CN106896820A - 惯性稳定平台及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及惯性稳定装置技术领域，提供了一种惯性稳定平台及其控制方法。该平台及其方法通过将惯性测量单元的X轴和X’轴均与所述俯仰框的旋转轴心平行，Y轴和Y’轴均与所述横滚框的旋转轴心平行，Z轴和Z’轴均与所述俯仰框的旋转轴心和所述横滚框的旋转轴心垂直，以此来测量载体运动的姿态角度及其角速率，再将现有惯性稳定平台中的伺服电机替换为步进电机和旋转编码器，通过两个步进电机来控制俯仰框和横滚框的转动，两步进电机通过各种的旋转编码器来控制监测其旋转角度，以构成一种闭环调平系统，控制简单，成本较低。

Description

惯性稳定平台及其控制方法

技术领域

本发明涉及惯性稳定装置技术领域，更具体的是涉及一种惯性稳定平台及其控制方法。

背景技术

惯性稳定平台装置可以在动态下隔离载体扰动，装置内部平台可以始终保持水平，保证平台上的光学、雷达等测试测量设备的测量精度不受影响，在航空航天、工业控制、移动测量、勘探勘测等领域具有十分广泛的应用前景。

当前稳定平台主要有机械式和电动式两种。机械式稳定平台，采用重力原理，完全依靠机械结构的平衡特性使平台一直稳定在水平状态。这种稳定平台的特点是结构简单，不需要电机、控制器等电气件，成本相对较低；但是纯粹依靠机械稳定，响应慢、稳定精度低也是致命缺点。电动式主要依靠高精度倾角传感器采集姿态变化，通过姿态解算后，控制电机将平台稳定在水平状态下。传统电动式只采用加速度计作为倾角传感器采集姿态变化，在高动态下倾角传感器只能反映出姿态角度，而且响应时间不是很及时。而且控制电机一般采用伺服电机，控制比较复杂，而且成本较高。

发明内容

本发明要解决的是现有的惯性稳定平台控制复杂、成本较高的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种惯性稳定平台，该平台包括控制器和连接在载体上的俯仰支架，所述俯仰支架上转动连接有俯仰框，所述俯仰框在第一步进电机的带动下相对于所述俯仰支架转动；所述俯仰框上转动连接有横滚框，所述横滚框在第二步进电机的带动下相对于所述俯仰框转动，所述横滚框上形成有安装平台，其中，所述俯仰框的旋转轴心和所述横滚框的旋转轴心相对垂直、且均平行于所述载体与所述俯仰支架的连接面；所述俯仰支架上设有惯性测量单元，所述惯性测量单元包括具有X、Y和Z三个单轴的加速计以及具有X’、Y’和Z’三个单轴的陀螺，其中的X轴和X’轴均与所述俯仰框的旋转轴心平行，Y轴和Y’轴均与所述横滚框的旋转轴心平行，Z轴和Z’轴均与所述俯仰框的旋转轴心和所述横滚框的旋转轴心垂直；所述第一步进电机上设有用于监测其转动角度的第一旋转编码器，所述第二步进电机上设有用于监测其旋转角度的第二旋转编码器；所述控制器分别与所述惯性测量单元、第一步进电机、第二步进电机、第一旋转编码器和第二旋转编码器连接，用于根据所述惯性测量单元、第一旋转编码器和第二旋转编码器所反馈的信息控制所述第一步进电机和第二步进电机的转动角度及转动速度。

优选的，该平台还包括设置在第一步进电机上的第一霍尔开关和设置在第二步进电机上的第二霍尔开关；所述第一旋转编码器和第二旋转编码器均为增量型旋转编码器；所述第一步进电机上设有随其输出轴一同转动的第一感应点，所述第一霍尔开关设置在所述第一感应点的旋转路径上，用于通过与所述第一感应点的感应配合确定所述第一旋转编码器的光电码盘的初始零位；所述第二步进电机上设有随其输出轴一同转动的第二感应点，所述第二霍尔开关设置在所述第二感应点的旋转路径上，用于通过与所述第二感应点的感应配合确定所述第二旋转编码器的光电码盘的初始零位。

