CN105136168A - 捷联惯性设备的低成本速率闭环转位控制方法及控制装置 - Google Patents
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Abstract
捷联惯性设备的低成本速率闭环转位控制方法，包括以下步骤：驱动板接收主控板的使能控制信号、方向控制信号后，利用功率放大器生成功率信号驱动力矩电机带动转位机构转动，转向目标方向；转向过程中驱动板利用天向陀螺测量的角速率变化调整功率驱动信号以达到转动角速率，在转向至相应行程开关触发位置时，执行速率切换，按照预设的角速度转动，靠紧限位挡块。不需要引入专门角位置传感器，而是利用捷联惯性设备中的天向陀螺作为反馈元件，在以机械限位保证精度的开环转位机构方案基础上实现简易、低成本闭环控制的方案。还包括相应的控制装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种捷联惯性设备的自动控制方法及控制装置，特别是涉及一种捷联惯性设备的定位定向信号的自动控制方法及控制装置。
背景技术
在捷联式惯性导航设备中，通常包括东、北、天向陀螺仪及相应加速计，为消除惯性器件(陀螺、加速度计)的零偏对导航参数的影响，常采用转位对偶测量的方式，承载惯性器件的转位机构的位置精度、转位时间等是影响初始对准性能的主要因素。一般来说，上述转位机构采用两种方案，一种是开环控制方案，其位置精度靠机械定位保证，转位机构包括力矩电机和位于0°和180°的两个限位挡块；通过控制力矩电机转动速率实现高速转位，通过限位挡块使转位到位，通过力矩电机的堵转率判断转位到位。开环控制的优势是结构简单、成本低，但由于控制过程中无反馈量，力矩电机高速转动容易造成对机械限位的撞击，引起机械限位精度的降低，进而影响寻北精度。
另外一种是闭环控制方案，其位置精度靠闭环回路中的角度传感器精度以及主控板中的控制算法保证，角度传感器适时反馈转位角度，主控板适时调整转动速率。闭环控制方案一般控制稳定性高、精度高，但需要较昂贵的位置反馈元件，制造成本的和调试时间成本都会增加，整体可靠性有所下降。
如何实现带转位机构的捷联导航设备中低成本、高精度的转位控制方案，对于批量生产产品的寻北精度尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种捷联惯性设备的低成本速率闭环转位控制方法，解决现有转位机构的控制过程中硬件结构、反馈元件成本与控制精度无法有效协调的技术问题。
本发明的另一个目的是提供一种用于捷联惯性设备的低成本速率闭环转位的控制装置，解决转位机构转动过程中多类型反馈信号不易及时处理的技术问题。
本发明的捷联惯性设备的低成本速率闭环转位控制方法，包括以下步骤：
驱动板接收主控板的使能控制信号、方向控制信号后，利用功率放大器生成功率信号驱动力矩电机带动转位机构转动，转向目标方向；转向过程中驱动板将天向陀螺测量的角速率变化信息发送给驱动板实现转动速率控制，在转向至相应行程开关触发位置时，执行速率切换，按照预设的角速度转动，靠紧限位挡块。
还包括以下步骤：
步骤51、主控板、驱动板、功率放大器初始化，天向陀螺初始化，力矩电机初始化，第一行程开关接近0°位置设置，第二行程开关接近180°位置设置，各行程开关加电处于打开状态；
步骤52、主控板持续采集天向陀螺数据，预处理后发送给驱动板；
步骤53、主控板接收指令确定转位机构转向位置；
还包括以下步骤：
步骤54、主控板向驱动板发送使能控制信号、方向控制信号；
步骤55、判断是否自180°转向0°位置，是则执行步骤63，否则执行步骤56；
步骤63、驱动板根据控制逻辑生成PWM数据，经功率放大器生成功率信号驱动力矩电机带动转位机构转动；
步骤64、驱动板接收天向陀螺数据，根据PID策略1调整速率控制信号，驱动板将控制信号转换为PWM数据，经功率放大器生成功率信号驱动力矩电机转动；
