CN104536462A - 基于光纤陀螺积分手段的位置控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于光纤陀螺积分手段的位置控制方法，首先连续采集光纤陀螺的M个周期的输出数据，并从中提出野值，再根据剔除野点之后的光纤陀螺的n个输出数据W₁′、W₂′…W_n′，计算出光纤陀螺的零偏稳定性B_s，接着对剔除野点后的光纤陀螺数据进行平滑滤波，最后将平滑滤波后的光纤陀螺角速率值w_p进行积分得到伺服稳定平台的转位角度值。本发明可广泛地应用与毫弧度级别的位置转动控制系统，如受头盔指示的光电仪器、和受雷达指示的摄像机系统。这类位置调转，只是将目标引入视场，调转精度能达到1mrad就能够胜任，对于在这一类的光电设备，若没有目标指示高精度要求，则可完全采用该项技术，省去用光码盘或解算器反馈电路，节约了设备的成本。

Description

基于光纤陀螺积分手段的位置控制方法

技术领域

本发明属于光学瞄准和位置控制技术领域，尤其涉及一种利用光纤陀螺实现位置控制的方法。

背景技术

精确打击是现代武器装备演变和发展的主要特征之一，运动中精确打击则是对战术武器的基本要求，稳瞄系统是精确打击战术武器系统的重要组织部分。现代战争中，装备有性能先进的前视红外系统、红外搜索跟踪系统、微光电视设备、激光测距/目标指示系统合激光自动跟踪系统等光电装置的武器，在侦察、夜战、空袭、空战中都发挥了重要作用。而稳瞄技术是光电装置不可或缺的关键技术。它将陀螺安装在光电设备上，利用其定轴性和进动性，通过伺服控制系统，隔离载体给光电装置带来的扰动，为精确瞄准、打击做准备；同时实现在运动中对运动或静止的地方精确跟踪。

对位置的精确控制，是光电稳瞄系统中最基本和最频繁遇到的问题。

各类光电稳瞄设备中，大量地应用了位置控制技术，如光学镜头的变焦、连续变倍系统的补偿精组、倍频晶体的位置控制系统，以及瞄准线的对目标的跟踪、光电吊仓与目标指示器之间的随动等；前者属于直线位置调转、后者属于旋转位置调转。

直线调转通常使用步进电机或连续变倍曲线套筒等措施，如重弹激光指令传输系统的束宽角控制，就是通过步进电机驱动两组镜片直线运动完成的，而步进电机是由微计算机控制完成相对位置的；旋转调转通常使用力矩电机结合反馈元件来实现，低精度的位置调转采用电位计或自整角机反馈，高精度位置调转采用光码盘或解算器反馈。

陀螺是敏感角位移和角速度的传感器，用于测量载体的姿态角和角速度。在闭环控制系统中，常用到速率陀螺作为速度反馈元件。以往的控制中，陀螺只单独输出速度，而用轴角编码器输出相应的位置信号用以位置反馈，这样的控制方案实现起来比较简单、可靠。但由于陀螺和轴角编码器都是对转动信号敏感的测量元件，成本较高，这种控制方式在一定程度上造成了一种浪费。将速率陀螺对时间积分，从物理意义上来说，它可作为位置传感器。用一个陀螺完成速度与位置量的测量反馈，可以节省旋转变压器等位置反馈元件。但是对于陀螺的输出信号，要将速度信号转换成角度信号，原理却比较简单，但实际工作中由于陀螺存在着零漂和零偏，所以真正实现陀螺角度积分的环节比较细致复杂，还需对陀螺信号进行进一步的处理。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，为克服现有技术的不足，为光电稳瞄系统提供一种基于光纤陀螺积分手段的位置控制方法。

本发明的技术方案为：

所述一种基于光纤陀螺积分手段的位置控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：连续采集光纤陀螺的M个周期的输出数据