本发明还提供了一种惯性稳定平台的控制方法，该方法包括以下步骤：

S1、平台上电初始化，确定载体的初始零位；

S2、平台调平操作启动；

S3、通过惯性测量单元获取载体在当前状态下的姿态角度及其角速率；

S4、控制器根据载体的姿态角度与载体的初始零位的差值，确定第一步进电机和第二步进电机需要转动的角度；

S5、编码器采集信息，计算当前俯仰角和横滚角；

S6、根据当前角度偏差以及惯性测量单元给出的角速率，计算电机要运行到指令角度所需要的指令角速度；

S7、分别控制第一步进电机和第二步进电机按照所述指令角速度运行，执行步骤S3。

本发明提供的一种惯性稳定平台及其控制方法，通过惯性测量单元来测量载体运动的姿态角度及其角速率，再将现有惯性稳定平台中的伺服电机替换为步进电机和旋转编码器的配合使用，以构成一种闭环调平系统，控制简单，成本较低。

附图说明

图1是本发明实施例的一种惯性稳定平台的示意图；

图2是本发明实施例的一种惯性稳定平台的控制方法的流程图。

附图标记：

1、惯性测量单元；2、控制器；3、俯仰支架；4、下罩；5、横滚框；51、俯仰框；6、安装平台；7、第二步进电机；8、第二旋转编码器；9、第一霍尔开关；10、第一步进电机；11、第一旋转编码器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明实施例提供的一种惯性稳定平台，该平台包括控制器2和连接在载体上的俯仰支架3，该俯仰支架3可通过下罩4与载体连接，下罩4与上罩(图中未示出)配合构成一个封闭本平台的空间；包括相对设置的第一架体和第二架体，俯仰支架3上转动连接有俯仰框51，该俯仰框51为整体呈矩形框状的结构，两个相对的边框分别连接在第一架体和第二架体上，俯仰框51在第一步进电机10的带动下相对于俯仰支架3转动，具体可以将第一步进电机10安装在第一架体上，并且在第一步进电机10的输出轴上安装第一齿轮，在俯仰框51上开设与第一齿轮相啮合的齿槽，从而通过第一步进电机10的旋转而使俯仰框51相对于俯仰支架3做俯仰转动。

俯仰框51上转动连接有横滚框5，横滚框5也可以是整体呈矩形框状的结构，横滚框5相对设置的两个边框与俯仰框51另外的两个边框转动连接，横滚框5在第二步进电机7的带动下相对于俯仰框51转动，该第二步进电机7可以安装在横滚框5上，其输出轴上安装有第二齿轮，在俯仰框51上开设有与第二齿轮相啮合的齿槽，从而通过第二步进电机7的转动而使横滚框5相对于俯仰框51做横滚运动，另外，在横滚框5上形成有安装平台6，该安装平台6可以是横滚框5的另外两个相对设置的边框中的任一个，该安装平台6用于安装需要保持稳定的设备。

当然，应当说明的是俯仰框51、横滚框5及俯仰支架3的连接具体结构并不止局限于上述形式，只要使俯仰框51的旋转轴心和横滚框5的旋转轴心相对垂直、且均平行于载体与俯仰支架3的连接面即可。

俯仰支架3上设有惯性测量单元1，惯性测量单元1包括具有X、Y和Z三个单轴的加速计以及具有X’、Y’和Z’三个单轴的陀螺，其中的X轴和X’轴均与俯仰框51的旋转轴心平行，Y轴和Y’轴均与横滚框5的旋转轴心平行，Z轴和Z’轴均与俯仰框51的旋转轴心和横滚框5的旋转轴心垂直，由此通过惯性测量单元1便可以获知载体运动的姿态角度及其角速率。

第一步进电机10上设有用于监测其转动角度的第一旋转编码器11，第二步进电机7上设有用于监测其旋转角度的第二旋转编码器8，由于通过前述惯性测量单元1已经能够获知载体运动的姿态角度及其角速率，即通过惯性测量单元1获知了载体在此时此刻的一个微动；而此处又可通过第一旋转编码器11和第二旋转编码器8二获得第一步进电机10的旋转角度和第二步进电机7的旋转角度，即此时的第一步进电机10和第二步进电机7的转动角度是一个满足前一个载体状态下使安装平台6保持稳定的一个角度状态；显然，在此时此刻，通过第一俯仰框51和第二俯仰框51转动的角度与第一步进电机10和第二步进电机7所旋转的角度对比，便可以清楚的获知第一步进电机10和第二步进电机7还需要做怎样的角度调整，才能够将第一俯仰框51和第二俯仰框51继续调整为平衡。

