CN105549636A - 振动环境下加速度计辅助视轴稳定系统及稳定方法 - Google Patents

Abstract

振动环境下加速度计辅助视轴稳定系统及稳定方法，涉及伺服控制系统领域，解决现有视轴稳定控制过程中，平台振动导致的视轴不稳定的问题，本发明是在平台上安装三个加速度计，通过位移计算模块得到位移量，再经过视轴解算模块解算出视轴中心的晃动值，最后通过视轴控制模块进行反馈调节，从而得到稳定视轴的方法。本发明适用于平台振动环境下，特别是测量点的平台的振动位移不同时，对视轴的稳定控制具有显著效果。

Description

振动环境下加速度计辅助视轴稳定系统及稳定方法

技术领域

本发明涉及伺服控制系统领域，具体涉及通过测量加速度计输出值解算平台振动，从而调整视轴中心位置的视轴稳定方法。

背景技术

随着光电观测等测量设备和平台的应用越来越广泛，舰载与机载平台不可避免地产生振动，这使得视轴的稳定性越来越受到关注。以往的视轴稳定系统只考虑到船体摇摆产生的零点几赫兹的晃动，并采用陀螺等惯性设备进行测量，而平台的振动多是由于内部结构及工作机制决定的，其频率也较高，通常为30～40Hz左右，方向与平台所在平面垂直，这种振动对视轴稳定性影响较大，且不能够通过设备的方位或俯仰值进行调节，所以很难控制这种振动对视轴产生的影响。

发明内容

本发明为解决现有视轴稳定控制过程中，平台振动导致的视轴不稳定的问题，提供一种振动环境下加速度计辅助视轴稳定系统及稳定方法。

振动环境下加速度计辅助视轴稳定系统，其特征是，包括位移计算模块、视轴解算模块、视轴控制模块和均布设置在平台水平面上的三个加速度计；所述三个加速度计同时测量平台上三个点的振动位移信息；所述位移计算模块，用于对位移信息进行计算，获得每个点的位移值；所述视轴解算模块，用于根据每个点的位移值，获得平台振动后的视轴偏移量；所述视轴控制模块，用于根据视轴偏移量，采用闭环控制方式，调节视轴，实现视轴稳定。

振动环境下加速度辅助视轴稳定方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、采集加速度计采样值送给位移计算单元；

步骤二、位移计算单元输出三点加速度计的位移值给视轴解算模块；

步骤三、视轴解算模块输出视轴偏差给视轴控制模块；

步骤四、视轴控制模块根据偏差修正视轴抖动。

本发明的有益效果：本发明所述的方法很好地抑制了视轴的晃动，提高了视轴的稳定性；本发明的目的是采用加速度计测量平台振动位移，通过视轴解算从而控制视轴的稳定，安装方便，不改变原有系统架构，方法简单实用。

附图说明

图1为本发明所述的振动环境下加速度计辅助视轴稳定系统中加速度计安装位置示意图；

图2为本发明所述的振动环境下加速度计辅助视轴稳定系统中位移计算模块流程图；

图3为本发明所述的振动环境下加速度计辅助视轴稳定系统视轴解算模块各参数示意图；其中a为相关参数沿y轴角度观察示意图，b为相关参数沿z轴角度观察示意图，c为相关参数沿x轴角度观察示意图。

图4为采用本发明所述的振动环境下加速度计辅助视轴稳定系统进行测量的原理图；

图5为采用本发明所述的振动环境下加速度计辅助视轴稳定系统进行采样过程中部分采样数据示意图；

图6为采用本发明所述的振动环境下加速度计辅助视轴稳定系统进行测量时的坐标系示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图6说明本实施方式，一种振动环境下加速度计辅助视轴稳定系统，该系统包括位移计算模块、视轴解算模块、视轴控制模块和均布设置在平台水平面上的三个加速度计；所述三个加速度计同时测量平台上三个点的振动位移信息；所述位移计算模块，用于对位移信息进行计算，获得每个点的位移值；所述视轴解算模块，用于根据每个点的位移值，获得平台振动后的视轴偏移量；所述视轴控制模块，用于根据视轴偏移量，采用闭环控制方式，调节视轴，实现视轴稳定。

