CN107171074A - 车载两轴稳定平台伺服系统及其稳定跟踪方法 - Google Patents

车载两轴稳定平台伺服系统及其稳定跟踪方法 Download PDF

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黄成�
陈嘉
宋跃磊
金威
彭二宝
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Abstract

本发明公开一种车载两轴稳定平台伺服系统，包括微处理器模块、姿态检测模块、执行机构模块，其特征在于，姿态检测模块包括陀螺仪、倾角仪和差分北斗，陀螺仪和差分北斗位于稳定平台的方位方向，倾角仪位于稳定平台的俯仰方向；执行机构模块包括方位步进电机和俯仰步进电机；所述姿态检测模块用于检测车辆的天线姿态数据，并传送给微处理器模块，所述微处理器模块用于解析天线姿态数据，得到控制步进电机的脉冲数。本发明还公开了该系统实现稳定跟踪的方法。本发明能够隔离载体干扰对天线波束指向的影响，保证天线波束对卫星的对准，完成搜索、捕获、指向、稳定、跟踪等功能，具有很大的军事、民用前景和实践意义。

Description

车载两轴稳定平台伺服系统及其稳定跟踪方法
技术领域
本发明属于基于同步轨道卫星的移动通信领域，特别是涉及一种车载稳定平台伺服系统及其稳定跟踪方法。
背景技术
稳定跟踪平台由于能隔离载体(车辆、舰船)扰动，不断测量平台姿态和位置变化，精确保持动态姿态基准，并通过图像探测设备实现对机动目标自动跟踪，所以在现代武器系统中得到了广泛的应用。
现代卫星电视接收转播，车船用移动卫星通讯等也需要具有稳定跟踪能力的平台来很好的隔离载体的运动对平台的姿态影响，并在各种气象环境条件下保证对目标信号的截获、识别和跟踪。
综上可见稳定跟踪系统在军事和民用等各个领域都已获得了极其广泛的应用。近年来，随着精密机械、微电子技术、数字信号处理技术和伺服控制技术的飞速发展，微型陀螺仪等精密惯性敏感元件的发展和性能指标的日益提高，陀螺稳定跟踪平台系统的研究取得很大的进展，其主要发展方向是小型化、数字化和集成化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车载稳定平台伺服系统及其稳定跟踪方法，隔离载体干扰对天线波束指向的影响，将天线波束稳定在载体地理坐标系中，保证天线波束对卫星的对准，完成搜索、捕获、指向、稳定、跟踪等功能，具有很大的军事、民用前景和实践意义。
实现本发明目的的技术解决方案为：车载两轴稳定平台伺服系统，包括微处理器模块、姿态检测模块、执行机构模块，其特征在于，姿态检测模块包括陀螺仪、倾角仪和差分北斗，陀螺仪和差分北斗位于稳定平台的方位方向，倾角仪位于稳定平台的俯仰方向；执行机构模块包括方位步进电机和俯仰步进电机；所述姿态检测模块用于检测车辆的天线姿态数据，并传送给微处理器模块，所述微处理器模块用于解析天线姿态数据，得到控制步进电机的脉冲数，以实时隔离载体的扰动对天线指向的影响，使其稳定工作在性能指标要求之下。
车载两轴稳定平台伺服系统的稳定跟踪方法，包括以下步骤：
步骤1：车辆不发动，让系统上电，等待差分北斗寻星成功；
步骤2：寻星成功后，进行天线的初始对准：微处理器模块从差分北斗获取此刻车辆与卫星之间的航向角，包括车辆相对于卫星的方位角和俯仰角，并根据航向角计算得到方位电机和俯仰电机的脉冲数分别控制方位电机和俯仰电机动作，使得天线对准卫星方向，至此车辆可以启动驾驶；
步骤3：车辆启动，稳定平台伺服系统进入自动寻星状态：微处理器模块将倾角仪测量的俯仰角转换成俯仰电机的脉冲数控制俯仰电机动作，并根据天线的方位对准方向确定方位电机的控制模式，方位电机的控制模式包括陀螺仪控制模式和差分北斗控制模式，当天线的方位对准方向未趋近于性能指标上限时选择陀螺仪控制模式，即微处理器模块根据陀螺仪检测的天线角速度和差分北斗检测的方位角计算出方位电机的脉冲数，控制方位电机动作，以到达天线在方位方向的稳定跟踪；当天线的方位对准方向趋近于性能指标上限时选择差分北斗控制模式，即微处理器模块根据差分北斗检测的方位角计算出方位电机的脉冲数，控制方位电机动作，以达到天线的再次对准，再将陀螺仪的积分清零，目的是告知系统当前位置就是天线对准的零点位置；若车辆继续与卫星通信，则返回步骤3继续自动寻星；
