CN108333938A - 一种多闭环复合陀螺稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多闭环复合陀螺稳定控制方法，包括双闭环控制方法，双闭环控制方法增加抑制陀螺漂移的空间稳定环路，利用纠漂算法实现漂移的补偿，纠偏补偿方法步骤包括：获取原始数据—利用姿态融合模块获取载体三维姿态信息—通过进行惯性坐标系与载体坐标系的坐标变换—位置漂移误差累积计算弥补—循环前述几个步骤；本发明在传统双闭环控制策略基础上，增加陀螺漂移抑制环路，有效地抑制静态漂移，提高系统静态稳定精度及抗干扰能力，有效解决现有技术多采用双环控制或简单的多闭环控制存在的系统静态稳定精度较低、抗干扰能力差的问题。

Description

一种多闭环复合陀螺稳定控制方法

技术领域

本发明涉及一种多闭环复合陀螺稳定控制方法，属于陀螺稳定平台技术领域。

背景技术

陀螺稳定平台由于能隔离载体(飞机、战车、舰船)扰动，不断测量平台姿态和位置的变化，精确保持动态姿态基准，相对于惯性空间保持稳定状态，被广泛应用于电网、消防、抢险、救灾等应急监测领域。而陀螺稳定平台在载体运动过程中受到包括载体姿态变化、电机振动等扰动影响后，容易使得载荷的视轴发生振颤甚至是偏离既定目标，严重影响了任务载荷成像质量，所以低精度的稳定平台已不能满足各行业实时监测需求，而研究高精度的陀螺稳定控制方法迫在眉睫，以此来提升稳定平台的稳定精度，得到清晰的图像，最终实现对目标的实时监测。

目前，陀螺稳定控制方法主要分为双闭环控制和多闭环控制，控制方法如下：

双闭环控制：双闭环控制是稳定平台最常用的一种环路控制方法，主要是由速度内环和位置外环两环回路构成，位置环采用高精度光电编码器感测姿态信息，速度环采用陀螺仪完成空间角速度测量，并作为反馈系统构成陀螺稳定系统。此种控制方式相对简单，但是无法对陀螺漂移进行补偿，平台精度不高。

多闭环控制：多闭环控制方式有多种，较为常用的一种是采用直流测速机为电机转速测量反馈元件构成数字速度内环，采用陀螺为载体转速测量元件构成数字稳定外环组成双速度闭环串级控制结构，此种双速度环提高了系统对低频的抑制能力，但是由于陀螺本身存在漂移特性，长时间累积计算会产生较大误差，导致稳定精度降低，因此研发一种能够补偿陀螺漂移的闭环复合控制算法显得尤为重要。

综上所述，现有技术存在如下问题：

(1)现有技术采用单或双速度环结合稳定环的控制方式，无法补偿陀螺随机漂移特性导致的平台惯性空间偏移，系统稳定精度不高、抗干扰能力差；

(2)现有技术未考虑陀螺随机漂移的抑制，使得系统的静态稳定精度低；

(3)现有技术多采用建立陀螺仪的相关数学模型，对输出信号的误差采用滤波技术补偿，此种方法需建立复杂的数学模型且计算量大，滤波后的陀螺数据有较大延时性，导致控制系统实时性差，使得稳定精度降低，未能从根源上实现对随机漂移误差的补偿和修正；也有技术采用惯导模块POS数据进行漂移抑制，但是由于惯导模块价格昂贵，且GPS数据会被浪费，使得设备成本较高，而本发明正是采用价格相对低廉的传感器进行姿态数据融合进行陀螺漂移抑制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种多闭环复合陀螺稳定控制方法，以解决现有技术中存在的问题。

本发明采取的技术方案为：一种多闭环复合陀螺稳定控制方法，包括双闭环控制方法，双闭环控制方法增加抑制陀螺漂移的空间稳定环路，利用纠漂算法实现漂移的补偿，纠偏补偿方法步骤如下：

1)获得陀螺的原始数据，原始数据为平台受到的相对惯性空间的扰动速率数据，将此刻的陀螺数据进行记录，漂移的修正量就是对此速率值进行调节；

2)利用姿态数据融合模块获取载体三维姿态信息，开启稳定后，获取当前姿态融合模块输出的方位和俯仰角度数据，方位和俯仰角度数据为平台相对于惯性空间的绝对位置值，并与N个控制周期采样得到的位置值做差，得到N个控制周期内的位移变化量，该位移变化量为开启稳定后，平台相对于惯性空间的位置绝对漂移量；

3)通过进行惯性坐标系与载体坐标系的坐标变换，求得空间姿态误差信息在载体坐标系下的表示形式；

4)对每个轴误差角度设定阈值，并将所求取误差角与阈值比较判断，确定漂移抑制参数的修正方向及参数，将修正的参数与陀螺的原始速率求和，使陀螺速率值向着空间误差角为零的方向趋近；

