CN105115503B - 一种三轴稳定平台系统的伺服回路解耦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三轴稳定平台系统的伺服回路解耦方法，以正交安装于平台台体的3个陀螺仪输出角速率内框架相对台体的转角等4个变量作为解耦环节的输入信息，通过信息融合后输出3个分别作用到台体轴、内环轴和外环轴的轴端力矩电机。本发明首次给出了在载体相对平台台体任意姿态时，伺服回路由多变量控制到单输入单输出控制的方法，且无奇异值现象，实现了载体采用三轴稳定平台系统后的无约束轨迹运动。

Description

一种三轴稳定平台系统的伺服回路解耦方法

技术领域

本发明涉及一种三轴稳定平台系统的伺服回路解耦方法，尤其涉及三轴平台系统的伺服回路多变量解耦方法，主要用于实现全姿态高精度导航的航空、航天领域。

背景技术

三轴稳定平台已广泛地用于机动姿态有限的载体上，即用于在飞行中不会同时绕两个轴出现大姿态角的载体中。但有时由于运载火箭和弹道式导弹要做机动变轨飞行；特别是战术导弹、卫星以及许多军用飞机需要在全姿态、大机动状态下工作。在这样条件下，要求平台台体仍能保持稳定。

由于三轴稳定平台系统存在“框架锁定”现象，即内框架和外框架在一个平面内，此时，台体轴、内框架轴和外框架轴也同时在一个平面内，从而使平台失去一个自由度。另一方面，原来用于控制外框架轴的陀螺仪不能感受到外框架轴的转动，从而失去了对外框架轴的控制作用。

为了消除在内框架角为90°时稳定回路的失控，避免框架系统得锁定，目前，三轴稳定平台系统主要的解决措施是在内框架增加挡钉，以限制内框架角的运动范围。比如，通过增加挡钉使内框架角工作在±20°或±40°的范围内。现有措施只能满足机动姿态有限的载体上，难以满足载体大机动运动的要求。

下面介绍现有的具体技术情况。

首先，三轴惯性平台系统的坐标系定义如图1所示，描述了三轴平台各框架坐标系之间关系的示意图。在图1中，设为内框架相对台体的相对角速度，为外框架相对内框架的相对角速度，为为基座(箭体)相对外框架的相对角速度。

设──为台体(包括陀螺仪壳体)对X_p、Y_p、Z_p轴的转动惯量；──为内框架对X_p1、Y_p1、Z_p1轴的转动惯量； ──为外框架对X_p2、Y_p2、Z_p2轴的转动惯量。定义为折合到台体轴X_p的转动惯量，为折合到台体轴Y_p的转动惯量；J_xy、J_xz、J_yz为框架系统的等效惯量积。

设M_zp为台体轴干扰力矩，为台体轴力矩电机反馈力矩；为内框架轴干扰力矩，为内框架轴力矩电机反馈力矩；为外框架轴干扰力矩，为外框架轴力矩电机反馈力矩；则三轴惯性平台系统的各轴端力矩作用到台体三轴的合成力矩为

设──分别为台体绕x_p、y_p、z_p轴的绝对角速度，可通过正交安装于台体的陀螺仪测量得到；则三轴惯性平台系统的台体动力学方程为

可以看出，在3个陀螺仪角速率信息已知时，有3个控制执行环节设力矩变换矩阵为

目前的解耦方式是，在台体受到干扰力矩时，稳定回路参与工作，通过电路或算法坐标变换实现解耦，产生电机力矩。其坐标变换矩阵为：

在β_yk趋于±90°时，存在奇异值，secβ_yk趋于无穷大。但采用电路实现secβ_yk比较困难，所以正如前面所述，比较现实的办法就是使β_yk＝0°，此时，有平面坐标分解器，即

采用该平面坐标分解器的三轴稳定平台的伺服系统如图2所示。但缺点是内框架的工作范围不能太大。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种三轴惯性平台系统伺服回路解耦方法，该方法在任意框架角情况下都无奇异值，可以有效提高载体无轨迹约束条件下的全姿态适应能力。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种三轴惯性稳定平台系统的伺服回路解耦方法，基于三轴惯性稳定平台系统实现，所述稳定平台系统包括基座、外框架、内框架和台体，对应的本体坐标系分别为基座本体坐标系X₁Y₁Z₁、外框架本体坐标系X_p2Y_p2Z_p2、内框架本体坐标系X_p1Y_p1Z_p1和台体本体坐标系X_pY_pZ_p；所述四个坐标系的原点重合，并且：台体本体坐标系的Z_p轴与内框架本体坐标系的Z_p1轴重合，外框架的本体坐标系的Y_p2轴与内框架本体坐标系的Y_p1轴重合，基座本体坐标系的X₁轴与外框架本体坐标系的X_p2轴重合；其中，基座与载体固连，在所述稳定平台系统在载体带动下发生内部相对转动时，基座绕外框架本体坐标系的X_p2轴转动，外框架绕内框架本体坐标系的Y_p1轴转动，内框架绕台体本体坐标系的Z_p轴转动；

