CN106527459B - 一种稳定平台以及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种稳定平台及其控制方法。所述稳定平台包括：姿态测量装置、包含第一步进电机和第二步进电机的机械转动结构和处理装置；其中，所述姿态测量装置与所述处理装置通信连接，所述处理装置与所述机械转动结构通信连接；精密载荷固定在所述机构转动结构的稳控平面上；所述姿态测量装置用于获取所述移动载体的测量信息并发送给所述处理装置；所述处理装置用于根据所述测量信息计算电机的水平指令角和指令角速度；所述机械转动结构用于根据所述水平指令角和所述指令角速度调整第一步进电机和/或第二步进电机以隔离移动载体的姿态变化量使所述稳控平面保持水平状态。本发明实施例可以使精密载荷保持在水平面上正常工作。
Description
技术领域
本发明涉及舰船载荷的稳定平台技术领域，尤其涉及一种稳定平台及其控制方法。
背景技术
移动载体在受到自身运动的影响或外界的干扰，会产生姿态角度的变化，安装在载体上的精密载荷如果对空间指向有一定要求，难以在这种环境下正常工作。例如，移动载体为舰船时，舰船在航行受到海浪影响会产生较大的晃动，使该舰船上的精密载荷无法正常工作，因此迫切需要提供一种稳定精密载荷的装置或者方法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种稳定平台以及其控制方法，用以解决现有技术中精密载荷没有稳定装置而引起的无法正常工作的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种稳定平台，固定在移动载体之上，所述稳定平台包括：姿态测量装置、包含第一步进电机和第二步进电机的机械转动结构和处理装置；其中，所述姿态测量装置与所述处理装置通信连接，所述处理装置与所述机械转动结构通信连接；精密载荷固定在所述机构转动结构的稳控平面上；
所述姿态测量装置用于获取所述移动载体的测量信息并发送给所述处理装置；
所述处理装置用于根据所述测量信息计算电机的水平指令角和指令角速度；所述水平指令角包括俯仰指令角和横滚指令角；
所述机械转动结构用于根据所述水平指令角和所述指令角速度调整第一步进电机和/或第二步进电机以隔离移动载体的姿态变化量使所述稳控平面保持水平状态。
可选地，所述机械转动结构包括：稳控平面、x轴稳控部分、y轴稳控部分和固定座；其中所述固定座固定在所述移动载体上，所述x轴稳控部分和所述y轴稳控部分固定在所述固定座上，所述稳控平面固定在所述x轴稳控部分和所述y轴稳控部分；
所述x轴稳控部分用于在第一步进电机转动时调节所述稳控平面的横滚角；
所述y轴稳控部分用于在第二步进电机转动时调节所述稳控平面的俯仰角。
可选地，所述姿态测量装置为移动载体上的姿态测量源或者加装的航姿参考系统AHRS测量部件。
第二方面，本发明实施例还提供了一种用于第一方面所述的稳定平台的控制方法，所述控制方法包括：
根据移动载体的测量信息获取姿态测量源的载体坐标系b系与地平面坐标系统n系之间的转换矩阵
根据所述转换矩阵
和安装误差矩阵计算调整矩阵
根据所述调整矩阵
计算稳控平面的俯仰指令角和横滚指令角；
根据所述俯仰指令角、所述横滚指令角利用稳定控制算法形成第一步进电机和第二步进电机的脉冲控制量，以使稳控平面保持的水平状态。
可选地，所述安装误差矩阵
采用以下步骤获取：
利用倾角传感器获取机械转动结构的外框平面的俯仰角σx1和横滚角σy1；
利用所述倾角传感器获取姿态测量源的基准面的俯仰角σx2和横滚角σy2；
根据俯仰角σx1、横滚角σy1与俯仰角σx2、横滚角σy2计算机械转动结构的安装误差；安装误差包括俯仰俯角σx和横滚俯角σy；
根据机械转动结构的外框平面的载体坐标系b′和姿态测量源的载体坐标系b以及安装误差获取安装误差矩阵
为：
可选地，所述速度前馈方法包括：
将所述俯仰指令角、所述横滚指令角作为前馈控制量直接补偿到第一步进电机和/或第二步进电机的输入量中；
以及所述角度闭环方法包括：
根据所述俯仰指令角、所述横滚指令角和编码器获取的外框平面的俯仰角、横滚角进行比较得到计算偏差；
利用PID控制器根据所述计算偏差获取第一步进电机和第二步进电机的脉冲控制量。
根据所述调整矩阵计算稳控平面的俯仰指令角和横滚指令角
可选地，其特征在于，所述俯仰指令角
和横滚指令角γi采用以下公式计算：
式中，
为转换矩阵。