步骤65、判断是否达到第一行程开关触发位置，否则执行步骤64，是则执行步骤66；
步骤66、驱动板根据PID策略2形成实时PWM数据，经功率放大器生成功率信号驱动力矩电机减速转动；
步骤67、转位机构与180°限位挡块靠紧，力矩电机堵转，等待后续指令或执行步骤68；
步骤68、转位结束。
还包括以下步骤：
步骤54、主控板向驱动板发送使能控制信号、方向控制信号；
步骤56、判断是否自0°转向180°位置，是则执行步骤57，否则执行步骤54；
步骤57、驱动板根据控制逻辑生成PWM数据，经功率放大器生成功率信号驱动力矩电机带动转位机构转动；
步骤58、驱动板接收天向陀螺数据，根据PID策略1调整速率控制信号，驱动板将控制信号转换为PWM数据，经功率放大器生成功率信号驱动力矩电机提速转动；
步骤59、判断是否达到第二行程开关触发位置？否则执行步骤58，是则执行步骤60；
步骤60、驱动板根据PID策略2形成实时PWM数据，经功率放大器生成功率信号驱动力矩电机减速转动；
步骤61、转位机构与180°限位挡块靠紧，力矩电机堵转，等待后续指令或执行步骤68。
还包括以下步骤：
本控制方法中的PID策略1形成以下控制参数：
相应行程开关触发前，以45°/s的角速率转向目标位置；
本控制方法中的PID策略2形成以下控制参数：
相应行程开关触发后，以20°/s的角速率转向目标位置；
转位机构与相应限位挡块靠紧角速率小于0.1°/s时，位置靠紧，力矩电机堵转。
用于捷联惯性设备的低成本速率闭环转位的控制装置，包括：
主控板用于生成控制转位装置的使能控制信号、方向控制信号和，接收天向陀螺反馈的转速信号，预处理后转发给驱动板；
驱动板用于接收转速信号，采集行程开关的触发信号，根据控制逻辑形成修正速率的PWM控制信号；
功率放大器用于将接收的控制信号转换为相应的功率信号并输出；
力矩电机用于接收功率信号，带动承载惯性器件的转位机构完成相应速率的转动，与限位挡块配合，保持安全的堵转；
天向陀螺用于向主控板实时反馈同轴向转动的承载惯性器件的力矩电机转动速率；
行程开关用于向主控板反馈力矩电机转动过程中的单一确定角度。
行程开关包括第一行程开关和第二行程开关，第一行程开关用于在接近0°的转动位置提供触发信号；第二行程开关用于在接近180°的转动位置提供触发信号；
主控板通过其第一数据端口与天向陀螺的数据输出端口连接，主控板通过其第二数据端口与驱动板的第一数据端口连接，驱动板通过其第二数据端口与功率放大器的数据输入端口连接，功率放大器的信号输出端口与力矩电机的信号输入端口连接，第一行程开关和第二行程开关的信号输出端分别连接驱动板的相应信号输入端。模拟信号和功率表信号的传输主要采用信号端口。
本发明的捷联惯性设备的低成本速率闭环转位控制方法，不需要引入专门角位置传感器，而是利用捷联惯性设备中的转位轴向陀螺作为反馈元件，在以机械限位保证精度的开环转位机构方案基础上实现简易、低成本闭环控制的方案。从而简化了系统结构、提高了转位控制精度和平稳性、节约了系统成本。
本发明的低成本速率反馈闭环转位控制系统主要由控制板、驱动板、限位的行程开关、捷联惯组的天向陀螺、力矩电机构成。接收到转位控制指令后，闭环控制算法以最大角速率转向目标位置，此时闭环控制系统由捷联惯组的天向陀螺作为角速率传感器，与驱动板中的数字控制算法、PID策略配合力矩电机构成速率闭环控制，转位过程中，转位机构受速率闭环控制算法的控制，其转动角速率始终稳定在固定误差范围内。当转位机构接近目标位置时，行程开关闭合，表示转位机构即将到达目标位置，此时速率闭环控制回路将转位速率转换为小速率转位模式，防止转位机构撞击机械限位挡块。
附图说明
图1为本发明捷联惯性设备的低成本速率闭环转位控制方法的信号反馈示意图；