本实施方式中将三个加速度计安装在平台上，其测量方向垂直于平台初始平面，其安装位置如图1所示，图中圆环表示平台，1、2、3为加速度计安装位置，1号加速度计安装于视轴与平台外圆周交点处，2号3号加速度计与1号等间距安装，x为视轴方向，y为加速度计测量方向，h为两个加速度计间的距离。

具体实施方式二、结合图2至图6说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的振动环境下加速度计辅助视轴稳定系统的稳定方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、测量三个加速度计输出值，通过位移计算模块得到每个点的位移值；位移计算模块的计算流程如图2所示，首先对加速度数据进行高通滤波，然后利用平均值法去除直流分量，再对加速度值进行一次积分，积分结果通过最小二乘法消除趋势项，再进行一次高通滤波得到速度值，对速度值进行一次积分，积分结果通过最小二乘消除趋势项即得到期望数据。

步骤二、把每个点的位移值送入视轴解算模块，通过计算，得到视轴晃动信息。

步骤三、视轴晃动信息送入视轴控制模块，通过闭环控制调节视轴稳定。

所述的位移计算模块利用的是加速度值一次积分得到速度值，速度值再次积分得位移值的基本原理，数据经过采样电路输出为数字信号，如图5所示为系统采样过程部分采样点的示意图，列举三个采样的数据点(t_A，a_A)(t_B，a_B)(t_C，a_C)，若t表示时间，a表示加速度，x表示位移，v表示速度，n为采样点，则有

$v_A-v_0={\∫}_0^{t_A}\frac{a_A}{t_A}tdt=\frac{a_A}{t_A}\frac{t^2}{2}{|}_0^{t_A}=\frac{a_A{t}_A}{2}---\left(1\right)$

$x_A-0={\∫}_0^{t_A}\frac{a_A}{2}dt=\frac{a_A}{2}\frac{t^2}{2}{|}_0^{t_A}=\frac{a_A{t}_A^2}{4}---\left(2\right)$

$v_B-v_A={\∫}_{t_A}^{t_B}\[\frac{a_B-a_A}{t_A}t+(2a_A-a_B)\]dt=\frac{1}{2}{t}_A(a_A+a_B)---\left(3\right)$

$x_B-x_A={\∫}_{t_A}^{t_B}\[\frac{v_B-v_A}{t_B-t_A}t+(2v_A-v_B)\]dt=\frac{1}{2}{t}_A(v_A+v_B)---\left(4\right)$

$v_C-v_B={\∫}_{t_B}^{t_C}\[\frac{a_C-a_B}{t_C-t_B}t+(3a_B-a_C)\]dt=\frac{1}{2}{t}_A(a_C+a_B)---\left(5\right)$

$x_C-x_B=\[\frac{v_C-v_B}{t_C-t_B}t+(3v_B-2v_C)\]dt=\frac{1}{2}{t}_A(v_C+v_B)---\left(6\right)$

那么，根据推演公式

$x_{n+1}-x_n=\[\frac{1}{2}{a}_{n+1}+\frac{3}{2}{a}_n+2\underset{j=1}{\overset{n-1}{\Σ}}{a}_j\]\frac{t^2}{2}---\left(7\right)$

可以得到t时刻采样点n+1的位移值。

由于直流分量和趋势项的存在影响测量结果，位移计算模块增加了相应的算法做到去直流分量与趋势项，输出准确的位移值给视轴解算模块。具体流程如图2所示。

平均值法去直流分量公式：

$a_i\left(t\right)=a_i^{*}-\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{a}_i^{*}---\left(8\right)$

视轴解算模块的解算原理如图3所示，x轴为视轴方向，由于每个位置的加速度计均可测量出位移，a1、a2、a3、a4分别表示1、2、3、4号位置产生的位移，4为2号、3号中点，m为1号加速度计与4号位置的相对位移，l为1号加速度计与4号位置的距离，α为俯仰角产生的偏差角度，r为2号、3号加速度计的相对位移，β为翻滚角产生的偏差角度。

