CN107742997B - 双轴转位机构控制系统、控制方法及捷联惯组自标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了双轴转位机构控制系统、控制方法及捷联惯组自标定方法，该控制系统包括依次连接的角位置传感器、模数转换器、DSP微处理器、FPGA处理器、电机驱动电路、电机，该控制方法包括角位置信号的采集和解析、基于解析结果的闭环控制后生成数字控制量及通过数字控制量的输出驱动电机转动等步骤，该自标定方法利用上述的控制系统或控制方法进行标定。本发明能够实现对双轴转位机构角位置数据的高精度采集及对双轴转位机构的高精度闭环控制，有效实现了对双轴转位机构速度环和位置环的高精度控制，进而实现了捷联惯组的自标定功能。

Description

双轴转位机构控制系统、控制方法及捷联惯组自标定方法
技术领域
本发明涉及惯性导航技术领域，更为具体来说，本发明为双轴转位机构控制系统、控制方法及捷联惯组自标定方法。
背景技术
目前，基于双轴转位捷联惯组的车载定位定向设备可以在不依赖外部信息的条件下为车辆提供方位、姿态及定位信息。但是，传统的捷联惯组存在系统参数漂移，因此，为保持定位定向的精度，需要定期(一年左右)为捷联惯组中的惯性器件进行标定。
常规的标定方法是：将捷联惯组从载车上拆除后单独进行标定，这种方法导致设备维护工作非常繁杂。虽然也有人尝试在线标定的方法，但是由于技术上的局限，常规方法的标定精度往往难以达到要求。
因此，如何避免线下标定的繁杂的设备维护工作、保证在线标定捷联惯组的精度，已成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。
发明内容
为解决现有捷联惯组的标定方法存在的设备维护工作繁杂或者标定精度低等问题，本发明创新地公开了一种双轴转位机构控制系统、控制方法及捷联惯组自标定方法，通过高精度实时角位置采集、高精度PID控制算法，实现双轴转位机构的角位置和角速率控制，进一步实现激光捷联惯组高精度高可靠性的自标定，有效解决了上述问题。
为实现上述技术目的，本发明公开了一种双轴转位机构控制系统，该控制系统包括依次连接的角位置传感器、模数转换器、DSP微处理器、FPGA处理器、电机驱动电路、电机；
所述角位置传感器，用于采集捷联惯组的双轴转位机构的角位置信号，且所述角位置信号为模拟量；
所述模数转换器，用于将上述模拟量形式的角位置信号转换为数字量形式的角位置信号；
所述DSP微处理器，对所述数字量形式的角位置信号进行解析，以得到所述双轴转位机构的实时数字轴角信号；利用所述实时数字轴角信号计算出所述双轴转位机构的双轴位置信息和双轴速率信息；利用所述双轴位置信息、双轴速率信息及来自上位机的目标角位置信息进行闭环控制，生成数字控制信号；
所述FPGA处理器，利用所述数字控制信号生成脉冲宽度调制信号，通过所述脉冲宽度调制信号驱动电机驱动电路；
所述电机驱动电路，用于输出驱动电机进行转动的电信号；
所述电机，用于带动双轴转位机构运动。
进一步地，所述角位置传感器为旋转变压器。
进一步地，所述电机为力矩电机。
进一步地，所述DSP微处理器包括位置PID控制器和速度PID控制器，分别用于处理双轴位置信息和双轴速率信息。
基于上述的技术方案，本发明能够实现对双轴转位机构的角位置信号进行高精度的数据采集和解析，进而基于解析的结果进行闭环控制、生成数字控制量，最后通过数字控制量的输出驱动电机转动，完成对双轴转位机构的高精度有效控制。
为实现上述技术目的，本发明公开了一种双轴转位机构控制方法，该控制方法包括如下步骤，
步骤1，采集捷联惯组的双轴转位机构的角位置信号，且所述角位置信号为模拟量；