步骤4：卫星通信任务完成后，系统设备断电，结束工作。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：1)本发明选用STM32F103低功耗单片机，其最高工作频率达72MHz，有512K闪存、3个UART接口、2个SPI接口和多达8个定时器等丰富外设，是一款功能强大的微处理器。2)本发明选用ADIS16265陀螺仪，其内部最高刷新率为2048Hz，内部自带陀螺零漂修正以及滤波处理。3)本发明选用国产北斗卫星板卡，相对安全及稳定。4)本发明的方位方向的传动比为13:1，方位电机采用16细分后，电机单个脉冲转动的角度为0.1125度，具有较高精度。5)本发明采用速度环与位置环的控制方案，结构简单，其性能可满足大多数常见路况。
附图说明
图1是本发明车载两轴稳定平台伺服系统的硬件原理框图。
图2是本发明车载两轴稳定平台伺服系统的方位轴的控制策略图。
图3是本发明车载两轴稳定平台伺服系统的天线控制流程图。
图4是本发明车载两轴稳定平台伺服系统的车体受正弦信号干扰时的天线位置误差图。
图5是本发明车载两轴稳定平台伺服系统的天线位置误差放大图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
如图1所示，车载两轴稳定平台伺服系统，包括微处理器模块、姿态检测模块、执行机构模块，其特征在于，姿态检测模块包括陀螺仪、倾角仪和差分北斗，陀螺仪和差分北斗位于稳定平台的方位方向，倾角仪位于稳定平台的俯仰方向；执行机构模块包括方位步进电机和俯仰步进电机；所述姿态检测模块用于检测车辆的天线姿态数据，并传送给微处理器模块，所述微处理器模块用于解析天线姿态数据，得到控制步进电机的脉冲数，以实时隔离载体的扰动对天线指向的影响，使其稳定工作在性能指标要求之下。所述微处理器模块采用意法半导体公司的STM32F103芯片，其丰富的外设满足系统设计需求，且功耗低、价格便宜；所述陀螺仪采用亚得诺半导体公司的ADIS16265可编程数字陀螺仪传感器，与单片机通过SPI接口进行通信；所述倾角仪采用SCA830数字倾角传感器，与单片机通过SPI接口进行通信；所述差分北斗采用和芯星通UB280高精度板卡，与单片机通过USART接口进行通信；所述方位步进电机和俯仰步进电机均通过GPIO口输出的PWM脉冲波来控制电机动作，采用2相混合式步进电机，其步距角为1.8度，并选用A3980驱动芯片，设置为16细分。
ADIS16265可编程数字陀螺仪、SCA830数字倾角传感器和UB280和芯星通的高精度板卡与微处理器进行通信的过程分别为：
(a)陀螺仪的初始设置包括：动态范围设置为160°/秒(SENS_AVG寄存器的Bit[10:8]写入010，地址为0x38,0x39)；采样率设置为256SPS(SMPL_PRD寄存器Bit7＝0，Bit[6:0]＝1，地址为0x36,0x37)；不对陀螺仪进行修正(GYRO_OFF寄存器写入0，地址为0x14,0x15)。
通过GRYO_OUT寄存器(地址0x14,14bit有效数据)，获取陀螺仪的角速度数据，上电后第一次读取数据无效，后一次读取有效数据，获取的是前一次采样的角速度，按照160°/秒的设置，寄存器值的每个Bit代表0.03663°/秒。
(b)倾角仪的初始设置包括：上电后等待95ms，以完成芯片内部自检；读取CTRL寄存器(地址为0x01)，检查ST位(Bit3)是否为0；读取STATUS寄存器(地址为0x02)，检查CSMERR位(Bit1)是否为0；向CTRL寄存器写入0.
通过读取Y_MSB(地址为0x07)和Y_LSB(地址为0x06)寄存器，获取重力加速度数据，然后通过公式：angle＝arcsin[(accel-offset)/sensitivity]转化成角度，根据手册，配置offset为0，sensitivity为32000。