$\mathrm{\α}=arctg\frac{m}{l}---\left(9\right)$

$\mathrm{\β}=arctg\frac{r}{h}---\left(10\right)$

Y轴方向的位移量对视轴影响忽略不计，通过视频解算模块的计算得到振动后的视轴偏移量，偏移量α和β作为视轴控制模块的输入，通过视轴控制模块的解算，把偏移量α和β转换成目标脱靶量通过闭环控制执行机构进行调节。由偏移量引起的目标脱靶量计算原理如下：

如图6所示为系统进行测量时的坐标系示意图，以视轴中心为原点建立新坐标系ijk，若空间一点(i,j,k)，经过k轴旋转α角与i轴旋转β角后的新坐标为(i′,j′,k′)，则：

$\left[\begin{array}{c}{i}^{\′}\\ j^{\′}\\ k^{\′}\end{array}\right]=R_i{R}_k\left[\begin{array}{c}i\\ j\\ k\end{array}\right]---\left(11\right)$

其中 $R_i=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\β}& sin\mathrm{\β}\\ 0& -sin\mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right],R_k=\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\α}& sin\mathrm{\α}& 0\\ -sin\mathrm{\α}& cos\mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

所以 $\left\{\begin{array}{c}{i}^{\′}=icos\mathrm{\α}+jsin\mathrm{\α}\\ j^{\′}=-isin\mathrm{\α}cos\mathrm{\β}+jcos\mathrm{\α}cos\mathrm{\β}+ksin\mathrm{\β}\\ k^{\′}=i\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}-j\cos \mathrm{\α}sin\mathrm{\β}+k\cos \mathrm{\β}\end{array}\right.---\left(12\right)$

对于目标成像平面来讲，i和i′均为0，则有

$\left\{\begin{array}{c}{j}^{\′}=j\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+k\sin \mathrm{\β}\\ k^{\′}=-j\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}+k\cos \mathrm{\β}\end{array}\right.---\left(13\right)$

整个计算过程如图4所示，加速度计测量的加速度值送给位移计算模块，位移计算模块把加速度值转换成相应位移值送给视轴解算模块，视轴解算模块把位移值结算成视轴姿态值送给视轴控制模块，视轴控制模块根据偏差值进行闭环控制，调节视轴使之稳定。

Claims (5)

1.振动环境下加速度计辅助视轴稳定系统，其特征是，包括位移计算模块、视轴解算模块和视轴控制模块均布设置在平台水平面上的三个加速度计；所述三个加速度计同时测量平台上三个点的振动位移信息；

所述位移计算模块，用于对位移信息进行计算，获得每个点的位移值；

所述视轴解算模块，用于根据每个点的位移值，获得平台振动后的视轴偏移量；

所述视轴控制模块，用于根据视轴偏移量，采用闭环控制方式，调节视轴，实现视轴稳定。

2.根据权利要求1所述的振动环境下加速度计辅助视轴稳定系统，其特征在于，所述三个加速度计的测量方向垂直于平台初始平面。

3.根据权利要求1或2所述的振动环境下加速度计辅助视轴稳定系统，其特征在于，位移计算模块首先对接收的加速度数据进行高通滤波，然后利用平均值法去除直流分量，再对加速度值进行一次积分，积分结果通过最小二乘法消除趋势项，再进行一次高通滤波得到速度值，对速度值进行一次积分，积分结果通过最小二乘消除趋势项，获得期望数据，即三个加速度计的位移值。

4.根据权利要求1所述的振动环境下加速度辅助视轴稳定方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤一、采集三个加速度计的测量值传送至位移计算模块；

步骤二、所述位移计算模块对测量值进行计算，并将计算的三个加速度计的位移值输出至视轴解算模块；

步骤三、所述视轴解算模块根据接收的位移值，计算视轴偏移量，并将所述的视轴偏移量传送至视轴控制模块；

步骤四、所述视轴控制模块根据接收的视轴偏移量修正视轴抖动，实现视轴的稳定。

5.根据权利要求4所述的振动环境下加速度辅助视轴稳定方法，其特征在于，所述位移计算模块首先对接收的加速度数据进行高通滤波，然后利用平均值法去除直流分量，再对加速度值进行一次积分，积分结果通过最小二乘法消除趋势项，再进行一次高通滤波得到速度值，对速度值进行一次积分，积分结果通过最小二乘消除趋势项，获得期望数据，即三个加速度计的位移值。