步骤2，将上述模拟量形式的角位置信号转换为数字量形式的角位置信号；
步骤3，对所述数字量形式的角位置信号进行解析，以得到所述双轴转位机构的实时数字轴角信号；
步骤4，利用所述实时数字轴角信号计算出所述双轴转位机构的双轴位置信息和双轴速率信息；
步骤5，利用所述双轴位置信息、所述双轴速率信息及来自上位机的目标角位置信息对所述双轴转位机构进行闭环控制，生成数字控制信号；
步骤6，根据所述数字控制信号控制所述双轴转位机构运动，再返回步骤1。
进一步地，步骤6中，利用所述数字控制信号生成脉冲宽度调制信号，通过所述脉冲宽度调制信号驱动电机驱动电路，然后通过所述电机驱动电路输出的电信号驱动电机进行转动，所述电机转动的同时带动双轴转位机构运动，再返回步骤1。
进一步地，步骤1中，通过角位置传感器采集捷联惯组的双轴转位机构的角位置信号，所述角位置传感器采用与电机连接的旋转变压器。
进一步地，步骤5中，采用PID闭环控制的方式对所述双轴转位机构进行闭环控制。
基于上述的技术方案，本发明能够实现对双轴转位机构的角位置信号进行高精度的数据采集和解析，进而基于解析的结果进行闭环控制、生成数字控制量，最后通过数字控制量的输出驱动电机转动，完成对双轴转位机构的高精度有效控制。
为实现上述技术目的，本发明公开了一种捷联惯组自标定方法，该自标定方法利用上述双轴转位机构控制系统对捷联惯组进行标定。
为实现上述技术目的，本发明公开了一种捷联惯组自标定方法，该自标定方法利用上述双轴转位机构控制方法对捷联惯组进行标定。
本发明的有益效果为：本发明能够实现对双轴转位机构角位置数据的高精度采集，以及对双轴转位机构的高精度闭环控制，有效实现了对双轴转位机构速度环和位置环的高精度控制，经过大量的试验表明：本发明对角位置的控制精度优于±10″，基于如此高的控制精度，本发明有效实现了捷联惯组的自标定功能。
附图说明
图1为本发明双轴转位机构控制系统的组成示意图。
图2为本发明双轴转位机构控制策略的流程示意图。
图3为本发明双轴转位机构控制方法的详细流程示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的双轴转位机构控制系统、控制方法及捷联惯组自标定方法进行详细的解释和说明。
实施例一：
如图1-3所示，本发明公开了一种高精度双轴转位机构控制系统，该控制系统包括依次连接的角位置传感器、模数转换器、DSP微处理器、FPGA处理器、电机驱动电路、电机；应当理解，本发明涉及的捷联惯组为双轴转位捷联惯组，且其内部有用于分别实现惯性组件两个轴向转动的两个转位机构，本发明据此可以实现捷联惯组在线自标定功能，不需要将捷联惯组从在车上拆除即可实现惯性器件的标定工作。具体说明如下。
角位置传感器，用于采集捷联惯组的双轴转位机构的角位置信号，且角位置信号为模拟量；本实施例中，角位置传感器为能够实现高精度角度测量的旋转变压器。
模数转换器，用于将上述模拟量形式的角位置信号转换为数字量形式的角位置信号。
DSP微处理器，对数字量形式的角位置信号进行解析，以得到双轴转位机构的实时数字轴角信号；利用实时数字轴角信号计算出双轴转位机构的双轴位置信息和双轴速率信息；双轴位置信息、双轴速率信息分别作为位置反馈信息和速率反馈信息，利用双轴位置信息、双轴速率信息及来自上位机的目标角位置信息进行闭环控制，生成数字控制信号。
本实施例中，DSP微处理器通过RS422通信接口与上位机连接，DSP微处理器包括位置PID控制器和速度PID控制器，分别用于处理双轴位置信息和双轴速率信息，而“PID”表示“比例-积分-导数”。
FPGA处理器，利用数字控制信号生成脉冲宽度调制信号，通过脉冲宽度调制信号驱动电机驱动电路。本实施例中，脉冲宽度调制信号具体为脉冲宽度调制(PWM)方波信号。