由上述技术方案可知，本发明通过姿态测量装置获取移动载体的测量信息，然后由处理装置根据上述测量信息计算电机的水平指令角和指令角速度，然后由机械转动结构根据上述水平指令角和指令角速度调整第一步进电机和/或第二步进电机从而隔离移动载体的姿态变化量，使稳控平面保持在水平状态，从而使精密载荷正常工作。与现有技术相比，本发明可以直接利用移动载体的姿态测量装置获取姿态测量信息，从而无需在机械转动结构上安装陀螺传感器，降低成本。并且，本发明实施例通过调整稳控平面，可以使精密载荷保持在水平面上正常工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种稳定平台功能框图；
图2为图1中机械转动结构俯视图和侧视图；
图3为本发明实施例提供的一种用于图1所示稳定平台的控制方法流程示意图；
图4为本发明实施例提供的一种稳定平台结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明提供的一种稳定平台功能框图。本发明实施例提供的稳定平台，固定在移动载体之上，参见图1，所述稳定平台包括：姿态测量装置M1、包含第一步进电机和第二步进电机的机械转动结构M3和处理装置M2。姿态测量装置M1与处理装置M2通信连接，处理装置M2与机械转动结构M3通信连接。精密载荷固定在机构转动结构M3的稳控平面上。
姿态测量装置M1用于获取移动载体的测量信息并发送给处理装置M2；
处理装置M2用于根据上述测量信息计算电机的水平指令角和指令角速度；
机械转动结构M3用于根据水平指令角和指令角速度调整第一步进电机和/或第二步进电机以隔离移动载体的姿态变化量使稳控平面保持水平状态。
需要说明的是，本发明实施例中姿态测量装置获取的测量信息包括移动载体的俯仰角、横滚角和航向角。本发明实施例中使用俯仰角、横滚角即可。
上述姿态测量装置M1优先采用移动载体自身提供的姿态测量源，这样无需在机械转动结构M3上安装陀螺仪，降低成本。当移动载体上没有姿态测量源时，可以在移动载体上加装航姿参考系统AHRS测量部件实现。本领域技术人员可以根据具体使用场景进行选择，本发明不作限定。
上述处理装置M2可以采用现有技术中的单片机、ARM芯片或者DSP芯片实现，主要用于根据测量信息计算电机的水平指令角和指令角速度。在能够实现上述功能的情况下，本领域技术人员选择的处理芯片、电路、装置，同样落入本发明的保护范围。
上述机械转动装置M3，如图2所示，包括：稳控平面1、x轴稳控部分2、y轴稳控部分3和固定座4。其中固定座4固定在移动载体上，x轴稳控部分2和y轴稳控部分3固定在固定座4上，稳控平面1固定在x轴稳控部分2和y轴稳控部分3上。其中，
x轴稳控部分2用于在第一步进电机转动时调节稳控平面1的横滚角；
y轴稳控部分3用于在第二步进电机转动时调节稳控平面1的俯仰角。
如图2所示，x轴稳控部分2包括第一框架21、第一扇形齿轮22和第一步进电机23。其中第一框架21的两端(图2中右上角和左下角)固定在固定座4上。第一扇形齿轮22固定在该第一框架21上，且圆心位于与该第一框架21固定的两端的轴线上。该第一扇形齿轮22与第一步进电机23相啮合。当第一步进电机23接收到脉冲控制量时发生旋转，通过第一扇形齿轮22带动第一框架21转动，可以调整稳控平面的横滚角。
如图2所示，y轴稳控部分3包括第二框架31、第二扇形齿轮32和第二步进电机33。其中第二框架31的两端(图2中左上角和右下角)固定在固定座4上。第二扇形齿轮32固定在该第二框架31上，且圆心位于与该第二框架31固定的两端的轴线上。该第二扇形齿轮32与第二步进电机33相啮合。当第二步进电机33接收到脉冲控制量时发生旋转，通过第二扇形齿轮32带动第二框架31转动，可以调整稳控平面的俯仰角。
基于上述稳定平台，本发明实施例还提供一种用于上述稳定平台的控制方法，如图3所示，所述控制方法包括：
S1、根据移动载体的测量信息获取姿态测量源的载体坐标系b系与地平面坐标系n系之间的转换矩阵
S2、根据所述转换矩阵
和安装误差矩阵
计算调整矩阵
S3、根据所述调整矩阵
计算稳控平面的俯仰指令角和横滚指令角；
S4、根据所述俯仰指令角、所述横滚指令角利用稳定控制算法形成第一步进电机和第二步进电机的脉冲控制量，以使稳控平面保持的水平状态。
实际应用中，本发明实施例步骤S2中包括获取安装误差矩阵
的过程即标校过程。在标校过程中保证载体和机械转动结构M3静止不动。首先将倾角传感器放置在机械转动结构M3的外框平面上，得到该外框平面的俯仰角σx1和横滚角σy1。然后将倾角传感器放置在姿态测量装置M1的基准面上，且保证倾角传感器放置方向一致，测得姿态测量装置基准面的俯仰角σx2和横滚角σy2。最后计算安装误差包括俯仰偏角σx和横滚偏角σy：
σx＝σx1-σx2；
σy＝σy1-σy2。