(c)差分北斗的处理为：通过差分北斗的$XXRMC命令，获取定位信息，用以获取定位状态和经纬度坐标；通过#HEADING命令，获取航向信息，并且基线长度不超过实际基线长度时，航向角才是有效数据。
结合图2和图3，车载两轴稳定平台伺服系统的稳定跟踪方法，包括以下步骤：
步骤1：车辆不发动，让系统上电，等待差分北斗寻星成功；
步骤2：寻星成功后，进行天线的初始对准：微处理器模块从差分北斗获取此刻车辆与卫星之间的航向角，包括车辆相对于卫星的方位角和俯仰角，并根据航向角计算得到方位电机和俯仰电机的脉冲数分别控制方位电机和俯仰电机动作，使得天线对准卫星方向，至此车辆可以启动驾驶；
根据差分北斗检测的方位角θA计算方位电机脉冲数的公式为：
式中，motorcontrolA为方位电机的控制脉冲的数量，θ0为步进电机的步距角，Ndivide为步进电机的细分数，NA.ratio为方位电机的传动比，θ0、Ndivide、NA.ratio分别取1.8、16、13。
根据差分北斗测量的俯仰角θP计算俯仰电机脉冲数的公式为：
式中，motorcontrolP为俯仰电机的控制脉冲的数量，θ0为步进电机的步距角，Ndivide为步进电机的细分数，NP.ratio为俯仰电机的传动比，θ0、Ndivide、NP.ratio分别取1.8 16、4；
步骤3：车辆启动，稳定平台伺服系统进入自动寻星状态：
步骤3.1：微处理器模块将倾角仪测量的俯仰角转换成俯仰电机的脉冲数控制俯仰电机动作，根据倾角仪测量的俯仰角θP计算俯仰电机脉冲数的公式为：
式中，motorcontrolP为俯仰电机的控制脉冲的数量，θ0为步进电机的步距角，Ndivide为步进电机的细分数，NP.ratio为俯仰电机的传动比，θ0、Ndivide、NP.ratio分别取1.8 16、4；
步骤3.2：根据天线的方位对准方向确定方位电机的控制模式，方位电机的控制模式包括陀螺仪控制模式和差分北斗控制模式，当天线的方位对准方向未趋近于性能指标上限时选择陀螺仪控制模式，即微处理器模块根据陀螺仪检测的天线角速度和差分北斗检测的方位角计算出方位电机的脉冲数，控制方位电机动作，以到达天线在方位方向的稳定跟踪；当天线的方位对准方向趋近于性能指标上限时选择差分北斗控制模式，即微处理器模块根据差分北斗检测的方位角计算出方位电机的脉冲数，控制方位电机动作，以达到天线的再次对准，再将陀螺仪的积分清零，目的是告知系统当前位置就是天线对准的零点位置；
根据陀螺仪检测的天线角速度Vout和差分北斗检测的方位角θA计算方位电机脉冲数的方法为：
将陀螺仪检测的天线角速度Vout对其进行积分得到方位方向的角位移θout1：
式中，Ti为积分时间常数；
用差分北斗检测的方位角θA减去天线的角位移θout1得到天线的航向偏差e航向，天线的航向偏差e航向经过第一组PID参数计算得天线的初始方位角速度Vin：
Vin减去陀螺仪输出的角速度Vout得到角速度偏差eV，角速度偏差eV经过第二组PID参数最终计算得控制方位电机的脉冲数，以到达天线在方位方向的稳定跟踪：
式中，u(t)为经PID计算处理后的天线位移偏差量，θ0为步进电机的步距角，Ndivide为步进电机的细分数，NA.ratio为方位电机的传动比，θ0、Ndivide、NA.ratio分别取1.8、16、13；
分别调整和参数权重，使系统达到最优的性能；
根据差分北斗检测的方位角θA计算方位电机脉冲数的公式为：
式中，motorcontrolA为方位电机的控制脉冲的数量，θ0为步进电机的步距角，Ndivide为步进电机的细分数，NA.ratio为方位电机的传动比，θ0、Ndivide、NA.ratio分别取1.8、16、13；
步骤3.3：若车辆继续与卫星通信，则返回步骤3.1继续自动寻星。
步骤4：卫星通信任务完成后，系统设备断电，结束工作。
图4给出的是一个模拟车辆运动对天线造成干扰的运动实验，选用正弦信号模拟车辆的运动干扰信号，来检测系统在干扰信号下的天线指向误差。
由图5可见，该系统在车体运动时，天线的位置误差范围在(-0.8°,+0.8°)，满足性能指标要求，能实时确保天线对准卫星，保证通信的正常。