图2为本发明捷联惯性设备的低成本速率闭环转位控制装置的连接结构示意图；
图3为本发明捷联惯性设备的低成本速率闭环转位控制方法的主要控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，本实施例中的主控板01用于生成控制力矩电机的使能控制信号、方向控制信号，接收天向陀螺反馈的转速信号，预处理后转发给驱动板；
驱动板12用于接收转速信号，采集行程开关的触发信号，根据控制逻辑形成修正速率的PWM控制信号；
功率放大器13用于将接收的控制信号转换为相应的功率信号并输出；
力矩电机02用于接收功率信号，带动承载惯性器件的转位机构完成相应速率的转动，与限位挡块配合，保持安全的堵转；
天向陀螺03用于向主控板01实时反馈同轴向转动的承载惯性器件的力矩电机02转动速率；
行程开关04用于向主控板01反馈力矩电机02转动过程中的单一确定角度。
主控板01根据将天向陀螺03实时反馈的速率信号传送至驱动板，驱动板根据控制策略与功率放大器13配合，相应调整力矩电机02速率控制信号，保证转位机构实现最短的转位时长；驱动板根据行程开关04在单一确定角度形成的触发信号，结合控制策略实现速率切换，相应调整力矩电机02速率控制信号，保证转位机构平稳的与限位挡块靠近，保持到位。
本实施例的速率闭环转位控制方法，可以利用天向陀螺03的转动速率反馈在转动初始提供较高的转动速率，根据转动行程调高转动速率，满足高速转位过程，提高寻北精度。同时还可以利用行程开关04触发信号启动转动速率下降控制，快速控制转动速率下降，提高可靠性，满足转位到位时与限位挡块的稳定停靠，保证机械结构的高可用性。
如图2所示，本实施例的具体电路中包括第一行程开关41和第二行程开关42，第一行程开关41用于在接近0°的转动位置提供触发信号；第二行程开关42用于在接近180°的转动位置提供触发信号；
主控板01通过其第一数据端口与天向陀螺03的数据输出端口连接，主控板01通过其第二数据端口与驱动板12的第一数据端口连接，驱动板12通过其第二数据端口与功率放大器13的数据输入端口连接，功率放大器13的信号输出端口与力矩电机02的信号输入端口连接，第一行程开关41和第二行程开关42的信号输出端分别连接驱动板12的相应信号输入端。模拟信号和功率表信号的传输主要采用信号端口。
本实施例中主控板01采用TI6700系列DSP芯片，驱动板12采用C8051F系列单片机，功率放大器13采用LMD18245芯片。
驱动板12接收主控板01的使能控制信号、方向控制信号后，利用功率放大器13生成功率信号驱动力矩电机02带动转位机构转动，转向目标方向；转向过程中主控板01将天向陀螺测量的角速率变化发送给驱动板12，驱动板12结合控制策略调整转动速率，并形成相应的功率信号驱动力矩电机02，在转向至相应行程开关触发位置(第一行程开关41接近0°位置，第二行程开关42接近180°位置)时，驱动板12执行速率切换控制策略(小速率转位模式)，按照预设的角速度转动，靠紧限位挡块。
如图3所示，其中具体的速率闭环转位控制主要步骤包括：
步骤51、主控板、驱动板、功率放大器初始化，天向陀螺初始化，力矩电机初始化，各行程开关加电处于打开状态；
步骤52、主控板持续采集天向陀螺数据，预处理后发送给驱动板；
步骤53、主控板接收指令确定转位机构转向位置；
步骤54、主控板向驱动板发送使能控制信号、方向控制信号；
步骤55、判断是否自180°转向0°位置，是则执行步骤63，否则执行步骤56；
步骤56、判断是否自0°转向180°位置，是则执行步骤57，否则执行步骤54；
步骤57、驱动板根据控制逻辑生成PWM数据，经功率放大器生成功率信号驱动力矩电机带动转位机构转动；
步骤58、驱动板接收天向陀螺数据，根据PID策略1调整速率控制信号，驱动板将控制信号转换为PWM数据，经功率放大器生成功率信号驱动力矩电机提速转动；