W₁、W₂…、W_i-1、W_i、W_i+1、W_i+2、…、W_i+N-1、…、W_M

选取这M个周期数据内的连续N组陀螺数据W_i、W_i+1、W_i+2、…、W_i+N-1，并剔出这N组光纤陀螺数据中的野点值W_t；野点判定方法为：判断光纤陀螺相邻两个周期输出数据W_t、W_t-1的差的绝对值是否大于阈值σ，若满足，则表示光纤陀螺数据W_t为野点值，应剔除，若不满足，则表示光纤陀螺数据W_t为正常值，应保留；

步骤2：根据步骤1剔除野点之后的光纤陀螺的n个输出数据W′₁、W′₂…W′_n，计算出光纤陀螺的零偏稳定性B_s：

$B_s=\frac{1}{K}{\left[\frac{1}{(n-1)}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(W_i^{\′}-\stackrel{\‾}{W^{\′}})}^2\right]}^{1/2}$

其中K为光纤陀螺的标定因数，为光纤陀螺的n个输出数据W′₁、W′₂…W′_n的平均值；

步骤3：对剔除野点后的光纤陀螺数据进行平滑滤波：

$w_p=\frac{1}{S}\underset{j=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{j+S(p-1)}^{\′}(p=\mathrm{1,2}...,\frac{n}{S})$

其中w_p为平滑滤波后的光纤陀螺角速率值，S为平滑滤波的窗口宽度，n/S为整数，p为平滑滤波的窗口个数；

步骤4：将平滑滤波后的光纤陀螺角速率值w_p进行积分得到伺服稳定平台的转位角度值：

θ＝∫w_pdt

其中θ为伺服稳定平台的转位角度值。

有益效果

本发明提出的基于光纤陀螺积分手段的位置控制方法可广泛地应用与毫弧度级别的位置转动控制系统，如受头盔指示的光电仪器、和受雷达指示的摄像机系统。这类位置调转，只是将目标引入视场，调转精度能达到1mrad就能够胜任，对于在这一类的光电设备，若没有目标指示高精度要求，则可完全采用该项技术，省去用光码盘或解算器反馈电路，节约了设备的成本。

附图说明

图1是光电稳瞄系统的伺服控制系统示意图。

图2是数字稳定环工作流程图。

图3是伺服控制单元的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

本发明优选实施例中的光纤陀螺积分手段的位置控制方法用于光电稳瞄系统的伺服控制系统。

光电稳瞄系统的伺服控制系统通过陀螺反馈构成伺服控制回路隔离外界造成的扰动保证目标瞄准线的稳定；同时接受上位工控机或者光电成像跟踪器发送的位置偏差指令，通过对负责框架的控制使光电器件精确跟踪目标，即同时完成视轴稳定和目标位置跟踪的双重功能。

光电稳瞄系统的伺服控制系统包括上位工控机、电流环、速度稳定环、DSP伺服控制器和数字稳定环组成，如图1所示。上位工控机向DSP伺服控制器发送位置偏差指令，通过对负责框架的控制使光电器件精确跟踪目标，即同时完成视轴稳定和目标位置跟踪的双重功能；电流环由电流环传感器构成电枢电流负反馈，减小电流电压波动的影响，提高控制力矩的线性度，实现对电流的平稳控制；速度稳定环直流测速机为电机转速测量反馈构成模拟速度内环，能及时克服外部干扰，稳定光学平台，保证系统的快速性；光纤陀螺构成数字稳定环，隔离外界造成的扰动保证目标瞄准线的稳定，同时通过积分环节，实现了伺服控制系统的位置反馈。不难看出，数字稳定环是完成本发明的核心。

当数字稳定环的串口接受到光纤陀螺数据后，数字稳定环按图2所示的流程执行以下操作步骤：

步骤1：连续采集光纤陀螺的M个周期的输出数据

W₁、W₂…、W_i-1、W_i、W_i+1、W_i+2、…、W_i+N-1、…、W_M

选取这M个周期数据内的连续N组陀螺数据W_i、W_i+1、W_i+2、…、W_i+N-1，并剔出这N组光纤陀螺数据中的野点值W_t；野点判定方法为：判断光纤陀螺相邻两个周期输出数据W_t、W_t-1的差的绝对值是否大于阈值σ，即：|W_t-W_t-1|＞σ；若满足，则表示光纤陀螺数据W_t为野点值，应剔除，若不满足，则表示光纤陀螺数据W_t为正常值，应保留；本实施例中取阈值σ＝100。