利用上述俯仰偏角σx和横滚偏角σy计算安装误差矩阵
b′系为与机械转动装置的外框平面的载体坐标系，b系为姿态测量装置的载体坐标系，二者之间的关系可通过
来表示。
根据姿态测量装置M1获取的测量信息，可以得到b系与n系之间的转换矩阵
最终，得到
由
即可求得俯仰指令角
横滚指令角γi：
忽略地球自转的影响，姿态测量源输出的角速度为：
而实际在b′系下的姿态运动角速度为：
根据上式即可求出在双轴框架上应隔离的俯仰和横滚指令角速度。
本发明实施例中还采用速度前馈与角度闭环相结合的稳定控制算法实现对平台的精确稳定控制。如图4所示，处理装置包括指令角解算模块、指令角速度解算模块和PID模块。其中，姿态测量装置所获取的测量信息作为指令角解算模块、指令角速度解算模块的输入量，可以计算出水平指令角和指令角速度。其中，指令角速度作为速度前馈量直接补偿到步进电机的输入量，加快步进电机的响应速度，提高系统稳定控制精度。本发明实施例中还采用编码器获取稳控平面的实际变化量，然后与指令角解算模块计算的水平指令角作比较，将二者的差值作为PID控制器的输入量，形成步进电机的脉冲控制量，从而驱动稳控平面转动。可见，本发明通过速度前馈以及角度闭环控制可以使稳控平面快速而稳定的保持在水平面状态，从而使精密载荷正常工作。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (4)
1.一种稳定平台的控制方法，其特征在于，所述稳定平台固定在移动载体之上，所述稳定平台包括：姿态测量装置、包含第一步进电机和第二步进电机的机械转动结构和处理装置；其中，所述姿态测量装置与所述处理装置通信连接，所述处理装置与所述机械转动结构通信连接；精密载荷固定在所述机械转动结构的稳控平面上；
所述姿态测量装置用于获取所述移动载体的测量信息并发送给所述处理装置；
所述处理装置用于根据所述测量信息计算电机的水平指令角和指令角速度，所述水平指令角包括俯仰指令角和横滚指令角；
所述机械转动结构用于根据所述水平指令角和所述指令角速度调整第一步进电机和/或第二步进电机以隔离移动载体的姿态变化量使所述稳控平面保持水平状态；
所述机械转动结构包括：稳控平面、x轴稳控部分、y轴稳控部分和固定座；其中所述固定座固定在所述移动载体上，所述x轴稳控部分和所述y轴稳控部分固定在所述固定座上，所述稳控平面固定在所述x轴稳控部分和所述y轴稳控部分；
所述x轴稳控部分用于在第一步进电机转动时调节所述稳控平面的横滚角；
所述y轴稳控部分用于在第二步进电机转动时调节所述稳控平面的俯仰角；
所述控制方法包括：
根据移动载体的测量信息获取姿态测量源的载体坐标系b系与地平面坐标系n系之间的转换矩阵
根据所述转换矩阵和安装误差矩阵计算调整矩阵
根据所述调整矩阵
计算稳控平面的俯仰指令角和横滚指令角；
根据所述俯仰指令角、所述横滚指令角利用稳定控制算法形成第一步进电机和第二步进电机的脉冲控制量，以使稳控平面保持的水平状态；
其中，所述安装误差矩阵
采用以下步骤获取：
利用倾角传感器获取机械转动结构的外框平面的俯仰角σx1和横滚角σy1；
利用所述倾角传感器获取姿态测量源的基准面的俯仰角σx2和横滚角σy2；
根据俯仰角σx1、横滚角σy1与俯仰角σx2、横滚角σy2计算机械转动结构的安装误差；安装误差包括俯仰偏角σx和横滚偏角σy；
根据机械转动结构的外框平面的载体坐标系b′和姿态测量源的载体坐标系b以及安装误差获取安装误差矩阵
为：
2.根据权利要求1所述的稳定平台的控制方法，其特征在于，速度前馈方法包括：
将所述俯仰指令角、所述横滚指令角作为前馈控制量直接补偿到第一步进电机和/或第二步进电机的输入量中；
以及角度闭环方法包括：
根据所述俯仰指令角、所述横滚指令角和编码器获取的外框平面的俯仰角、横滚角进行比较得到计算偏差；
利用PID控制器根据所述计算偏差获取第一步进电机和第二步进电机的脉冲控制量。
3.根据权利要求1或2所述的稳定平台的控制方法，其特征在于，所述俯仰指令角
和横滚指令角γi采用以下公式计算：
4.根据权利要求1所述的稳定平台的控制方法，其特征在于，所述姿态测量装置为移动载体上的姿态测量源或者加装的航姿参考系统AHRS测量部件。
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|---|---|---|---|
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| GR01 | Patent grant | ||
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