步骤59、判断是否达到第二行程开关触发位置？否则执行步骤58，是则执行步骤60；
步骤60、驱动板根据PID策略2形成实时PWM数据，经功率放大器生成功率信号驱动力矩电机减速转动；
步骤61、转位机构与180°限位挡块靠紧，力矩电机堵转，等待后续指令或执行步骤68；
步骤63、驱动板根据控制逻辑生成PWM数据，经功率放大器生成功率信号驱动力矩电机带动转位机构转动；
步骤64、主控板读取天向陀螺数据，根据PID策略1调整速率控制信号，驱动板将控制信号转换为PWM数据，经功率放大器生成功率信号驱动力矩电机转动；
步骤65、判断是否达到第一行程开关触发位置？否则执行步骤64，是则执行步骤66；
步骤66、驱动板根据PID策略2形成实时PWM数据，经功率放大器生成功率信号驱动力矩电机减速转动；
步骤67、转位机构与180°限位挡块靠紧，力矩电机堵转，等待后续指令或执行步骤68；
步骤68、转位结束。
本控制方法中的控制逻辑的PID策略1可以形成以下控制参数：
相应行程开关触发前，以45°/s的角速率转向目标位置；
本控制方法中的控制逻辑的PID策略2可以形成以下控制参数：
相应行程开关触发后，以20°/s的角速率转向目标位置；
转位机构与相应限位挡块靠紧角速率小于0.1°/s时，位置靠紧，力矩电机堵转。
另一种PID策略1可以形成以下控制参数：
将转动过程划分为启动、加速、保持三阶段，启动阶段5°-10°/s的角速率，加速阶段40°-70°/s的角速率，保持阶段40°-50°/s的角速率；
另一种PID策略2可以形成以下控制参数：
将转动过程划分为减速、靠紧二阶段，减速阶段30°-20°/s的角速率，靠紧阶段5°-2°/s的角速率。
这种PID策略组合，可以充分利用反馈信号，动态调整转位速率，大幅缩短转位周期，避免对限位挡块的碰撞，并保持靠紧状态。
在转动过程中，采用低成本闭环速率控制方案解决了带转位机构的捷联惯组转位的平稳性、快速性和转位机构中限位挡块的定位精度问题，且闭环速率控制中的角速率传感器直接采用捷联惯组中的天向陀螺，不需要附加传感器，节约了成本，简化了系统设计，提高了可靠性。具体优点如下：
1)采用捷联惯组中的天向陀螺作为角速率传感器构成闭环控制，不需要额外的角速率传感器，简化了设计，节约了成本；且陀螺的角速率测量精度高，有利于控制精度的实现；
2)采用速率闭环控制方式进行转位控制，且转位过程中有大小速率的切换，可以提高转位的快速性，将转位时间从20s缩短到10-5s，最终缩短了捷联惯组的初始对准时间；
3)采用速率闭环控制方式进行转位控制，在转位机构即将到达目标角位置时，将转位速率切换为低速转位状态，减缓了转位机构到达目标位置时对限位挡块的撞击，避免因限位挡块受撞击引起的角位移，从而影响捷联惯组的初始对准精度；
5)生产调试简单，更适合批量生产。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (7)
1.捷联惯性设备的低成本速率闭环转位控制方法，包括以下步骤：
驱动板(12)接收主控板(01)的使能控制信号、方向控制信号后，利用功率放大器(13)生成功率信号驱动力矩电机(02)带动转位机构转动，转向目标方向；转向过程中驱动板(12)将天向陀螺测量的角速率变化信息发送给驱动板(12)实现转动速率控制，在转向至相应行程开关触发位置时，执行速率切换，按照预设的角速度转动，靠紧限位挡块。
2.如权利要求1所述的捷联惯性设备的低成本速率闭环转位控制方法，还包括以下步骤：
步骤51、主控板、驱动板、功率放大器初始化，天向陀螺初始化，力矩电机初始化，第一行程开关接近0°位置设置，第二行程开关接近180°位置设置，各行程开关加电处于打开状态；
步骤52、主控板持续采集天向陀螺数据，预处理后发送给驱动板；
步骤53、主控板接收指令确定转位机构转向位置。
