CN105929860A

CN105929860A - 舰艇海况动态模拟器控制系统

Info

Publication number: CN105929860A
Application number: CN201610530663.3A
Authority: CN
Inventors: 唐刚; 李希垒; 胡雄
Original assignee: Shanghai Maritime University
Current assignee: Shanghai Maritime University
Priority date: 2016-07-07
Filing date: 2016-07-07
Publication date: 2016-09-07

Abstract

本发明提供了一种舰艇海况模拟器姿态控制系统，包括惯性传感器模块，主控模块，D/A转换器模块，多路复用开关模块，PID控制器模块。6自由度惯性传感器将采集到的平台运动状态数据通过SPI通信协议，将数据传送给主控模块单元，主控模块单元通过逻辑运算，将运动状态数据转变为平台的倾角、升程状态参数，得到平台的运动信息、空间位置信息。调整的运动参数，经D/A转换器将数字信号转化成模拟信号，再将信号输入到PID控制器，从而实现平台运动。本发明具有较好的动态特性和稳定性，平台姿态能够及时调整，模块集成在同一电路板上，质量小，精度高，多路控制开关的高电平保护机制，可避免电荷过载对电路造成的损害，实现更加精确的空间位置控制。

Description

舰艇海况动态模拟器控制系统

技术领域

本发明涉及物体运动控制领域，具体涉及到舰艇海况动态模拟器控制系统。

背景技术

舰艇海况动态模拟器是由九支运动缸，上、中、下三个平台，上平台有六个万向铰链，中平台上侧有六个万向铰链，中平台下侧有三个万向铰链，下平台有三个万向铰链。下平台固定在基座上，借助三支运动缸的伸缩运动完成中上平台在空间的三个自由度；中平台借助六支运动缸的伸缩运动，完成上平台的六个自由度。从而可以模拟出各种空间运动姿态。舰艇海况运动模拟器和传统六自由度模拟器相比，其优势在于可以模拟出0-9级海况。从而模拟出舰艇在恶劣天气时的极限作战姿态。

控制系统是舰艇海况动态模拟器的核心组成部分，控制系统的优劣可以直接影响到模拟器的稳定性和精度。

发明内容

本发明提供了一种舰艇海况模拟器姿态控制系统，包括惯性传感器模块，主控模块，D/A转换器模块，多路复用开关模块，PID控制器模块。惯性传感器惯性传感器模块包括一个6自由度惯性传感器，6自由度惯性传感器安装在上模拟平台上，实时测量所述模拟平台的运动特性，即角速度和加速度以及位置特性，即倾角和升程，模拟上、中、下三个平台的运动姿态。6自由度惯性传感器由一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计组成，6自由度惯性传感器拥有SPI串口通讯接口，主控模块单元借助所述SPI串口通讯接口与6自由度惯性传感器以串行方式进行通讯交换信息，主控模块从SPI接口寄存器读取6自由度惯性传感器的角速度、加速度信号，6自由度惯性传感器不直接读取模拟平台的倾角、升程信息，而是通过主控模块将上述数据进行转化，得到模拟平台的倾角、升程信息，得到模拟平台的倾角、升程信息，得到模拟平台的空间位置信息。在主控计算机输入运动参数，经D/A转换器将数字信号转化成模拟信号，再将信号输入到PID控制器，从而实现平台运动。通过运动与位置信号的输入和反馈，及时调节和收集模拟平台的姿态，形成一条完整的闭环控制系统。