电机驱动电路，用于输出驱动电机进行转动的电信号。在本发明公开内容的基础上，采用何种电机驱动电路可根据需要从常规方案中选取。
电机，用于带动双轴转位机构运动，本实施例中，上述的电机为力矩电机。
本实施例还公开了一种捷联惯组自标定方法该自标定方法利用上述的双轴转位机构控制系统对捷联惯组进行标定。需要说明的是，在本发明的技术启示下，至于具体控制每个转位机构转动多少度、以什么样的方式转动及其他具体参数，本领域技术人员可在现有技术中进行合理而明智的选择。
实施例二：
与实施例一基于相同的发明构思，本实施例提供了一种双轴转位机构控制方法，如图2、3所示，该控制方法包括如下步骤。
步骤1，采集捷联惯组的双轴转位机构的角位置信号，且角位置信号为模拟量，本实施例中，通过角位置传感器采集捷联惯组的双轴转位机构的角位置信号，且角位置传感器采用与电机连接的旋转变压器。
步骤2，进行高精度AD转换步骤，将上述模拟量形式的角位置信号转换为数字量形式的角位置信号。
步骤3，对数字量形式的角位置信号进行解析，以得到双轴转位机构的实时数字轴角信号。
步骤4，利用实时数字轴角信号计算出双轴转位机构的双轴位置信息和双轴速率信息。
步骤5，双轴转位机构控制接收上位机的控制指令，并利用双轴位置信息、双轴速率信息及来自上位机的目标角位置信息对双轴转位机构进行闭环控制，生成数字控制信号；本实施例中，采用PID闭环控制的方式对双轴转位机构进行闭环控制。
本发明通过上述的高效转换、有效解析、合理计算、闭环控制等处理过程，从而达到了采集的角位置有用信号低损失甚至零损失的目的，保证了高精度地控制双轴转位机构。
步骤6，根据数字控制信号控制双轴转位机构运动，再返回步骤1。本实施例中，步骤6具体如下：利用数字控制信号生成脉冲宽度调制信号，通过脉冲宽度调制信号驱动电机驱动电路，然后通过电机驱动电路输出的电信号驱动电机进行转动，电机转动的同时带动双轴转位机构运动，再返回步骤1，反复对双轴转位机构进行控制，直至捷联惯组自标定结束。
本实施例还公开了一种捷联惯组自标定方法，该自标定方法利用上述的双轴转位机构控制方法对捷联惯组进行标定。需要说明的是，在本发明的技术启示下，至于具体控制每个转位机构转动多少度、以什么样的方式转动及其他具体参数，本领域技术人员可在现有技术中进行合理而明智的选择。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.捷联惯组自标定方法，其特征在于：该自标定方法利用双轴转位机构控制方法对捷联惯组进行标定，所述双轴转位机构控制方法包括如下步骤；
步骤1，采集捷联惯组的双轴转位机构的角位置信号，且所述角位置信号为模拟量；通过角位置传感器采集捷联惯组的双轴转位机构的角位置信号，所述角位置传感器采用与电机连接的旋转变压器
步骤2，将上述模拟量形式的角位置信号转换为数字量形式的角位置信号；
步骤3，对所述数字量形式的角位置信号进行解析，以得到所述双轴转位机构的实时数字轴角信号；
步骤4，利用所述实时数字轴角信号计算出所述双轴转位机构的双轴位置信息和双轴速率信息；
步骤5，利用所述双轴位置信息、所述双轴速率信息及来自上位机的目标角位置信息对所述双轴转位机构进行闭环控制，生成数字控制信号；其中，采用PID闭环控制的方式对所述双轴转位机构进行闭环控制；
步骤6，根据所述数字控制信号控制所述双轴转位机构运动，再返回步骤1；利用所述数字控制信号生成脉冲宽度调制信号，通过所述脉冲宽度调制信号驱动电机驱动电路，然后通过所述电机驱动电路输出的电信号驱动电机进行转动，所述电机转动的同时带动双轴转位机构运动，再返回步骤1。
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