3.如权利要求2所述的捷联惯性设备的低成本速率闭环转位控制方法，还包括以下步骤：
步骤54、主控板向驱动板发送使能控制信号、方向控制信号；；
步骤55、判断是否自180°转向0°位置，是则执行步骤63，否则执行步骤56；
步骤63、驱动板根据控制逻辑生成PWM数据，经功率放大器生成功率信号驱动力矩电机带动转位机构转动；
步骤64、驱动板接收天向陀螺数据，根据PID策略1调整速率控制信号，驱动板将控制信号转换为PWM数据，经功率放大器生成功率信号驱动力矩电机转动；
步骤65、判断是否达到第一行程开关触发位置，否则执行步骤64，是则执行步骤66；
步骤66、驱动板根据PID策略2形成实时PWM数据，经功率放大器生成功率信号驱动力矩电机减速转动；
步骤67、转位机构与180°限位挡块靠紧，力矩电机堵转，等待后续指令或执行步骤68；
步骤68、转位结束。
4.如权利要求3所述的捷联惯性设备的低成本速率闭环转位控制方法，还包括以下步骤：
步骤54、主控板向驱动板发送使能控制信号、方向控制信号；
步骤56、判断是否自0°转向180°位置，是则执行步骤57，否则执行步骤54；
步骤57、驱动板根据控制逻辑生成PWM数据，经功率放大器生成功率信号驱动力矩电机带动转位机构转动；
步骤58、驱动板接收天向陀螺数据，根据PID策略1调整速率控制信号，驱动板将控制信号转换为PWM数据，经功率放大器生成功率信号驱动力矩电机提速转动；
步骤59、判断是否达到第二行程开关触发位置？否则执行步骤58，是则执行步骤60；
步骤60、驱动板根据PID策略2形成实时PWM数据，经功率放大器生成功率信号驱动力矩电机减速转动；
步骤61、转位机构与180°限位挡块靠紧，力矩电机堵转，等待后续指令或执行步骤68。
5.如权利要求3或4所述的捷联惯性设备的低成本速率闭环转位控制方法，还包括以下步骤：
本控制方法中的PID策略1形成以下控制参数：
相应行程开关触发前，以45°/s的角速率转向目标位置；
本控制方法中的PID策略2形成以下控制参数：
相应行程开关触发后，以20°/s的角速率转向目标位置；
转位机构与相应限位挡块靠紧角速率小于0.1°/s时，位置靠紧，力矩电机堵转。
6.用于捷联惯性设备的低成本速率闭环转位的控制装置，包括：
主控板(01)用于生成控制转位装置的使能控制信号、方向控制信号和，接收天向陀螺反馈的转速信号，预处理后转发给驱动板；
驱动板(12)用于接收转速信号，采集行程开关的触发信号，根据控制逻辑形成修正速率的PWM控制信号；
功率放大器(13)用于将接收的控制信号转换为相应的功率信号并输出；
力矩电机(02)用于接收功率信号，带动承载惯性器件的转位机构完成相应速率的转动，与限位挡块配合，保持安全的堵转；
天向陀螺(03)用于向主控板(01)实时反馈同轴向转动的承载惯性器件的力矩电机(02)转动速率；
行程开关(04)用于向主控板(01)反馈力矩电机(02)转动过程中的单一确定角度。
7.如权利要求6所述的用于捷联惯性设备的低成本速率闭环转位的控制装置，其特征在于：包括第一行程开关(41)和第二行程开关(42)，第一行程开关(41)用于在接近0°的转动位置提供触发信号；第二行程开关(42)用于在接近180°的转动位置提供触发信号；
主控板(01)通过其第一数据端口与天向陀螺(03)的数据输出端口连接，主控板(01)通过其第二数据端口与驱动板(12)的第一数据端口连接，驱动板(12)通过其第二数据端口与功率放大器(13)的数据输入端口连接，功率放大器(13)的信号输出端口与力矩电机(02)的信号输入端口连接，第一行程开关(41)和第二行程开关(42)的信号输出端分别连接驱动板(12)的相应信号输入端。模拟信号和功率表信号的传输主要采用信号端口。
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