所述三轴惯性平台系统伺服回路解耦方法实现步骤如下：

(1)、根据台体上安装的陀螺仪输出的角速度，得到台体在X_p轴、Y_p轴和Z_p轴上的角速度分量

(2)、测量得到三轴惯性稳定平台系统内部相对转动的角度和角速度，包括：基座绕外框架本体坐标系的X_p2轴转动的角度β_xk，外框架绕内框架本体坐标系的Y_p1轴转动的角度β_yk，内框架绕台体本体坐标系的Z_p轴转动的角度β_zk和角速度

(3)、计算台体、内框架和外框架的转动角速度，具体计算公式如下：

其中，ω_z为台体Z_p轴的合成转动角速度；ω_y为内框架Y_p1轴的合成转动角速度；ω_x为外框架X_p2轴的合成转动角速度。

上述三轴惯性稳定平台系统的伺服回路解耦方法，在步骤(2)中，通过如下方法测量得到三轴惯性稳定平台系统内部相对转动角度和角速度：

在外框架的X_p2轴上安装角度传感器，测量得到基座绕外框架本体坐标系的X_p2轴转动的角度β_xk；在内框架的Y_p1轴上安装角度传感器，测量得到外框架绕内框架本体坐标系的Y_p1轴转动的角度β_yk和角速度在台体Z_p轴上安装传感器测量内框架绕台体本体坐标系的Zp轴转动的角度β_zk和角速度

上述三轴惯性稳定平台系统的伺服回路解耦方法，在步骤(2)中，转动角度β_xk、β_yk、β_zk的取值范围为0～360°。

本发明与现有技术相比的优点如下：

(1)、本发明给出的一种三轴惯性平台系统的伺服回路解耦方法，完全覆盖了3个姿态角在任意象限的情况，克服了原有技术在内框架角β_yk＝±90°时的奇异值问题；

(2)、本发明给出了一种三轴惯性平台系统的伺服回路解耦方法，各环节是在原角速率基础上的正弦和余弦分量，不存在增益放大的情况，避免了secβ_yk增益趋于无穷大的问题。

附图说明

图1为三轴惯性稳定平台系统中四个本体坐标之间的关系示意图；

图2为现有技术中采用的解耦方案中三轴惯性稳定平台伺服回路原理框图；

图3为本发明的三轴惯性平台系统伺服回路解耦方法的流程图；

图4为本发明采用的解耦方案中三轴惯性稳定平台伺服回路原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明的三轴惯性平台系统的伺服回路解耦方法，通过增加一个观测量——台体轴角速率与陀螺仪角速率信息构成的4个物理量共同组成解耦器的输入，经过合理信息融合以实现伺服回路的完全解耦。

本发明基于三轴惯性稳定平台系统实现，所述稳定平台系统包括基座、外框架、内框架和台体，对应的本体坐标系分别为基座本体坐标系X₁Y₁Z₁、外框架本体坐标系X_p2Y_p2Z_p2、内框架本体坐标系X_p1Y_p1Z_p1和台体本体坐标系X_pY_pZ_p；所述四个坐标系的原点重合，并且：台体本体坐标系的Z_p轴与内框架本体坐标系的Z_p1轴重合，外框架的本体坐标系的Y_p2轴与内框架本体坐标系的Y_p1轴重合，基座本体坐标系的X₁轴与外框架本体坐标系的X_p2轴重合；其中，基座与载体固连，在所述稳定平台系统在载体带动下发生内部相对转动时，基座绕外框架本体坐标系的X_p2轴转动，外框架绕内框架本体坐标系的Y_p1轴转动，内框架绕台体本体坐标系的Z_p轴转动；

具体实现过程为，在原3个信息的基础上，增加动力学方程

其中

则有三轴稳定平台的动力学方程为

其中，

设力矩变换矩阵为

此时，空间解耦矩阵为

考虑到上式后，输入输出环节可表示为

基于以上原理，如图3所示的处理流程图，本发明的三轴惯性平台系统伺服回路解耦方法实现步骤如下：

(1)、根据台体上安装的陀螺仪输出的角速度，得到台体在X_p轴、Y_p轴和Z_p轴上的角速度分量

(2)、通过如下方法测量得到三轴惯性稳定平台系统内部相对转动的角度和角速度：

在外框架的X_p2轴上安装角度传感器，测量得到基座绕外框架本体坐标系的X_p2轴转动的角度β_xk；在内框架的Y_p1轴上安装角度传感器，测量得到外框架绕内框架本体坐标系的Y_p1轴转动的角度β_yk和角速度在台体Z_p轴上安装传感器测量内框架绕台体本体坐标系的Zp轴转动的角度β_zk和角速度其中，以上测量得到的相对转动角度β_xk、β_yk、β_zk的取值范围为0～360°，即该方法适用于全姿态计算。