上述过程可通过分别与惯性测量单元1、第一步进电机10、第二步进电机7、第一旋转编码器11和第二旋转编码器8连接的控制器2来实现，控制器2根据惯性测量单元1、第一旋转编码器11和第二旋转编码器8所反馈的信息控制第一步进电机10和第二步进电机7的转动角度；另外，载体的姿态变化因素不仅有角度，还有角速率因素，所以控制器2还需要根据惯性测量单元1所反馈的角速率信息，以同样大小、但反向的角速率来控制第一步进电机10和第二步进电机7动作。

由上可知，本惯性稳定平台通过将控制俯仰框51和横滚框5旋转的电机选用为步进电机，另外再配合旋转编码器的使用，旋转编码器可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出,由此可以在载体在每发生一次微动后都对第一步进电机10和第二步进电机7做一次相应的反向调整，从而使横滚框5上的安装平台6保持稳定，即，本惯性稳定平台可以在载体的姿态发生变化时，及时对安装平台6进行调整，使被安装设备保持水平，保证起能够完成测试任务；且本平台通过步进电机与旋转编码器和惯性侧漏单元的配合来实现调平，相比于传统技术中的伺服电机，控制更为简单，且大幅降低了成本。

优选的，该平台还包括设置在第一步进电机10上的第一霍尔开关9和设置在第二步进电机7上的第二霍尔开关；第一旋转编码器11和第二旋转编码器8均为增量型旋转编码器；第一步进电机10上设有随其输出轴一同转动的第一感应点，第一霍尔开关9设置在第一感应点的旋转路径上，用于通过与第一感应点的感应配合确定第一旋转编码器11的光电码盘的初始零位；第二步进电机7上设有随其输出轴一同转动的第二感应点，第二霍尔开关9设置在第二感应点的旋转路径上，用于通过与第二感应点的感应配合确定第二旋转编码器8的光电码盘的初始零位。增量型旋转编码器没有掉电记忆角度的功能，所以每次上电初始化后，都要依靠光电码盘和霍尔开关9重新确定初始零位。俯仰和横滚的机械角度范围都是±32°，俯仰和横滚的霍尔开关9均安装在角度最大的位置，即32°位置上。每次上电后，控制盒分别控制俯仰和横滚电机沿角度增大的方向运转，直到感应到霍尔开关9，将此时光电码盘的初始值设置为32°所对应的值。

如图2所示，本发明还提供了一种惯性稳定平台的控制方法，该方法包括以下步骤：

S1、平台上电初始化，确定载体的初始零位；该过程主要是装置上电后，惯性测量单元、电机驱动器、电机、控制器等电气设备完成初始化。

S2、平台调平操作启动；

S3、通过惯性测量单元获取载体在当前状态下的姿态角度及其角速率；采集惯性测量单元原始数据，计算载体当前姿态角和角速率。如附图1所示，惯性测量单元安装在俯仰支架上，其Y轴与装置的横滚轴平行、X轴与装置的俯仰轴平行、Z轴分别于俯仰轴和横滚轴垂直。俯仰支架和下罩固连，下罩又是和载体固连，所以惯性测量单元可以直接测量载体的姿态变化。

惯性测量单元主要由三轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计组成。可以实时输出X、Y、Z三轴的加速度值(单位：g)和X、Y、Z三轴的角速率值(单位：°/s)。控制盒的微处理器采集到惯性测量单元的原始数据，计算出载体此时姿态的俯仰角、横滚角，以及角速率。

S4、控制器根据载体的姿态角度与载体的初始零位的差值，确定第一步进电机和第二步进电机需要转动的角度；稳定平台俯仰和横滚的角度范围是±32°，其相对零度的位置与惯性测量单元X轴Y轴所构成的平面平行。当载体姿态俯仰角为θ、横滚角为φ时，要使平台保持水平零度，则平台目标指令俯仰角＝-θ、目标指令横滚角为＝-φ。