Claims (10)

1.车载两轴稳定平台伺服系统，包括微处理器模块、姿态检测模块、执行机构模块，其特征在于，姿态检测模块包括陀螺仪、倾角仪和差分北斗，陀螺仪和差分北斗位于稳定平台的方位方向，倾角仪位于稳定平台的俯仰方向；执行机构模块包括方位步进电机和俯仰步进电机；所述姿态检测模块用于检测车辆的天线姿态数据，并传送给微处理器模块，所述微处理器模块用于解析天线姿态数据，得到控制步进电机的脉冲数。
2.根据权利要求1所述的车载两轴稳定平台伺服系统，其特征在于，所述微处理器模块采用意法半导体公司的STM32F103芯片。
3.根据权利要求1所述的车载两轴稳定平台伺服系统，其特征在于，所述姿态检测模块中陀螺仪采用亚得诺半导体公司的ADIS16265可编程数字陀螺仪传感器。
4.根据权利要求1所述的车载两轴稳定平台伺服系统，其特征在于，所述姿态检测模块中倾角仪采用SCA830数字倾角传感器。
5.根据权利要求1所述的车载两轴稳定平台伺服系统，其特征在于，所述姿态检测模块中差分北斗采用和芯星通UB280高精度板卡。
6.根据权利要求1所述的车载两轴稳定平台伺服系统，其特征在于，所述执行机构模块中方位步进电机和俯仰步进电机均采用2相混合式步进电机，其步距角为1.8度，并选用A3980驱动芯片，设置为16细分。
7.车载两轴稳定平台伺服系统的稳定跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：车辆不发动，让系统上电，等待差分北斗寻星成功；
步骤2：寻星成功后，进行天线的初始对准：微处理器模块从差分北斗获取此刻车辆与卫星之间的航向角，包括车辆相对于卫星的方位角和俯仰角，并根据航向角计算得到方位电机和俯仰电机的脉冲数分别控制方位电机和俯仰电机动作，使得天线对准卫星方向，至此车辆可以启动驾驶；
步骤3：车辆启动，稳定平台伺服系统进入自动寻星状态：微处理器模块将倾角仪测量的俯仰角转换成俯仰电机的脉冲数控制俯仰电机动作，并根据天线的方位对准方向确定方位电机的控制模式，方位电机的控制模式包括陀螺仪控制模式和差分北斗控制模式，当天线的方位对准方向未趋近于性能指标上限时选择陀螺仪控制模式，即微处理器模块根据陀螺仪检测的天线角速度和差分北斗检测的方位角计算出方位电机的脉冲数，控制方位电机动作，以到达天线在方位方向的稳定跟踪；当天线的方位对准方向趋近于性能指标上限时选择差分北斗控制模式，即微处理器模块根据差分北斗检测的方位角计算出方位电机的脉冲数，控制方位电机动作，以达到天线的再次对准，再将陀螺仪的积分清零；若车辆继续与卫星通信，则返回步骤3继续自动寻星；
步骤4：卫星通信任务完成后，系统设备断电，结束工作。
8.根据权利要求7所述的车载两轴稳定平台伺服系统的稳定跟踪方法，其特征在于，所述步骤2和步骤3根据差分北斗检测的方位角θA计算方位电机脉冲数的公式为：
<mrow> <msub> <mi>motorcontrol</mi> <mi>A</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>A</mi> </msub> <mrow> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>N</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>i</mi> <mi>v</mi> <mi>i</mi> <mi>d</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>N</mi> <mrow> <mi>A</mi> <mo>.</mo> <mi>r</mi> <mi>a</mi> <mi>t</mi> <mi>i</mi> <mi>o</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
式中，motorcontrolA为方位电机的控制脉冲的数量，θ0为步进电机的步距角，Ndivide为步进电机的细分数，NA.ratio为方位电机的传动比。
9.根据权利要求7所述的车载两轴稳定平台伺服系统的稳定跟踪方法，其特征在于，所述步骤2和3根据差分北斗或者倾角仪检测的俯仰角θP计算俯仰电机脉冲数的公式为：
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式中，motorcontrolP为俯仰电机的控制脉冲的数量，θ0为步进电机的步距角，Ndivide为步进电机的细分数，NP.ratio为俯仰电机的传动比。
10.根据权利要求7所述的车载两轴稳定平台伺服系统的稳定跟踪方法，其特征在于，所述步骤3根据陀螺仪检测的天线角速度Vout和差分北斗检测的方位角θA计算方位电机脉冲数的方法为：
将陀螺仪检测的天线角速度Vout对其进行积分得到方位方向的角位移θout1：
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式中，Ti为积分时间常数；
用差分北斗检测的方位角θA减去天线的角位移θout1得到天线的航向偏差e航向，天线的航向偏差e航向经过第一组PID参数计算得天线的初始方位角速度Vin：
Vin减去陀螺仪输出的角速度Vout得到角速度偏差eV，角速度偏差eV经过第二组PID参数最终计算得控制方位电机的脉冲数，以到达天线在方位方向的稳定跟踪：
<mrow> <mi>u</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>k</mi> <msub> <mi>p</mi> <mn>2</mn> </msub> </msub> <msub> <mi>e</mi> <mi>v</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <msub> <mi>i</mi> <mn>2</mn> </msub> </msub> <munderover> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mi>k</mi> </munderover> <msub> <mi>e</mi> <mi>v</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <msub> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </msub> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>e</mi> <mi>v</mi> </msub> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>e</mi> <mi>v</mi> </msub> <mo>(</mo> <mrow> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
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式中，u(t)为经PID计算处理后的天线位移偏差量，θ0为步进电机的步距角，Ndivide为步进电机的细分数，NA.ratio为方位电机的传动比；
分别调整和参数权重，使系统达到最优的性能。
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