(3)、计算台体、内框架和外框架的转动角速度，具体计算公式如下：

其中，ω_z为台体Z_p轴的合成转动角速度；ω_y为内框架Y_p1轴的合成转动角速度；ω_x为外框架X_p2轴的合成转动角速度。以上三个合成转动角速度量分别作用到台体轴、内环轴和外环轴的轴端力矩电机。

根据本发明提供的三轴惯性平台系统伺服回路解耦方法，在工程应用中的伺服回路原理框图如图4所示。

实施例1：

在本实施例中，利用本发明的计算公式进行解耦计算，其中设定条件如下：基座绕外框架坐标系X_p2轴转动的角度β_xk＝0；外框架绕内框架坐标系Y_p1轴转动的角度β_yk＝0；内框架绕台体坐标系Z_p轴转动的角度β_zk＝0；即三个转动轴之间相互垂直。

根据本发明提供计算公式可得：

从以上计算结果可以看出，台体三轴控制器输入量分别与各自陀螺仪的测量值一致。

实施例2：

在本实施例中，利用本发明的计算公式进行解耦计算，其中设定条件如下：基座绕外框架坐标系X_p2轴转动的角度β_xk＝0°；外框架绕内框架坐标系Y_p1轴转动的角度β_yk＝90；内框架绕台体坐标系Z_p轴转动的角度β_zk＝0。

根据本发明提供计算公式可得：

从以上计算结果可以看出，台体轴和内框架轴的控制器输入量分别与各自陀螺仪的测量值一致，但外框架轴的控制器输入量与陀螺仪无关，只取决于台体轴的框架角速率，解决了“框架锁定”时的姿态控制问题。

上述两个实施例可以验证本发明的解耦方法正确。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种三轴惯性稳定平台系统的伺服回路解耦方法，其特征在于：基于三轴惯性稳定平台系统实现，所述稳定平台系统包括基座、外框架、内框架和台体，对应的本体坐标系分别为基座本体坐标系X₁Y₁Z₁、外框架本体坐标系X_p2Y_p2Z_p2、内框架本体坐标系X_p1Y_p1Z_p1和台体本体坐标系X_pY_pZ_p；四个坐标系的原点重合，并且：台体本体坐标系的Z_p轴与内框架本体坐标系的Z_p1轴重合，外框架本体坐标系的Y_p2轴与内框架本体坐标系的Y_p1轴重合，基座本体坐标系的X₁轴与外框架本体坐标系的X_p2轴重合；其中，基座与载体固连，在所述稳定平台系统在载体带动下发生内部相对转动时，基座绕外框架本体坐标系的X_p2轴转动，外框架绕内框架本体坐标系的Y_p1轴转动，内框架绕台体本体坐标系的Z_p轴转动；

所述三轴惯性稳定平台系统伺服回路解耦方法实现步骤如下：

(1)、根据台体上安装的陀螺仪输出的角速度，得到台体在X_p轴、Y_p轴和Z_p轴上的角速度分量

(2)、测量得到三轴惯性稳定平台系统内部相对转动的角度和角速度，包括：基座绕外框架本体坐标系的X_p2轴转动的角度β_xk，外框架绕内框架本体坐标系的Y_p1轴转动的角度β_yk，内框架绕台体本体坐标系的Z_p轴转动的角度β_zk和角速度

(3)、计算台体、内框架和外框架的合成转动角速度，具体计算公式如下：

其中，ω_z为台体Z_p轴的合成转动角速度；ω_y为内框架Y_p1轴的合成转动角速度；ω_x为外框架X_p2轴的合成转动角速度。

2.根据权利要求1所述的一种三轴惯性稳定平台系统的伺服回路解耦方法，其特征在于：在步骤(2)中，通过如下方法测量得到三轴惯性稳定平台系统内部相对转动角度和角速度：

在外框架的X_p2轴上安装角度传感器，测量得到基座绕外框架本体坐标系的X_p2轴转动的角度β_xk；在内框架的Y_p1轴上安装角度传感器，测量得到外框架绕内框架本体坐标系的Y_p1轴转动的角度β_yk；在台体Z_p轴上安装传感器测量内框架绕台体本体坐标系的Z_p轴转动的角度β_zk和角速度

3.根据权利要求1或2所述的一种三轴惯性稳定平台系统的伺服回路解耦方法，其特征在于：在步骤(2)中，转动角度β_xk、β_yk、β_zk的取值范围为0～360°。