主控模块单元为平台的核心控制单元，包括微处理器，复位电路，晶振电路，外部扩展ROM、RAM电路。微处理器快速识别和处理多个传感器数据和接收控制计算机输入的控制数据，实时接收和反馈得到的数据信息。在执行输入运动姿态数据时微处理器和PID控制器之间采用I2C通讯，由微处理器通过I2C接口向目标PID控制器发送目标地址信号，此时I2C总线上PID控制器会根据目标地址是否匹配，决定接收或屏蔽主机发出的信号，此时，微处理器向目标PID控制器发送相应的控制数据，从而实现PID控制器和微处理器之间的通信。PID控制器由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成,PID控制器会根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制，获得良好的动态特性和稳定性。微处理器和6自由度惯性传感器模块之间采用SPI串口通讯模式。传感器模块采用惯性测量单元，其包括一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计,其可以精确测量模拟平台3个方向的角速度和3个方向的加速度信号，微处理器算法程序包括姿态、位置计算的相关算法，其中，加速度信号经过二重积分得到平台升程数据信息，即模拟平台的位移数据，角速度信号经过一重积分等到平台运动的倾角数据信息，从而得到模拟平台的运动、位置的特性，而其它传感器并不能实现上述的全部功能；算法程序还包括PID控制器的控制代码，微处理器将主控计算机发送的命令中的倾斜的角度、运动的频率等数据与测量和计算的角度、运动数据信息做比对，快速的对比例、积分、微分这三个参数再次进行调整，并将调整参数发送给PID控制器。多路复用开关模块，利用它可将各个输入信号依次或者随机的接到模数和数模转换器上，多路复用开关模块由单端八掷开关，有三根控制输入端A、B、C和一根禁止输入端INH（高电平禁止）。模块内部由二进制译码器，可按输入的A、B、C信号使八个通道的一个与X接通。当INH为高电平时，不论A、B、C为何值，八个通道均不通。从而实现对过载保护。

本发明有着以下有益效果：

1.采用PID控制器，可以使平台获得良好的动态特性和稳定性；

2.惯性传感器可将平台姿态数据实时反馈，经微处理器算法处理后，可以得到平台的运动、空间位置信息，与输入的命令状态做比对，便于平台姿态的及时调整；

3.采用级联方式测量，可将部分模块集成在同一电路板上，质量小，精度高；

4.多路控制开关的高电平保护机制，可避免电荷过载对电路造成的损害；

5.惯性传感器、微处理器、PID控制器、运动缸形成一条完整的闭环控制系统，可以实现更加精确的空间位置控制。

附图说明

图1是本发明的电路框图；

图2是本发明的传感器模块微处理器图；

图3是本发明的多路复用开关模块电路图；

附图标记说明：1，主控模块； 4，多路开关模块；5，传感器模块；6，DA转换器模块；7，PID控制器模块；8-16，自检器；17，x轴加速度信号；18，y轴加速度信号；19，z轴加速度信号；20，x轴角速度信号；21，y轴角速度信号；22，z轴角速度信号；23，温度传感器；24电荷泵；25-31，AD转换器；32，时钟信号；33，信号处理器；34，中断寄存器；35，FIFO寄存器；36，配置寄存器；37，传感器寄存器；38，校准器；39，从动I2C和SPI串行接口；40主控I2C串行接口；41，数字运动处理器；42，串行接口；43，偏压和低压差线性稳压器；44，INH禁止输入端；45-47参数控制信号输入端ABC；48-56，单掷开关；57，X接口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行说明，详细说明本发明的技术方案。

由图1所示本发明提供的是舰艇海况平台控制系统，该系统包括主控模块单元1，传感器模块5，D/A转换器模块6，多路复用开关模块4，以及PID控制器模块7。

主控模块单元，能够保证系统的实施性，并能快速处理和识别多个数据，有着良好的嵌入式能力。考虑系统性价比，可采用ST公司的STM32F103CBT6微处理器，其有着上述功能。传感器模块5测得的加速度和角速度信号参数通过通信协议进入模块1，并由模块1对多组数据进行分析处理，可实时得到平台的运动信息、空间位置信息，发送给主控计算机上显示平台状态。用户将计划参数输入到模块1经D/A转换后，通过多路复用开关模块可将参数传递给PID控制器以控制平台达到理想姿态。微处理器和传感器之间通讯采用SPI协议，微处理器定时从传感器模块的输出寄存器取出加速度、角速度信号，并运用处理器的运算功能，加速度信息经二重积分得到位移数据、角速度信号经一重积分得到角度数据，微处理器经计算所得数据发给主控计算机，得到平台的实时姿态数据。微处理器与PID控制器之间采用I2C通讯，由微处理器通过I2C接口向PID控制器发送信号指令，在I2C总线上PID模块就开始等待主机地址信号，此时I2C总线上的其他模块就会自动屏蔽之后主机发出的信号，达到PID控制器和微处理器。惯性传感器、微处理器、PID控制器、运动缸在此控制模式下可以实现完整的闭环控制，使整个系统控制误差更加微小。