5)在进行一个循环之后，方位电机和俯仰电机通过运动弥补的偏移量往往小于平台实际的位置偏移量，下一循环继续按照1)、2)、3)、4)步骤重新获取此N个周期需要的位移补偿量，还需要将该周期以前未补偿完成的漂移量进行矢量累积，最终将开启稳定后的位置漂移量补偿完成，实现陀螺漂移抑制。

有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：

(1)本发明在传统双闭环控制策略基础上，增加陀螺漂移抑制环路，有效地抑制静态漂移，提高系统静态稳定精度及抗干扰能力，有效解决现有技术多采用双环控制或简单的多闭环控制存在的系统静态稳定精度较低、抗干扰能力差的问题；

(2)相比于传统的纠漂控制算法，本文提出的方法以姿态融合模块输出的空间姿态角信息为基础，以纠漂控制算法为核心，将普通位置环无法弥补的由于陀螺漂移产生的位移量映射于平台坐标系下的误差角，并依据角度变化趋势对陀螺速率进行修正，此种补偿方法能从根源上对陀螺漂移进行纠正，实现平台视轴的惯性空间稳定，降低设备研制成本，有效解决现有技术大多采用建立陀螺仪的数学模型对输出信号的误差采用滤波技术补偿的方式进行漂移抑制的方法存在的数学模型复杂、滤波数据延时大、不满足工程技术性能指标的技术问题。

附图说明

图1是本发明的控制方法总体结构框图；

图2是本发明的陀螺漂移抑制算法实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例：一种多闭环复合陀螺稳定控制方法，包括双闭环控制方法，双闭环控制方法包括双闭环控制系统，如图1所示，双闭环控制系统包括电流环、电机速度环、空间稳定环和漂移抑制环，其中电流环由驱动器内部的电流传感器构成电枢电流的负反馈，以减小电流电压波动的影响,提高控制力矩的线性度，从而实现对电流的平稳控制，使之不发生突变，系统的稳定回路控制由速度环和稳定环双闭环控制结构组成，主要为了减少系统摩擦力矩对系统控制性能的影响及机体扰动对平台的影响，速度环主要由旋转变压器构成负反馈控制，该闭环的主要作用是降低电机的摩擦力矩对系统稳定性的影响，空间稳定环主要由速率陀螺构成速度负反馈控制，该闭环的主要作用是保证系统满足隔离载机干扰的要求，漂移抑制环主要通过对陀螺数据和空间位置的数据融合完成对空间漂移量的修正，保证视轴空间稳定性，达到符合要求的动态、静态性能，双闭环控制方法增加抑制陀螺漂移的空间稳定环路，利用纠漂算法实现漂移的补偿，纠偏补偿方法步骤如下：

1)获得陀螺的原始数据，原始数据为平台受到的相对惯性空间的扰动速率数据，将此刻的陀螺数据进行记录，漂移的修正量就是对此速率值进行调节；

2)利用姿态数据融合模块获取载体三维姿态信息，开启稳定后，获取当前姿态融合模块输出的方位和俯仰角度数据，方位和俯仰角度数据为平台相对于惯性空间的绝对位置值，并与N个控制周期采样得到的位置值做差，得到N个控制周期内的位移变化量，该位移变化量为开启稳定后，平台相对于惯性空间的位置绝对漂移量；

3)通过进行惯性坐标系与载体坐标系的坐标变换，求得空间姿态误差信息在载体坐标系下的表示形式；

4)对每个轴误差角度设定阈值，并将所求取误差角与阈值比较判断，确定漂移抑制参数的修正方向及参数，将修正的参数与陀螺的原始速率求和，使陀螺速率值向着空间误差角为零的方向趋近；

5)在进行一个循环之后，方位电机和俯仰电机通过运动弥补的偏移量往往小于平台实际的位置偏移量，下一循环继续按照1)、2)、3)、4)步骤重新获取此N个周期需要的位移补偿量，还需要将该周期以前未补偿完成的漂移量进行矢量累积，最终将开启稳定后的位置漂移量补偿完成，实现陀螺漂移抑制。

实施例2：如图1-图2所示，一种多闭环复合陀螺稳定控制方法，为开启稳定时刻平台相对惯性空间的初始位置值，为N个周期后的空间姿态角，由于方位轴与俯仰轴控制方法完全一致，故以俯仰轴为例，包括以下步骤：

1)获取陀螺的原始数据，原始数据为平台受到的相对惯性空间的扰动速率数据，记录当前时刻的陀螺速率v_g(k)，v_g(k)为k时刻采集到的陀螺原始数据，漂移的修正量就是对此速率值进行调节；