S5、编码器采集信息，计算当前俯仰角和横滚角；电机后端装有编码器，前端通过一级减速器控制平台转动，通过公式1和2分别得出平台当前的俯仰角和横滚角：

以上式中和表示平台当前的俯仰角和横滚角，A表示编码器旋转一圈的脉冲数，Ap和Ar分别表示俯仰编码器和横滚编码器当前脉冲数，np和nr分别表示俯仰和横滚减速器的减速比。

S6、根据当前角度偏差以及惯性测量单元给出的角速率，计算第一步进电机和第二步进电机要运行到指令角度所需要的指令角速度；采用前馈PID闭环控制算法，计算要运行到目标指令角度，电机的实时指令角速率。

装置的伺服控制系统的设计采用了步进电机闭环控制技术，在步进电机原有的开环控制系统中加入了编码器，可将电机的实际角度反馈给控制器，控制器根据检测到电机实际的角度和惯性测量单元的姿态信息，计算出电机的指令角速率，以此来调整输入到驱动器中脉冲频率，使步进电机稳定在正常运行状态。这样电机的实际运动就与指令要求一致，从而满足步进电机控制系统的精度和可靠性的要求。

S7、分别控制第一步进电机和第二步进电机按照指令角速度运行，控制盒通过给电机驱动器输出脉冲来控制电机的运转。其中DIR信号为方向信号，根据给定的高低电平不同，电机的运转方向不同；PLS信号为脉冲信号，根据给定的脉冲信号的频率不同，电机的运转速率不同，然后执行步骤S3，由此一直按照上述步骤不断对平台进行调整，可以始终保持水平，保证平台上的光学、雷达等测试测量设备的测量精度不受影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种惯性稳定平台，其特征在于，包括控制器和连接在载体上的俯仰支架，所述俯仰支架上转动连接有俯仰框，所述俯仰框在第一步进电机的带动下相对于所述俯仰支架转动；所述俯仰框上转动连接有横滚框，所述横滚框在第二步进电机的带动下相对于所述俯仰框转动，所述横滚框上形成有安装平台，其中，所述俯仰框的旋转轴心和所述横滚框的旋转轴心相对垂直、且均平行于所述载体与所述俯仰支架的连接面；所述俯仰支架上设有惯性测量单元，所述惯性测量单元包括具有X、Y和Z三个单轴的加速计以及具有X’、Y’和Z’三个单轴的陀螺，其中的X轴和X’轴均与所述俯仰框的旋转轴心平行，Y轴和Y’轴均与所述横滚框的旋转轴心平行，Z轴和Z’轴均与所述俯仰框的旋转轴心和所述横滚框的旋转轴心垂直；所述第一步进电机上设有用于监测其转动角度的第一旋转编码器，所述第二步进电机上设有用于监测其旋转角度的第二旋转编码器；所述控制器分别与所述惯性测量单元、第一步进电机、第二步进电机、第一旋转编码器和第二旋转编码器连接，用于根据所述惯性测量单元、第一旋转编码器和第二旋转编码器所反馈的信息控制所述第一步进电机和第二步进电机的转动角度及转动速度。

2.根据权利要求1所述的惯性稳定平台，其特征在于，还包括设置在第一步进电机上的第一霍尔开关和设置在第二步进电机上的第二霍尔开关；所述第一旋转编码器和第二旋转编码器均为增量型旋转编码器；所述第一步进电机上设有随其输出轴一同转动的第一感应点，所述第一霍尔开关设置在所述第一感应点的旋转路径上，用于通过与所述第一感应点的感应配合确定所述第一旋转编码器的光电码盘的初始零位；所述第二步进电机上设有随其输出轴一同转动的第二感应点，所述第二霍尔开关设置在所述第二感应点的旋转路径上，用于通过与所述第二感应点的感应配合确定所述第二旋转编码器的光电码盘的初始零位。

3.一种惯性稳定平台的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、平台上电初始化，确定载体的初始零位；

S2、平台调平操作启动；

S3、通过惯性测量单元获取载体在当前状态下的姿态角度及其角速率；

S4、控制器根据载体的姿态角度与载体的初始零位的差值，确定第一步进电机和第二步进电机需要转动的角度；

S5、编码器采集信息，计算当前俯仰角和横滚角；

S6、根据当前角度偏差以及惯性测量单元给出的角速率，计算第一步进电机和第二步进电机要运行到指令角度所需要的指令角速度；

S7、分别控制第一步进电机和第二步进电机按照所述指令角速度运行，执行步骤S3。