图2中为传感器模块5的微处理器，其集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪，可精确跟踪平台的运动状态，传感器的测量范围为用户可控，并且该芯片内部有可编程的低筒滤波器，可以调节加速度传感器和陀螺仪的测量范围。图中8-16是传感器芯片上的自检模块，用来了解传感器的电气和机械结构，对每个测量轴的自检可通过设置控制配置寄存器36的相关位数来进行。自检启动后，电路会使传感器工作并且产生输出信号，其值可从FIF0寄存器35和传感器寄存器37中读出，为后期误差处理提供一定的参考。然后经过16位的AD转换器25-31将测量得到的模拟信号转换成数字信号，图中的24是电荷泵提供了MEMS振荡器需要的高电压；并且该芯片上有灵活的时钟机制，芯片初次使用时需要用到其内部时钟32，当系统稳定后，可以使用其它时钟源，其内部通讯采用从动I2C和SPI串行接口39和SPI接口与芯片连接，而主控I2C串行接口40可以外接其它传感器使用；系统中的中断包括动态中断和静态中断，由中断状态寄存器34保留其信息。加速度传感器和陀螺仪的配合使用能够更好的减小测量误差，分析物体的运动；采用惯性测量单元可以很大的减小整体结构的体积。

图3为多路复用开关模块电路图，片上有二进制译码器，可按照输入的45-47ABC信号使8个通路中的一个X接口57接通。当44INH为高电平时，不论ABC为何值，8个通路均不通。从而实现对电路的保护。

Claims

1.一种舰艇海况模拟器姿态控制系统，其特征在于包括惯性传感器模块，主控模块，D/A转换器模块，多路复用开关模块，PID控制器模块；惯性传感器模块包括一个6自由度惯性传感器，6自由度惯性传感器安装在上模拟平台上，实时测量所述模拟平台的运动特性，即角速度和加速度以及位置特性，即倾角和升程，模拟上、中、下三个平台的运动姿态，其由一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计组成，6自由度惯性传感器拥有SPI串口通讯接口，主控模块单元与6自由度惯性传感器借助所述SPI串口通讯接口以串行方式进行通讯交换信息，主控模块从SPI接口寄存器读取6自由度惯性传感器的角速度、加速度信号，6自由度惯性传感器不直接读取模拟平台的倾角、升程信息，而是通过主控模块将上述数据进行转化，得到模拟平台的倾角、升程信息，进而得到模拟平台的空间位置信息；在主控计算机输入运动参数，经D/A转换器将数字信号转化成模拟信号，再将信号输入到PID控制器，从而实现平台运动；通过运动与位置信号的输入和反馈，及时调节和收集模拟平台的姿态，形成一条完整的闭环控制系统。

2.如权利要求1所述的舰艇海况模拟器姿态控制系统，其特征在于主控模块单元包括微处理器、复位电路、晶振电路、外部扩展ROM、RAM电路；微处理器快速识别和处理惯性传感器和6自由度惯性传感器的数据并接收主控模块输入的控制数据，实时接收和反馈得到的数据信息；微处理器和PID控制器之间采用I2C通讯执行输入运动姿态数据，由微处理器通过I2C接口向目标PID控制器发送目标地址信号，I2C总线上PID控制器根据目标地址是否匹配，决定接收或屏蔽主机发出的信号，微处理器进而向目标PID控制器发送相应的控制数据，实现PID控制器和微处理器之间的通信；PID控制器由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成，PID控制器根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制，获得良好的动态特性和稳定性；微处理器和6自由度惯性传感器模块之间采用SPI串口通讯模式；6自由度惯性传感器中的三轴陀螺仪和三轴加速度计精确测量模拟平台3个方向的角速度和3个方向的加速度信号，微处理器把加速度信号经过二重积分得到平台升程数据信息，即模拟平台的位移数据，把角速度信号经过一重积分等到平台运动的倾角数据信息，从而得到模拟平台的运动、位置的特性；微处理器将主控计算机发送的命令中的倾斜的角度、运动的频率等数据与测量和计算的角度、运动数据信息做比对，快速的对比例、积分、微分这三个参数再次进行调整，并将调整参数发送给PID控制器。

3.如权利要求2所述的舰艇海况模拟器姿态控制系统，其特征在于多路复用开关模块利用PID控制器将各个输入信号依次或者随机的接到模数和数模转换器上，多路复用开关模块具有单端八掷开关，有三根控制输入端A、B、C和一根禁止输入端INH；多路复用开关模块内部具有二进制译码器，按输入的A、B、C信号使八个通道的一个与X接通；当INH为高电平时，不论A、B、C为何值，八个通道均不通，从而实现对过载保护。