2)利用姿态数据融合模块获取载体三维姿态信息，稳定开启瞬间，通过陀螺数据和加速度计数据进行姿态融合，获取控制周期内平台的姿态角度数据θ_t(k)和N个控制周期后输出的姿态角数据θ_t(k+N)，姿态角度数据θ_t(k)与姿态角数据θ_t(k+N)之差获得N个控制周期内的位移变化量Δθ_ge(k)＝θ_t(k+N)-θ_t(k)，位移变化量为开启稳定后平台相对于惯性空间的位置绝对漂移量；

其中，θ_t(k)为k时刻姿态融合模块测得的平台相对于惯性空间的空间姿态角；

θ_t(k+N)为k+N时刻姿态融合模块测得的平台相对于惯性空间的空间姿态角；

Δθ_ge(k)为k时刻平台空间姿态误差角在惯性坐标系的表示；

3)利用惯性坐标系与平台坐标系的变换关系式，由步骤2)计算得到的平台相对于惯性空间的位移偏差求得N个控制周期内位移变化量在平台坐标系下的表示形式Δθ_gy(k)，Δθ_gy(k)为k时刻平台空间姿态误差角在平台坐标系的表示；

4)根据实际陀螺性能及姿态偏差数据，确定误差角度的阈值θ_th(θ_th>0)，阈值的确定依据实际陀螺的测试数据，给定N个周期，测试陀螺漂移量即可选为阈值，若|Δθ_gy(k)|>Δθ_th，陀螺漂移数据需要进行补偿，对陀螺原始数据进行修正v_g(k)+v_{gy_cor}，当Δθ_gy(k)>Δθ_th且Δθ_gy(k)>Δθ_gy(k-1)时，漂移抑制参数太小不足以补偿平台的漂移，则陀螺漂移数据调整为v_{gy_cor}+e，当Δθ_gy(k)<-Δθ_th且Δθ_gy(k)<Δθ_gy(k-1)时，陀螺漂移数据调整为v_{gy_cor}-e；若Δθ_gy>Δθ_th且Δθ_gy(k)<Δθ_gy(k-1)或Δθ_gy<-Δθ_th且Δθ_gy(k)>Δθ_gy(k-1)，则漂移抑制参数补偿漂移的方向是向着空间姿态偏差趋近零的，不对参数进行修正；

其中，Δθ_gy(k-1)为k-1时刻平台空间姿态误差角在平台坐标系的表示；

θ_th为空间姿态误差角的阈值；

v_{gy_cor}为累加在陀螺原始数据的陀螺漂移抑制参数，

e为漂移抑制参数每个周期的修正量；

5)处理后的速度量作为速度环的输入值，采用经典PID控制方法控制电机转动，使得Δθ_ge(k)向趋近于零的方向运动，补偿平台相对于惯性空间的位移偏移量，保持平台在惯性空间视轴稳定，提高稳定精度；

6)在进行一个步骤2)-5)循环过程后，电机通过运动弥补的偏移量小于平台实际的漂移量，则未补偿的偏移量将进行累加到下一个运算周期，直到补偿完(Δθ_ge(k)＝0作为补偿完)为止。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种多闭环复合陀螺稳定控制方法，其特征在于：该方法为：包括双闭环控制方法，双闭环控制方法增加抑制陀螺漂移的空间稳定环路，利用纠漂算法实现漂移的补偿，纠偏补偿方法步骤如下：

1)获得陀螺的原始数据，原始数据为平台受到的相对惯性空间的扰动速率数据，将此刻的陀螺数据进行记录，漂移的修正量就是对此速率值进行调节；

2)利用姿态数据融合模块获取载体三维姿态信息，开启稳定后，获取当前姿态融合模块输出的方位和俯仰角度数据，方位和俯仰角度数据为平台相对于惯性空间的绝对位置值，并与N个控制周期采样得到的位置值做差，得到N个控制周期内的位移变化量，该位移变化量为开启稳定后，平台相对于惯性空间的位置绝对漂移量；

3)通过进行惯性坐标系与载体坐标系的坐标变换，求得空间姿态误差信息在载体坐标系下的表示形式；

4)对每个轴误差角度设定阈值，并将所求取误差角与阈值比较判断，确定漂移抑制参数的修正方向及参数，将修正的参数与陀螺的原始速率求和，使陀螺速率值向着空间误差角为零的方向趋近；

5)在进行一个循环之后，方位电机和俯仰电机通过运动弥补的偏移量往往小于平台实际的位置偏移量，下一循环继续按照1)、2)、3)、4)步骤重新获取此N个周期需要的位移补偿量，还需要将该周期以前未补偿完成的漂移量进行矢量累积，最终将开启稳定后的位置漂移量补偿完成，实现陀螺漂移抑制。