步骤2：根据步骤1剔除野点之后的光纤陀螺的n个输出数据W′₁、W′₂…W′_n，计算出光纤陀螺的零偏稳定性B_s：

$B_s=\frac{1}{K}{\left[\frac{1}{(n-1)}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(W_i^{\′}-\stackrel{\‾}{W^{\′}})}^2\right]}^{1/2}$

其中K为光纤陀螺的标定因数，K＝200，为光纤陀螺的n个输出数据W′₁、W′₂…W′_n的平均值；本实施例中采用北航生产的F120HI型高精度光纤陀螺作为测量反馈元件，标度因数为K＝200，陀螺的采样周期T＝2.5ms。

步骤3：对剔除野点后的光纤陀螺数据进行平滑滤波：

$w_p=\frac{1}{S}\underset{j=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{j+S(p-1)}^{\′}(p=\mathrm{1,2}...,\frac{n}{S})$

其中w_p为平滑滤波后的光纤陀螺角速率值，S为平滑滤波的窗口宽度，n/S为整数，p为平滑滤波的窗口个数；平滑后的光纤陀螺数据不仅能够保证反馈的实时性，而且减轻了光纤陀螺零漂和白噪声对伺服系统的影响，减少了伺服系统的高速震动，提高了伺服系统的频域特性。

步骤4：将平滑滤波后的光纤陀螺角速率值w_p进行积分得到伺服稳定平台的转位角度值：

θ＝∫w_pdt

其中θ为伺服稳定平台的转位角度值。

得到伺服稳定平台的转位角度值后，如图3所示，在伺服控制单元内，将从速度和位置环传递过来信号相加，并将相加得到的信号放大成为执行电机接受的电信号，再经过超前和滞后处理，成为电机控制信号。

Claims (1)

1.一种基于光纤陀螺积分手段的位置控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：连续采集光纤陀螺的M个周期的输出数据

W₁、W₂…、W_i-1、W_i、W_i+1、W_i+2、…、W_i+N-1、…、W_M

选取这M个周期数据内的连续N组陀螺数据W_i、W_i+1、W_i+2、…、W_i+N-1，并剔出这N组光纤陀螺数据中的野点值W_t；野点判定方法为：判断光纤陀螺相邻两个周期输出数据W_t、W_t-1的差的绝对值是否大于阈值σ，若满足，则表示光纤陀螺数据W_t为野点值，应剔除，若不满足，则表示光纤陀螺数据W_t为正常值，应保留；

步骤2：根据步骤1剔除野点之后的光纤陀螺的n个输出数据W₁′、W′₂…W_n′，计算出光纤陀螺的零偏稳定性B_s：

$B_s=\frac{1}{K}{\left[\frac{1}{(n-1)}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({W_i}^{\′}-\stackrel{\‾}{W^{\′}})}^2\right]}^{1/2}$

其中K为光纤陀螺的标定因数，为光纤陀螺的n个输出数据W₁′、W′₂…W_n′的平均值；

步骤3：对剔除野点后的光纤陀螺数据进行平滑滤波：

$w_p=\frac{1}{S}\underset{j=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{j+S(p-1)}^{\′}(p=\mathrm{1,2}...,\frac{n}{S})$

其中w_p为平滑滤波后的光纤陀螺角速率值，S为平滑滤波的窗口宽度，n/S为整数，p为平滑滤波的窗口个数；

步骤4：将平滑滤波后的光纤陀螺角速率值w_p进行积分得到伺服稳定平台的转位角度值：

θ＝∫w_pdt

其中θ为伺服稳定平台的转位角度值。