_k+1＝P_k+1/k×C^T×(C×P_k+1/k×C^T+R)^-1，

其中：R为测量数据的方差；Q为系统过程噪声的方差，取值为 $\left[\begin{array}{cc}{{\mathrm{\δ}}_a}^2& 0\\ 0& {{\mathrm{\δ}}_a}^2\end{array}\right];$

视轴稳定控制模块(8)，接收陀螺信号处理模块(7)和光电跟踪控制模块(5)的信息，把稳定后的信号送入功率驱动模块(9)；

功率驱动模块(9)，根据视轴稳定控制模块(8)的信息控制电机及稳定平台模块(2)。

2.一种基于MEMS陀螺的位标器系统的跟踪方法，其特征在于是按照下述步骤进行的：

步骤1：红外探测模块(3)探测机动目标模块(10)的状态，把探测信息传递给信号处理模块(4)，然后把处理后的信息送到光电跟踪控制模块(5)，然后将处理跟踪结果送入视轴稳定控制模块(8)等待处理；

步骤2：MEMS陀螺模块(6)敏感电机及稳定平台模块的稳定状态，把测量的信号传递给陀螺信号处理模块(7)，然后把处理后的测量信号送入视轴稳定控制模块(8)等待处理；利用Kalman滤波对MEMS陀螺进行噪声抑制和信号滤波，对于单个陀螺，建立Kalman滤波方程：

$\left\{\begin{array}{c}{x}^i(k+1)=A^i\left(k\right)x^i\left(k\right)+B^i\left(k\right)W^i\left(k\right)\\ z^i\left(k\right)=C^i\left(k\right)x^i\left(k\right)+V^i\left(k\right)\end{array}\right.,$

式中i＝1，…，N，表示N个MEMS陀螺，k标识量测时间，xⁱ(k)表示k时刻稳定平台的偏差信息，xⁱ(k+1)表示k+1时刻稳定平台的偏差信息，zⁱ(k)表示k时刻MEMS陀螺的测量信息，Aⁱ(k)、Bⁱ(k)表示稳定平台的运动方程系数，Cⁱ(k)表示陀螺的测量方程系数，Wⁱ(k)表示稳定平台系统的噪声，Vⁱ(k)表示测量方法的误差；由于采用了三个单轴的MEMS陀螺进行搭建平台，把这3个陀螺进行实验，采用ARMA(2，1)模型参数模型表达式：

y(k)＝1.3772×y(k-1)-0.3772×y(k-2)

+a(k)-0.437×a(k-1)，

得到， $A^i=\left(\begin{array}{cc}1.3772& -0.3772\\ 1& 0\end{array}\right),B^i=\left(\begin{array}{cc}1& -0.437\\ 0& 0\end{array}\right),C^i=\left(\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right),$ z_k+1为陀螺仪的量测值；

噪声序列W_k、V_k满足统计特性：

E(W_k)＝E(V_k)＝0；cov(W_k)＝Q，

cov(V_k)＝R，cov(W_k，V_k)＝0；

构造如下滤波器：

P_k+1/k＝A×P_k×A^T+B×Q×B^T，

K_k+1＝P_k+1/k×C^T×(C×P_k+1/k×C^T+R)^-1，

其中：R为测量数据的方差；Q为系统过程噪声的方差，取值为 $\left[\begin{array}{cc}{{\mathrm{\δ}}_a}^2& 0\\ 0& {{\mathrm{\δ}}_a}^2\end{array}\right];$

步骤3：视轴稳定控制模块(9)把陀螺信号处理模块(7)、光电跟踪控制模块(5)的信号稳定后送入功率驱动模块(9)；控制电机及稳定平台模块(2)。